One-Pot Synthesis of Highly Dispersible Fluorescent Nanodiamonds for Bioconjugation

Abstract

Fluorescent nanodiamonds (FNDs) have been attracting much attention as promising therapeutic agents and probes for bioimaging and nanosensing. For their biological applications, several hydrophilizing methods to enhance FND colloidal stability have been developed to suppress their aggregation and the nonspecific adsorption to biomolecules in complex biomedical environments. However, these methods involve several complicated synthetic and purification steps, which prohibit the use of FNDs for bioapplications by biologists. In this study, we describe a simple one-pot FND hydrophilization method that comprises coating of the surface of the nanoparticles with COOH-terminated hyperbranched polyglycerol (HPG-COOH). HPG-COOH-coated FNDs (FND-HPG-COOHs) were found to exhibit excellent dispersibility under physiological conditions despite the thinness of the 5 nm HPG-COOH layer. Biotinylated FND-HPG-COOHs specifically captured avidin molecules in the absence of nonspecific protein adsorption. Moreover, we demonstrated that FND-HPG-COOHs conjugated with antibodies can be used to selectively target integrins in fixed HeLa cells. In addition, intracellular temperature changes were measured via optically detected magnetic resonance using FND-HPG-COOHs conjugated with mitochondrial localization signal peptides. Our one-pot synthetic method will encourage the broad use of FNDs among molecular and cellular biologists and pave the way for extensive biological and biomedical applications of FNDs.

Chemical Functionalization of Nanodiamonds: Opportunities and Challenges Ahead

“…Hydroxyl groups can be functionalized via esterification under conditions similar to those described for COOH. [27] Another attractive strategy for the derivatization of NDs is the reaction with siloxanes (Scheme 5). [12] Siloxane functionalization offers several advantages:itcan be performed under mild conditions using alcohol solvents,a nd the reaction is highly versatile and tunable due to the wide variety of siloxanes that are commercially available.O nt he contrary,s iloxane functionalization may suffer from hydrolysis and therefore crosslinking agents such as 1,2-bis(triethoxysilyl)ethane are required.…”

Fluorescent carbon dots as intracellular imaging probes

“…Nanodiamond has high‐fluorescence quantum yield (ranging from 0.7 to 1), and is extremely photostable that permits extensive imaging without concern of signal decay (Chan, Liu, Leung, & Lo, ; Petrakova et al, ). They are highly biocompatible, nontoxic in nature (Terada, Sotoma, Harada, Igarashi, & Shirakawa, ) and can be surface functionalization without effecting N‐V centers (Chow et al, ). Using these advantages, the fluorescent nanodiamonds are used as subcellular biomarker, drug/gene delivery carrier, in vivo animal imaging, and tissue engineering (Mochalin, Shenderova, Ho, & Gogotsi, ; Prabhakar et al, ).…”

Nanodiamonds: unique nanoparticles for use in biomedicine and biotechnology

“…Koniugując powierzchnię NDs z izocyjanianem oktadecylu i kwasem polikarboksymetylowym otrzymano kompleks, który po wniknięciu do komórek wykazywał jasną fluorescencję [92]. W innym badaniu wykazano, że NDs koniugowane z rozgałęzionymi łańcuchami poliglicerolu wykorzystać można do selektywnej detekcji integryn w komórkach HeLa oraz wewnątrzkomórkowej termodetekcji [93]. W naszych badaniach, w celu udowodnienia, że NDs mogą przenikać przez kutikulę owada dokonaliśmy modyfikacji NDs polegającej na oksydacji ich powierzchni, a następnie przyłączyliśmy fluorescencyjny barwnik, FITC.…”

“…Przyłożenie zewnętrznego źródła pola magnetycznego do ciała pacjenta w miejscu lokalizacji nowotworu po wprowadzeniu do organizmu magnetycznych nanokoniugatów utrzymuje leczniczy kompleks w obszarze zmienionej nowotworowo tkanki, co może prowadzić do poprawy farmakokinetyki leków i umożliwia ochronę zdrowych tkanek przed niekorzystnym działaniem leków antynowotworowych, które skupiane są w bezpośrednim obrębie komórek rakowych [108]. Opłaszczone lakami, fluorescencyjne NDs można wykorzystać również do badania interakcji tych leków z komórkami oraz ich komponentami, określenia biodystrybucji leków, a także oceny zmian stężenia leków lub ich metabolitów w ustroju w czasie [63,79,93,100,101]. Badania interakcji NDs-transferyny i jej receptora z wykorzystaniem linii HeLa, pozwoliły uzyskać widma fluorescencyjne wykazujące brak wpływu interakcji białko-receptor na intensywność fluorescencji NDs [109].…”