Biomedische toepassingen voor gouden nanoclusters:recente ontwikkelingen en toekomstperspectieven

Abstract

Gouden nanoclusters (AuNC's) zijn op grote schaal toegepast als een fluorescerende sonde voor biomedische toepassingen in beeldvorming, detectie en therapie vanwege hun unieke chemische en fysische eigenschappen. Fluorescerende sondes van AuNC's hebben een hoge compatibiliteit, superieure fotostabiliteit en uitstekende oplosbaarheid in water vertoond, wat resulteerde in opmerkelijke biomedische toepassingen voor langdurige beeldvorming, detectie met hoge gevoeligheid en doelspecifieke behandeling. Onlangs zijn er grote inspanningen geleverd bij de ontwikkeling van AuNC's als de fluorescerende sondes voor verschillende biomedische toepassingen. In deze review hebben we fluorescerende AuNC's verzameld die zijn bereid door verschillende liganden, waaronder kleine moleculen, polymeren en biomacromoleculen, en de huidige prestaties van AuNC's in biomedische toepassingen voor beeldvorming, detectie en therapie benadrukt. Volgens deze vooruitgang hebben we verder conclusies gegeven over de huidige uitdagingen en toekomstperspectieven van AuNC's voor fundamenteel onderzoek en praktische biomedische toepassingen.

Achtergrond

Recente biomedische toepassingen hebben de significante rol van nanomaterialen in de ontwikkelingen van nanowetenschap en nanotechnologie aan het licht gebracht [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. In vergelijking met bulkmaterialen hebben nanomaterialen unieke fysische en chemische eigenschappen laten zien, waardoor ze veelbelovende bouwstenen zijn [11,12,13,14,15,16,17,18]. Van de verschillende nanomaterialen is een specifiek type gouden nanomaterialen, gouden nanoclusters (AuNC's), met afmetingen tot honderden goudatomen, uitgebreid onderzocht in biomedische toepassingen vanwege hun goed gedefinieerde structuur, gemakkelijke oppervlaktemodificatie en zeer stabiele optische eigenschap [19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34]. Zonder een duidelijke oppervlakte-plasmonresonantie hebben AuNC's fluorescentie vertoond in het brede gebied van zichtbaar tot nabij-infrarood met een lange levensduur en grote Stokes-verschuiving [35,36,37]. Er zijn grote inspanningen geleverd voor het gebruik van AuNC's als de fluorescerende sondes in biomedische toepassingen op het gebied van beeldvorming, detectie en therapie [38,39,40]. In vergelijking met organische fluoroforen en kwantumdots, hebben fluorescerende AuNC's een hoge compatibiliteit, superieure fotostabiliteit en uitstekende oplosbaarheid in water laten zien voor langdurige beeldvorming, detectie met hoge gevoeligheid en doelspecifieke behandeling [41,42,43,44,45, 46,47,48,49]. De intensieve ontwikkelingen van AuNC's als fluorescerende sondes hebben aanzienlijke gevolgen gehad voor de toepassingen van beeldvorming, detectie en therapie.

De verregaande ontwikkelingen van AuNC's in biomedische toepassingen zijn de afgelopen jaren tot stand gekomen. Verschillende uitstekende beoordelingsdocumenten van AuNC's met het oog op analytische toepassingen zijn gericht op de analyse van geneesmiddelen, milieuverontreinigende stoffen en biologische monsters [50.51.52.53]. In deze review hebben we de nadruk gelegd op de recente vooruitgang voor het gebruik van AuNC's geconjugeerd met drie soorten liganden, waaronder kleine moleculen, polymeren en biomacromoleculen in de toepassingen voor beeldvorming, detectie en therapie. Relevante uitdagingen en toekomstperspectieven van AuNC's voor fundamenteel onderzoek en biomedische toepassingen werden ook gegeven in de "Conclusies".

Small Molecule-Conjugated AuNC's

Kleine moleculen zijn uitgebreid toegepast als liganden om AuNC's te bereiden. Met de conjugaties van kleine moleculen op de oppervlakken hebben AuNC's verschillende functies voor beeldvorming en detectie vertoond. D-penicillamine geconjugeerd met gouden nanoclusters (DPA-AuNC's) bezit bijvoorbeeld behoorlijk goede eigenschappen, zoals kleine afmetingen, hoge colloïdale stabiliteit en helderheid, waardoor ze een immens perspectief krijgen als fluorescerende sondes en dus kunnen worden gebruikt voor biologische beeldvorming. Menselijke kankercellen (HeLa) werden afgebeeld door internalisatie van DPA-AuNC's. Vervolgens, na 2 uur incubatie van kankercellen met DPA-AuNC's, werd een confocale microscoop gebruikt voor het afbeelden van de cellen met een twee-foton-excitatietechniek [54]. De membraankleurstof DiD werd als referentie gebruikt en de emissie-intensiteiten van zowel DPA-AuNC's als DiD-kleurstof werden respectievelijk verzameld in groene en rode kleuren. De heldere luminescentie die wordt uitgezonden door de HeLa-cellen als gevolg van inname van nanodeeltjes wordt getoond in figuur 1a. Voor 3D-reconstructie werden ook verschillende afbeeldingen op verschillende z-posities genomen, zoals weergegeven in Fig. 1b [55].

een Afbeelding van HeLa-cellen na incubatie met DPA-AuNC's gedurende 2 uur door confocale microscopie. b 3D-beeld met geïnternaliseerde DPA-AuNC's in dwarsdoorsnede [55]. De kleuren van DPA-AuNC's en membraankleurstof DiD zijn respectievelijk groen en rood weergegeven

De dihydroliponzuur (DHLA) -AuNC's werden voor het eerst geïnternaliseerd in HeLa-cellen voor het onderzoeken van de fluorescentie-levensduurbeeldvorming (FLIM) -toepassing. Hela-cellen zonder DHLA-AuNC's vertoonden autofluorescentie met een levensduur tussen 1,5 en 4 ns. De intensiteit en levensduurbeelden van Hela-cellen worden getoond in Fig. 2a, b. Maar na blootstelling van Hela-cellen aan DHLA-AuNC's gedurende 1 uur, vertoonden de cellen een duidelijke luminescentie-emissie die een lange fluorescentielevensduur van 500 tot 800 ns vertoonde. De intensiteit en FLIM-afbeeldingen van Hela-cellen met DHLA-AuNC's worden getoond in Fig. 2c, d [56].

Intensiteit (a , c ) en FLIM (b , d ) alleen afbeeldingen van Hela-cellen (a , b ) en Hela-cellen gedurende 1 uur geïncubeerd met DHLA-AuNC's (c , d ). Alle schaalbalken zijn 10 μm [56]

Wang et al. ontdekte dat wanneer kankercellijnen zoals HepG2 (menselijke hepatocarcinoomcellijn), K562 (leukemiecellijn) werd geïncubeerd met chloorgoudzuur (een biocompatibele moleculaire Au(III) soort) oplossingen in micromolaire concentraties, en AuNC's spontaan gebiosynthetiseerd worden door deze cellen lijnen [57]. Maar het fenomeen deed zich niet voor in de niet-kankercellijn L02 (levercellen van menselijke embryo's) die als controles werden gebruikt. Als resultaat kan de bovengenoemde methode worden onderworpen als een nieuwe methode voor in vivo zelf-bio-imaging van tumoren. Een andere trypsine-gestabiliseerde gouden nanoclusters (try-AuNC's) met nabij-infrarode fluorescentie werden gesynthetiseerd door Liu et al. voor dubbele doeleinden; een van de toepasbaarheid omvat biosensing van heparine dat is gebaseerd op oppervlakteplasmon-enhanced energy transfer (SPEET) en een andere omvat foliumzuur (FA) gemodificeerde try-AuNC's voor in vivo kankerfluorescentiebeeldvorming (Fig. 3). De SPEET-modus en in vivo kankerbeeldvorming met een hoog richtvermogen van try-AuNC's toonden een enorm potentieel als multifunctionele biomaterialen voor biosensing van biomoleculen [58].

Nabij-infrarood fluorescerende try-AuNC's als biosensor met verbeterde energieoverdracht aan het oppervlak en in vivo biosonde voor kankerbeeldvorming [58]

Van de o-chinon-bevattende liganden is bekend dat ze complexen vormen met IJzer (Fe³⁺ ) ionen [59, 60]. Dus de AuNC's die dopaquinon als liganden bevatten, werden ontwikkeld en geëvalueerd door Ho et al. voor het waarnemen van Fe³⁺ gebaseerd op een mechanisme van de vorming van een complex tussen Fe³⁺ ionen en o-chinondeel van dopaquinon in oplossing. Uit de onderzoeken is gebleken dat een groot complex wordt gevormd met afmetingen van meer dan 500 nm door aggregatie van AuNC's in aanwezigheid van Fe³⁺ ionen. AuNC's kunnen dus worden gebruikt voor de detectie van Fe³⁺ ionen in water en andere vloeistoffen [61].

Er wordt gerapporteerd dat zure functionele groepen een stabiel complex vormen met metaalionen en biothiolen; op dezelfde manier werd gedacht dat 11-mercaptoundecaanzuur-geconjugeerde gouden nanoclusters (MUA-AuNC's) Hg²⁺ detecteren ionen in oplossingen en bithiolen die kunnen worden beschouwd als een van de waarneembare toepasbaarheid van AuNC's [62, 63]. De fluorescentie-intensiteit van MUA-AuNC's in complex met Hg²⁺ ionen wordt getoond in Fig. 4 [64]. Verder is het complex van Hg²⁺ -thiol was naar verluidt stabieler dan Hg²⁺ -COOH-complex [65]. Daarom werd een complex van MUA-AuNC's gebruikt om bithiolen te detecteren, wat verder kan worden beschouwd omdat het een andere toepassing is bij het detecteren van metaalionen in verschillende oplossingen [64].

een Fluorescentie-intensiteit van MUA-AuNC's bij afwezigheid van 170 μM Hg²⁺ . b Agglomeratie van Hg²⁺ met COOH-groep van MUA-AuNC's in aanwezigheid van 170 μM Hg²⁺ . c Fluorescentie-intensiteit nadat 10 mM cysteïne was toegevoegd aan het monster in B [64]

De vancomycine-gestabiliseerde gouden nanoclusters (Van-AuNC's) zijn ontworpen en gesynthetiseerd door Yu et al. voor detectie van Fe³⁺ in leidingwater, meerwater, rivierwater en zeewater als een van de toepassingen in de analyse van milieumonsters [66]. Chitosan-gefunctionaliseerde gouden nanoclusters (AuNCs@Chi) werden geproduceerd en ontwikkeld voor gebruik als detectiemateriaal van waterstofsulfide (H₂ S) gebruikmakend van het Förster-resonantie-energieoverdrachtsmechanisme (FRET) [67]. De reden voor de onderzoekers om H₂ . te detecteren S is dat waterstofsulfide betrokken is bij veel biologische processen, waaronder vaatverwijding [68, 69], ontstekingsremmers [70, 71] en neurotransmissie [72].

Liu et al. een basis gelegd voor de synthese van glutathion (GSH)-gestabiliseerde gouden nanoclusters (GSH-AuNC's) met een hoge selectiviteit, snelle respons en uitstekende fotostabiliteit die werden gebruikt voor de detectie en detectie van lysine en cysteïne (aminozuren) [73] . In de afgelopen tijd is de FRET-assemblage (Forster-resonantie-energieoverdracht) ontwikkeld door Yu et al. met behulp van gouden nanoclusters afgedekt door glutathion (AuNCs@GSH). Het samenstel bleek zeer selectief te zijn voor het aminozuur cysteïne dat in de toekomst kan worden gebruikt voor de diagnose van cysteïne-gerelateerde ziekten [74]. De cysteïnerijke AuNC's met eiwit-matrijs werden bereid met behulp van zilver (I) -ion. Keratine is een cysteïne-rijk structureel eiwit dat overvloedig wordt aangetroffen in haar, wol, veren, enz. Daarom werden op zilverionen gebaseerde AuNC's met keratine-template gesynthetiseerd en geëvalueerd op hun waarnemende toepassing van kwik-ionen (Hg²⁺ ) [75]. Gebaseerd op dual-emission carbon dots-gouden nanoclusters (C-AuNC's) gefunctionaliseerd met dithiothreitol (DTT), een ratiometrische fluorescentiesensor voor de gevoelige detectie van kwikionen (Hg²⁺⁾ in watermonsters is recentelijk gerapporteerd [76]. De twee bovengenoemde toepassingen van AuNC's kunnen van groot belang zijn voor het bewaken van de kwaliteit van water. Met cyclodextrine gecapte AuNC's zijn gemeld voor de detectie van kobaltionen (Co²⁺ ) en op fluorescentie gebaseerde selectieve en gevoelige Co²⁺ . weergeven ionen waarnemen. Cellulaire internalisatie van AuNC's werd ook waargenomen tijdens de detectie van Co²⁺ ionen [77].

Onlangs zijn de ultrakleine AuNC's geconjugeerd met biocompatibele oppervlakteligand van GSH gesynthetiseerd als de metaboliseerbare en efficiënte radiosensitizers voor kankerradiotherapie [78]. De ultrakleine nanoconstructen van GSH-AuNC's hebben aantrekkelijke eigenschappen onthuld, waaronder sterke radiotherapieverbetering van de Au-kern en goede biocompatibiliteit van de oppervlaktecoating GSH. Bovendien zijn de GSH-AuNC's bij voorkeur geaccumuleerd in de tumor via het verbeterde verbeterde permeabiliteit en retentie-effect, wat leidt tot een sterke verbetering voor kankerradiotherapie dan die van veel grotere gouden nanodeeltjes. De verbeterde radiotherapie kan worden toegeschreven aan het feit dat de DNA-schade veroorzaakt door het foto-elektrische effect en Compton-verstrooiing van de Au₂₅ nanoclusters. De opmerkelijke afname van het volume en het gewicht van de U14-tumor is bereikt door de GSH-AuNC's als radiosensitizer te gebruiken. Bovendien kunnen de GSH-AuNC's na de behandeling efficiënt door de nieren worden geklaard, waardoor eventuele bijwerkingen vanwege de ophoping van Au₂₅ tot een minimum worden beperkt. nanoclusters in de diermodellen.

Polymeer-geconjugeerde AuNC's

Polymeren zijn ook naar voren gekomen als de belangrijke liganden voor preparaten van AuNC's in biomedische toepassingen. AuNC's werden bijvoorbeeld bereid door capping met multidentate thioether-terminated poly(methacrylic acid) (PTMP-PMAA) ligand die zeer fotostabiele kandidaten bleken te zijn en werden gebruikt om de normale (navelstrengbloed mononucleaire cellen; CBMC) en hematopoëtische cellen te labelen (K562 kankercellen) (Fig. 5) [79]. Uit de resultaten bleek dat kankercellen deze moleculen in veel grotere mate binnenkrijgen dan normale cellen [80]. Er is gerapporteerd [81] dat gouden nanodeeltjes gemakkelijk doordringbaar zijn voor meer volwassen cellen zoals granulocyten en lymfocyten die deel uitmaken van het hematopoëtische systeem. Evenzo kunnen AuNC's ook worden toegepast bij selectieve labeling, beeldvorming en toediening van doelwitgeneesmiddelen in het hematopoëtische systeem en gerelateerde kankers zoals chronische myeloïde leukemie.

Labeling van normale en kankercellen met AuNC's en quantum dots (QD's) [79]

Aldeek et al. ontwierp fluorescerende polyethyleenglycol- en zwitterion-gefunctionaliseerde gouden nanoclusters door gebruik te maken van tweetandige liganden gemaakt van liponzuurverankerende groepen verbonden met ofwel een poly(ethyleenglycol) korte keten of een zwitteriongroep [82]. Om de rol van deze nanoclusters in de biologie te bepalen, zijn verschillende testen uitgevoerd zoals pH-afhankelijke stabiliteit en stabiliteit in aanwezigheid van overtollig zout. De hypothese van de auteur onthult dat deze tests relevant zijn voor het gebruik van deze AuNC's als fluorescerende platforms voor beeldvorming en detectie in de biologie. Verder wordt in het rapport beschreven dat verschillende biologische afwijkingen gerelateerd zijn aan de pH en dus een indicatie kunnen geven voor progressie van verschillende ziekten zoals kankermetastasen, chronische vermoeidheid en depressie [83, 84]. Van deze clusters wordt ook gedacht dat ze het fysieke gedrag van eiwitten en nucleïnezuren beheersen [85,86,87]. Een van de extra voordelen van deze clusters is hun gebruik in in vivo (deep-tissue) beeldvorming. Chen et al. ontwikkelde een pH-afhankelijk amfifiel polymeersysteem met luminescente AuNC's waarvan werd vastgesteld dat ze fotostabiel en biocompatibel waren in de vorm van nanocomposiet voor diagnostische activiteiten, waaronder detectie en therapie van kankercellen die folaat tot overexpressie brengen [88]. Luminescente AuNC's werden tegengehouden met amfifiel copolymeer (poly (DBAM-co-NASco-HEMA) (PDNH)) om L-nAuNCs/FA-gemodificeerde PDNH (of L-AuNCs/FA-PDNH) nanocomposiet te vormen. Bovendien werd hydrofoob geneesmiddel paclitaxel geassembleerd met L-AuNCs/FA-PDNH en kan dus worden gebruikt voor zowel beeldvorming als behandeling van kanker (Fig. 6).

Fabricage van L-AuNCs/FA-PDNH nanocomposiet voor beeldvorming en therapie [88]

Polykationen-gefunctionaliseerde wateroplosbare polyethyleenimine gouden nanoclusters (PEI-AuNC's) werden ontworpen en gesynthetiseerd voor geschikte en veilige gentherapietoepassingen samen met celbeeldvorming [89]. Vanwege de boeiende optische eigenschappen van PEI-AuNC's, worden deze clusters gerapporteerd als een veelbelovende kandidaat voor bio-imaging, wat werd bevestigd door kankercellijnen (HepG2) te incuberen met PEI-AuNC's en opmerkelijke fotoluminescentie vertoonden en de cellen die sterke intense rode fluorescentie gaven. Gouden nanoclusters beschermd door ovalbumine (fluorescerende sonde) gekoppeld aan foliumzuur (targeting ligand) (FA-Ova-AuNCs) en een homopolymeer N -acryloxysuccinimide als de linker wordt ontwikkeld door Qiao et al. en werd gebruikt voor de detectie van kanker door middel van beeldvorming van kankercellen (Fig. 7). Omdat foliumzuurreceptoren tot overexpressie worden gebracht in HeLa-cellen, wordt aangenomen dat Hela-cellen FA-Ova-AuNC's zouden opnemen. In dit werk is specifieke kleuring van HeLa-cellen door FA-Ova-AuNC's aangetoond [90].

Schema van de vorming van FA-Ova-AuNC's voor beeldvorming van kankercellen [90]

Voor de toepassing bij detectie is een hoog fosforescerend moleculair goud(I)-cluster in een macroporeuze polymeerfilm ontworpen en gesynthetiseerd voor de detectie van cyanide door middel van colorimetrische detectietechniek. De gouden nanoclusters kunnen worden gebruikt om cyanide-ionen te detecteren in rode wijn, koffie, sap en aarde. Omdat cyanide extreem giftig en gevaarlijk is en tot de dood kan leiden [91], was er behoefte aan zeer selectieve, gevoelige en kosteneffectieve sensoren die kunnen helpen bij het bepalen van de cyanideniveaus in het milieu, water en voedsel [92] . Deze gouden nanocluster kan dus een zegen zijn die kan helpen om een aantal levens te redden [93].

Biomacromolecuul-geconjugeerde AuNC's

Biomacromoleculen met thiolgroepen zijn ook toegepast als veelgebruikte liganden om AuNC's te bereiden in verschillende biomedische toepassingen. Onlangs werd transferrine (Tf)-gefunctionaliseerde gouden nanoclusters (Tf-AuNCs) / grafeenoxide (GO) nanocomposiet (Tf-AuNCs/GO) vervaardigd als een turn-on near-infrared (NIR) fluorescerende sonde die kan worden gebruikt voor bioimaging van kankercellen en kleine dieren [94]. Het vermogen van NIR-fluorescerende sonde voor het afbeelden van Tf-receptor (TfR) op kankercellen werd geëvalueerd met behulp van twee verschillende kankercellijnen, namelijk Hela (hoog expressieniveau van TfR) en HepG-2 (laag expressieniveau) en één normale muiscellijn (3T3) met verschillende TfR-niveaus zoals weergegeven in Fig. 8. De fluorescerende sonde werd duidelijk alleen ingenomen door Hela-cellen en na 4 uur incubatie werd merkbare fluorescentie waargenomen.

Fabricage van de Tf-AuNCs/GO-conjugatie als een turn-on NIR-fluorescerende sonde voor bio-imaging in kankercellen met TfR-overexpressie [94]

Sahoo et al. hebben een snelle groene synthese in één stap (2 min) van zeer lichtgevende AuNC's op DNA ontwikkeld, met behulp van een enkele verwarmings- en koelcyclus zoals bij polymerasekettingreactie (PCR). De intensiteit van luminescentie-nanoclusters bleek toe te nemen met het aantal DNA, wat een gemakkelijke manier biedt om DNA te kwantificeren (Fig. 9). Als een krachtige fluorescerende sonde voor DNA-kwantificering, wordt het vermogen van AuNC's getoond in twee verschillende kankercellijnen, waaronder HeLa en A549 [95]. De vorming van AuNC's bleek te worden beïnvloed door de hoeveelheid voorlopers (HAuCl₄ ) gebruikt bij de synthese. De intensiteit van luminescentie-emissies en de kwantumresultaten van nanoclusters worden gezien op basis van de clusterdimensies gevormd op verschillende hoeveelheden goud. De AuNC's werden bereid door verschillende basenparen, die bestonden uit A, T, G en C, en produceerden dezelfde luminescentie voor verschillende basenpaarsamenstellingen en dezelfde sequentielengtes. Bovendien biedt de identificatie van de emissie-intensiteitsafhankelijkheid van nanoclusters van DNA-hoeveelheden een unieke manier van testen. Analyse van genamplificatie en relatieve expressie kan worden verkregen. Bovendien benadrukt de biocompatibiliteit van AuNC's het gebruik ervan als een sonde in vergelijking met de traditionele cytotoxische eigenschappen van kleurstoffen. Kwantitatieve analyse van het niveau van genexpressie in verschillende kankercellijnen kan worden gebruikt om een eenvoudige, draagbare en goedkope apparatuur aan te tonen als alternatief voor een gecompliceerde, krachtige en dure PCR-energiemachine. Bovendien maakt deze tool, met het gebruik van luminescente AuNC's als signaalgenererende middelen, reverse transcriptase PCR en array-gebaseerde analyse van meerdere genen/eiwitten tegelijkertijd mogelijk met behulp van schakelbare houders en speciaal ontworpen software. Er werden apparaten en benaderingen ontwikkeld om genprofielen te beoordelen die verband houden met apoptose in HeLa-kankercellen en ook om de expressie van glutathion-S te meten. -transferase (GST) eiwit en GST-gelabelde humane granulocyt macrofaag koloniestimulerende factor (GSThGMCSF) recombinant eiwit geëxtraheerd uit Escherichia coli [96].

De methode voor de synthese van luminescente AuNC's door de PCR-conditie te emuleren [95]

Snelle bereiding van biocompatibele signaalproducerende middelen van AuNC's in DNA en eiwitten maakt kwalitatieve detectie mogelijk. Bovendien biedt het synthetische methoden van AuNC's als gemeenschappelijke sondes voor zowel DNA- als eiwitstudies (in vloeistoffen en monsters op membranen), PCR-ampliconanalyse en op membraan gebaseerd onderzoek in een enkel instrument. Het instrument kan 95% PCR-amplificatie-efficiëntie leveren in vergelijking met in de handel verkrijgbare machines. Het belangrijkste is dat de materialen allemaal milieuvriendelijk zijn. Door gebruik te maken van de voordelen, kan een geïntegreerde tool en aanpak een nieuwe toepassing op bestaande technieken creëren met de integratie van nanotechnologie en biologie.

Nguyen et al. ontwikkel dubbele ligand van stabiliserende AuNC's en fabriceer AuNC's / grafeen nanocomplex als een "turn-on" fluorescerende sonde om matrixgerelateerde matrix metalloproteinase-9-kanker te detecteren [97]. Een soepele, eenstapsmethode werd onderzocht voor de biomedische toepassing van AuNC's met behulp van peptiden en mercapto-undecaanzuur als co-templating-liganden. Het peptide met metalloproteinase-9-splitsingsplaats dient als stabilisator en ook als een targeting-ligand voor enzymdetectie. Met enzymen produceert het AuNC's / grafeen-nanomateriaal vanwege de uitstekende uitdovingseigenschappen en de verwaarloosbare achtergrond van grafeenoxide een sterke "turn-on" fluorescentierespons, die sterk gecorreleerd is met enzymconcentraties. De detectielimiet van het nanomateriaal is 0,15 nM voor enzym. Het fluorescerende nanomateriaal werd met succes aangetoond voor de detectie van "turn-on" metalloproteinase-9 uitgescheiden door MCF-7-kankercellen met hoge gevoeligheid en selectiviteit. Bovendien bieden de fluorescerende AuNC's aanzienlijke reducties in tijd, kosten en sensorische complexiteit in vergelijking met eerdere studies. Het platform heeft ook een groot potentieel getoond voor het detecteren van verschillende biologische moleculen op verschillende gebieden, waaronder milieu- en analytisch onderzoek. Evenzo Song et al. de labelvrije, gevoelige en eenvoudige methode ontwikkelen voor het detecteren van eiwitkinasen op basis van de selectieve aggregatie van gefosforyleerde gouden nanoclusterspeptiden (AuNCs-peptiden) geïnduceerd door de coördinatie van Zr-ion [98]. De AuNC's werden bereid door peptiden zonder een sterk reductiemiddel, wat voorkomt dat peptiden worden verstoord. Er is een onderzoek ontwikkeld naar labelvrije, groene, gevoelige en eenvoudige fluorescentie met behulp van de AuNC-peptiden om de activiteit van het eiwitkinase CK2 te meten. Vergeleken met de recent vastgestelde kinase-fluorescentietest, heeft het gebruik van AuNC-peptiden verschillende belangrijke voordelen, waaronder labelvrije, groene en eenvoudige experimentele processen.

Selvaprakash et al. AuNC's ontwikkelen met behulp van goedkope eiwitten van kippeneiwit (AuNCs@ew) als inschakelsensor om fosfaatbevattende metabolieten zoals adenosine-50-trifosfaat (ATP) en pyrofosfaat (PPi) te detecteren [99]. Er is een kosteneffectieve en ongecompliceerde benadering verkregen voor het produceren van fluorescerende AuNC-probes voor fosfaatbevattende moleculen zoals ATP en PPi. Door goedkope eiwitten met tetrachloorzuur toe te voegen, kan AuNCs@ew gemakkelijk worden gesynthetiseerd door verwarming in de magnetron. In dit werk wordt AuNCs@ew voornamelijk gedomineerd door AuNCs@ovalbumin door zorgvuldige karakterisering. Aangezien ovalbumine een glycoproteïne is en overvloedige glycineliganden bevat, is de mogelijkheid voor het gebruik van AuNCs@ew als de fluorescerende probes voor ConA, dat de glycanenbindingsplaats bevat, met succes bewezen in het werk van Selvaprakash.

Wu et al. gebruik runderserumalbumine (BSA) en GSH om gouden nanoclusters (BSA/GSH-AuNC's) te synthetiseren met excitatie en emissies bij respectievelijk 330 nm en 650 nm [100]. In deze benadering dienen BSA en GSH voornamelijk als respectievelijk een beperkings- en reductiemiddel. Met behulp van GSH is slechts 30 μM BSA nodig om fotostabiele BSA/GSH-AuNC's te synthetiseren. Door het gebruik van GSH is het gebruik van grote hoeveelheden dure eiwitten zoals BSA en transferrine niet meer nodig voor de ontwikkeling van fluorescerende eiwitten/GSH-AuNC's. Deze strategie biedt een goedkope benadering voor de synthese van eiwit-AuNC's en vereenvoudigt ook de verfijning van de gevestigde AuNC's. Wu et al. vond ook dat blussen getriggerd door NO₂ ⁻ bij pH 3,0 was efficiënt en specifiek. Met een hoge zouttolerantie, gevoeligheid en selectiviteit hebben BSA/GSH-AuNC's een groot potentieel voor het meten van gecompliceerde NO₂ monsters. Cao et al. pH-geïnduceerde fluorescentieveranderingen van AuNCs@BSA en geschikte conformationele veranderingen van ligand-eiwitten onderzoeken door middel van fluorescentie, circulair dichroïsme (CD) en IR-spectraalmetingen. In dit werk ondergaat BSA in AuNCs@BSA herkenbare conformationele veranderingen op het niveau van secundaire en tertiaire structuren. CD- en IR-resultaten interpreteren een significante verandering van de tweede structuur op extreme zuurgraad en alkalisch, waar meer onregelmatige structuren worden verkregen [101]. Het verschil in secundaire structurele veranderingstrends tussen AuNCs@BSA en de originele BSA werd getoond. De extreme alkalische toestand (pH 11,43) veroorzaakt een verandering van blootstelling aan de begraven helix. Bovendien impliceert de grote tryptofaanfluorescentiekloof tussen AuNCs@BSA en de originele BSA dat de gouden kernen in de buurt van tryptofaan in de BSA leven. Deze studie legt de basis voor het begrijpen van de gedragsconformatie van ligand-eiwitten in geconjugeerde AuNC's.

Ghosh et al. de effecten van AuNC's op CD en enzymatische activiteit van α-chymotrypsine (ChT) onderzoeken (tegen substraathydrolyse, N -succinyl-l-fenylalanine p-nitroanilide) [102]. Het CD-spectrum laat zien dat ChT bij binding aan AuNC's volledig wordt blootgesteld, waardoor ellipticiteit van bijna nul wordt geproduceerd. De met ChT gecoate AuNC's vertonen vrijwel geen enzymatische activiteit. De extra GSH of geoxideerde GSH herstelt de enzymactiviteit a ChT met 30-45%. De activiteit van ChT gaat onomkeerbaar verloren op het bindingsoppervlak van AuNC's. Deze verloren activiteit kan worden hersteld wanneer ChT AuNC's sluit die zijn behandeld met GSH of geoxideerd GSH. In de cel kan de enzymactiviteit nieuw leven worden ingeblazen door GSH, zoals in dit werk wordt aangetoond. Omdat kankercellen worden gekenmerkt door verhoogde niveaus van glutathion, zullen er verschillen zijn in de absorptie van met enzymen omzoomde goudgroepen tussen kankercellen en normale cellen.

De nieuwe techniek van fluorescentie-geleide chirurgie is het chirurgische proces ingegaan om operators te helpen de beslissing te nemen of de weefsels moeten worden verwijderd of bewaard tijdens de operatie [103]. Deze prestaties zouden een paradigmaverschuiving in kankerchirurgie tot stand kunnen brengen voor een grote verbetering van de uitkomst van de patiënt. Recente onderzoeksvooruitgang op dit gebied was gericht op het gebruik van fluorescerende AuNC's geconjugeerd met diatrizoëzuur en doelspecifieke AS1411-aptameer als een fluorescentiegeleide sonde voor nauwkeurige geleiding tijdens resectie van tumorweefsel. In vivo-experimenten hebben aangetoond dat de tumorlocatie in CL1-5-tumordragende muis is waargenomen op het heldere CT-beeld met behulp van de AuNC-conjugaten als een contrastmiddel voor moleculaire beeldvorming. Wat nog belangrijker is, is dat de duidelijk zichtbare oranjerode fluorescentie van AuNC-conjugaten is gebruikt om de resectie van de CL1-5-tumor te helpen door intraoperatieve fluorescentiebegeleiding. De sterke fluorescentieverbetering van de verwijderde tumor is gebaseerd op in vivo beeldvormingssysteemgegevens om de succesvolle moleculaire targeting te bewijzen met behulp van fluorescerende AuNC-conjugaten. Dit werk heeft grote voordelen aangetoond van het gebruik van de doelspecifieke fluorescerende AuNC-conjugaten in vivo die in staat zijn om langdurige fluorescerende beeldvormingstijden, hoge fotostabiliteit, dubbele beeldvormingsfuncties en haalbare oppervlaktemodificaties met specifiek gerichte moleculen te bieden in vergelijking met de meeste organische contrastmiddelen die momenteel worden gebruikt. Bovendien heeft dit werk een geavanceerd concept opgeleverd op het gebied van biomedische beeldvorming en therapie met behulp van gefunctionaliseerde AuNC's.

Conclusies

Over het algemeen hebben we een mini-overzicht gegeven van de recente vorderingen in fluorescerende AuNC's die zijn bereid met kleine moleculen, polymeren en biomacromoleculen voor toepassingen in biobeeldvorming, detectie en therapie (tabel 1). Deze werken hebben aangetoond dat fluorescerende AuNC's veelbelovende fluorescerende sondes kunnen zijn vanwege hun unieke eigenschappen, zoals uitstekende biocompatibiliteit, hoge fotostabiliteit en gemakkelijke oppervlaktemodificatie. Hoewel AuNC's zijn aangetoond in verschillende biomedische toepassingen, zijn hun fluorescentiequantumopbrengsten (QY's) echter nog steeds laag (meestal minder dan 20%). De eerste uitdaging om de toepassingen van AuNC's uit te breiden, is gericht op de voorbereiding van AuNC's met QY met hoge fluorescentie. With low fluorescence QY, the synthesis of AuNCs with uniform size will be an alternative way to improve their fluorescence QY. Furthermore, with the uniform size, fluorescent AuNCs with a narrow emission spectrum will increase their benefit in biomedical applications. The second challenge for AuNCs is the control of ligand on their surface because the chemical and physical properties of AuNCs can be significantly affected by their surface modification. Therefore, the theoretical and practical studies of AuNCs are still needed to have a better understanding of their structure, optical characteristic, and physicochemical property. Especially, for physicochemical property, recent studies have proven that AuNCs are potential fluorescent probes for biosensing, bioimaging, and cancer therapy. Accordingly, to realize the biomedical applications, we still have a lot of works to push the biomedical applications of AuNCs in imaging, detection, and therapy. Overall, with the great efforts, we believe that AuNCs will be served as a significant fluorescent probe in biomedical application in the near future.

Afkortingen

AuNCs:: Gold nanoclusters
BSA:: Bovine serum albumin
CBMC:: Cord blood mononuclear cells
CD:: Circular dichroism
Chi:: Chitosan
ChT:: Chymotrypsin
DHLA:: Dihydrolipoic acid
DPA:: D-penicillamine
DTT:: Dithiothreïtol
FA:: Folic acid
FLIM:: Fluorescence lifetime imaging
FRET:: Förster resonantie energieoverdracht
GSH:: Glutathione
GST:: Glutathione-S -transferase
MUA:: 11-Mercaptoundecanoic acid
Ova:: Ovalbumin
PCR:: Polymerase chain reaction
PDNH:: Poly(DBAM-co-NASco-HEMA)
PEI:: Polyethyleneimine
PPi:: Pyrophosphate
PTMP-PMAA:: Multidentate thioether-terminated poly(methacrylic acid)
SPEET:: Surface plasmon-enhanced energy transfer
Tf:: Transferrin
Try:: Trypsin
VAN:: Vancomycin

Verbeterd effect van combinatie van chlorogeenzuur op seleniumnanodeeltjes bij het remmen van amyloïde β Aggregatie en vorming van reactieve zuurstofsoorten in vitro Eerste-principes studie van puntdefecten in GaAs/AlAs superrooster:de fasestabiliteit en de effecten op de bandstructuur en carriermobiliteit

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal