PEG-gecoate goud nanosterren: een veilig, hoog-contrast agent voor CT-beeldvorming met snelle nierclearance

Samenvatting

Goud nanoscanners zijn opkomende transformatieve tools voor ziekte diagnostiek in gecomputeerde tomografie (CT). Vergeleken met kleine-molecuul jodiumagenten, bieden nanodeeltjes superieure in-vivo detectie door hun grotere oppervlakte en instelbare fysicochemische eigenschappen. Hier rapporteren we de synthese van polyethyleenglycol (PEG)-gefunctonaliseerde goud nanosterren (AuNS@PEG) die een hoge röntgen massa-absorptiecoëfficiënt, ultradunne grootte, efficiënte metabolische clearance en uitstekende biocompatibiliteit vertonen. In vivo CT scans bevestigen dat AuNS@PEG robuuste contrastversterking bieden, wat ze positioneert als veelbelovende next-generatie contrastagentia.

Achtergrond

Het laatste decennium heeft snelle vooruitgang gezien in nanodeeltjes (NP) technologie voor biomedische toepassingen, gedreven door diverse materialen en hoge oppervlakte-tot-volume verhoudingen. Goud (Au) NPs zijn bijzonder gewaardeerd voor hun inerte chemie, biocompatibiliteit en hoge atoomnummer, wat ze ideaal maakt voor röntgenattenuatie. Conventionele gejodide contrastmedia – kleine organische moleculen zoals diatrizozuur (DTA) en iohexol (Omnipaque) – bieden korte beeldvormingsvensters en dragen een risico op niertoxiciteit, met name bij patiënten met beeinträchtigde nierfunctie. Nanodeeltjes-gebaseerde agentia kunnen beeldvormingstijd verlengen, nefrotoxiciteit verminderen en contrastefficiëntie verbeteren, zoals gedemonstreerd door Au en Ag nanomaterialen in recente studies.

Het nanostructureren van goud in een sterrenvorm verhoogt de effectieve oppervlakte, wat de röntgenattenuatie per eenheidsmassa versterkt. Functonalisatie met PEG verbetert de waterige disperseerbaarheid, vermindert proteïneadsorptie en vergemakkelijkt nierclearance, wat de belangrijkste uitdagingen van nanodeeltjes toxiciteit en biodistributie adresseren.

Methoden

Alle experimentele protocollen werden goedgekeurd door het Regionale Ethische Comité, Jinzhou Medische Universiteit, Liaoning Provincie, China.

Materialen en instrumenten

Reagentia werden verkregen van Sigma-Aldrich (St. Louis, MO) en gebruikt zoals ontvangen tenzij anders vermeld. AuNS@PEG werden gekarakteriseerd door transmissie elektronenmicroscopie (TEM), energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDX), röntgen fotoelektron spectroscopie (XPS), UV-vis spectroscopie, dynamische lichtverstrooiing (DLS) en MTT levensvatbaarheidstests.

Synthese van Au nanosterren/PEG (AuNS@PEG) nanodeeltjes

Zaad-gemedieerde groei produceerde 10-nm Au zaden via reductie van HAuCl₄ in water, gevolgd door oleylamine injectie en daaropvolgende zuivering. Au nanosterren (≈50 nm) werden gegroeid door menging van AgNO₃ en ascorbijnzuur met een goudzaadoplossing, vervolgens gepassiveerd met thiol-PEG (6 kDa) in overmaat. De finale AuNS@PEG werden gezuiverd door herhaalde centrifugatie/herdispersie en in water opgeslagen.

Celkweek en blootstelling

Primaire rat ruggenmerg neuroglia werden gekweekt in DMEM aangevuld met 10% FBS, 100 U/mL penicilline en 100 µg/mL streptomycine. Cellen werden blootgesteld aan AuNS@PEG (50–1000 ppm) gedurende 2 uur; controles ontvingen alleen medium.

Dieren en behandeling

Mannelijke Sprague-Dawley ratten (180–200 g) werden gehuisvest onder standaardomstandigheden. Twee groepen werden ingesteld: controle (staartvennisjectie van PBS) en test (200 µg/mL AuNS@PEG). Na injectie werden ratten gemonitord en geofferd op gespecificeerde tijdstippen voor weefselverzameling.

Cellevitaliteitstest

Neuroglia werden gezaaid bij 1 × 10⁴ cellen/mL in 96-putplaten en behandeld met AuNS@PEG (0–1000 ppm). Na 24 uur kwantificeerde een MTT-test de metabole activiteit; absorbantie werd gelezen bij 490 nm.

Stroomcytometrie

Apoptose werd beoordeeld met annexine V-APC/7-AAD kleuring na 2 uur blootstelling aan AuNS@PEG, gevolgd door BD FACSCanto II analyse.

CT-beeldvorming

In vivo CT werd uitgevoerd op een 128-rij GE scanner (120 kV, 100 mA, snijden dikte 0,625 mm). Beelden werden verkregen voor injectie en op 0,5, 1, 2, 6 en 24 uur na injectie.

Histologische analyse

Hart, lever, nier, milt, long en darmen werden gefixeerd, gesneden en gekleurd met H&E voor morfologische evaluatie.

Beoordeling van nierfunctie

Serum BUN, creatinene, β₂-MG en CO₂ werden gemeten voor en 24 uur na injectie om nefrotoxiciteit te evalueren.

Statistische analyse

Data worden gepresenteerd als gemiddelde ± SD. Eenrichtings ANOVA met Tukey's post-hoc test (p < 0,05) werd gebruikt om significantie te beoordelen.

Resultaten en discussie

Synthese en karakterisatie van AuNS@PEG nanodeeltjes

TEM-beelden (Fig. 1a) bevestigen een uniforme ster-vormige morfologie met een gemiddelde diameter van ~50 nm. EDX (Fig. 1c) en XPS (Fig. 1b) spectren verifiëren de aanwezigheid van Au en PEG op het nanodeeltjesoppervlak, wat succesvolle functonalisatie bevestigt.

CT-waarde van de AuNS@PEG nanodeeltjes

AuNS@PEG vertonen hogere CT-attenuatie dan jodium bij equivalente concentraties (Fig. 2a). De lineaire relatie tussen CT-waarde (HU) en Au-concentratie (Fig. 2b) demonstreert voorspelbare beeldvormingscontrast.

Cytotoxiciteitstest

MTT-tests tonen >90% cellevitaliteit bij 1000 ppm, zonder significante cytotoxiciteit tot 200 ppm (Fig. 3a). Stroomcytometrie bevestigt verwaarloosbare apoptose over alle geteste concentraties (Fig. 3b).

In vivo CT-beeldvorming en biodistributie

Intraveneuze injectie (200 ppm) produceerde duidelijke nierversterking, met piek nier HU waarden stijgend van 95 tot 464 HU binnen 2 uur (Fig. 4). Opvolgende CT-scans tonen progressieve clearance, met complete blaasvisualisatie op 24 uur, wat efficiënte nieruitscheiding bevestigt.

H&E kleuring

Histologie van hart, lever, milt, long, nier en darmen na 24 uur onthulde geen discerneerbare pathologie of residuele nanodeeltjes (Fig. 5).

Nierfunctiestudie van AuNS@PEG nanodeeltjes

Serummarkers (BUN, creatinene, β₂-MG, CO₂) gemeten 24 uur na injectie toonden geen significante veranderingen vergeleken met baseline, wat geen nierschade aangeeft (Tabel 1).

Conclusies

PEG-gecoate goud nanosterren van ~50 nm diameter vertonen hoge röntgenattenuatie, uitstekende biocompatibiliteit en snelle nierclearance. Hun gunstige veiligheidsprofiel en superieure contrastprestaties maken ze sterke kandidaten voor klinische CT-beeldvorming, biedend een veiliger alternatief voor gejodide agentia.