Polypyrrole-gecoate FePt nanopartikelen: Een multifunctioneel platform voor fotothermische therapie en fotoakoestische imaging

Samenvatting

Een nieuw ijzer-platinum (FePt) nanopartikel platform, geencapsuleerd met polypyrrole (PPy), is ontworpen om fotothermische therapie (FTT) en fotoakoestische imaging (FAI) te combineren voor kankerbehandeling. De PPy-gecoate FePt (FePt@PPy) nanopartikelen vertonen uitstekende biocompatibiliteit, fotothermische stabiliteit, en sterke nabij-infrarood (NIR) absorptie, wat efficiënte tumorablatie onder 808-nm laserbestraling en robuuste FA signaalgeneratie mogelijk maakt. In vitro studies bevestigen krachtige kankercel-doding en duidelijke FA-contrast, wat FePt@PPy positioneert als een veelbelovend multifunctioneel theranostisch agent.

Achtergrond

Fotothermische therapie is opgedoken als een hoogst selectieve, minimaal invasieve benadering voor kankerablatie, vanwege de precieze ruimtelijk-tijdelijke controle en beperkte systemische toxiciteit. Door NIR-licht om te zetten in warmte, bieden FePt nanopartikelen superieure fotothermische conversie-efficiëntie vergeleken met goud tegenhangers en bieden dubbele CT/MRI contrast. Echter, oppervlaktefunctionaliserings blijft essentieel om waterige stabiliteit en biocompatibiliteit te verbeteren. Polypyrrole, een conducterend polymere met robuuste NIR-absorptie, fotothermische stabiliteit, en biocompatibiliteit, is met succes toegepast in diverse biomedische contexten. Deze studie rapporteert de synthese van PPy-gecoate FePt (FePt@PPy) nanopartikelen en evalueert hun prestaties voor gecombineerde FTT en FAI.

Methoden

Materialen

Alle reagentia, inclusief Pt(acac)₂, Fe(CO)₅, 3-mercaptopropionzuur (3-MPA), pyrrole, en anderen, werden gekocht van Sigma-Aldrich en zonder verdere zuivering gebruikt. Celkweek reagentia en media werden verkregen van HyClone. Gedestilleerd water werd gebruikt voor alle waterige bereidingen.

Synthese van FePt@PPy nanopartikelen

De fabricage omvatte drie opeenvolgende stappen:

1. Synthese van hydrofobe FePt NP's: Pt(acac)₂, Fe(CO)₅, 1,2-hexadecandiol, oleylamine, en oleïnezuur werden teruggekoken bij 240 °C onder argon. De resulterende FePt NP's werden verzameld door centrifugatie en gewassen met hexaan.
2. Liganduitwisseling voor hydrofiele FePt NP's: 3-MPA werd geïntroduceerd om oleylamine/oleïnezuur te vervangen, wat de deeltjes wateroplosbaar maakte. De hydrofiele NP's werden geïsoleerd door centrifugatie en gewassen met cyclohexanon, ethanol, en aceton.
3. Polypyrrole coating: Hydrofiele FePt NP's werden gedispergeerd in water, gestabiliseerd met PVA, en gepolymeriseerd met pyrrole in aanwezigheid van ammoniumpersulfaat. Na 2 uur polymerisatie werden de FePt@PPy NP's gecentrifugeerd, gewassen met heet water, en heropgelost in PBS.

Karakterisering

Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) onthulde een kerndiameter van 8,3 nm en een PPy-schildikte van ~10 nm, wat een totale grootte van 42 nm opleverde. Energie-dispersieve Röntgenspectroscopie bevestigde een Fe:Pt verhouding van 20:80. Fourier-transformatie infraroodspectroscopie (FTIR) bevestigde de aanwezigheid van PPy functionele groepen. UV-Vis-NIR spectra toonden een uitgesproken absorptieband over 700-900 nm, wat sterke NIR-activiteit aangeeft.

Fotothermische en fotostabiliteitstesten

FePt@PPy oplossingen (20-120 µg mL⁻¹) werden bestraald met een 808-nm laser (1 W cm⁻², 6 min). Temperatuurstijgingen variëerden van 39 °C (20 µg mL⁻¹) tot 71 °C (120 µg mL⁻¹). Verwarmings/afkoelcycli (zes herhalingen) toonden verwaarloosbare temperatuurafwijking en ongewijzigde UV-Vis spectra, wat uitstekende fotothermische stabiliteit bevestigt.

Lange-termijn opslag

Nanopartikelen opgeslagen bij 4 °C in PBS of celkweekmedia behielden grootte (< 45 nm) en absorptiekarakteristieken over 30 dagen, wat robuuste colloïdale stabiliteit aangeeft.

Cellulaire cytotoxiciteit en opname

MTT-assays op MDA-MB-231 borstkankercellen onthulden >95% levensvatbaarheid zelfs bij 120 µg mL⁻¹ FePt@PPy, terwijl ongecoate FePt ~80% levensvatbaarheid vertoonde. Pruisisch blauw kleuring bevestigde efficiënte cellulaire internalisatie.

In vitro fotothermische therapie

Na 24 uur incubatie met FePt@PPy (10-100 µg mL⁻¹) gevolgd door 808-nm bestraling (1 W cm⁻², 4-6 min), daalde de cellenlevensvatbaarheid op een dosis- en tijdsafhankelijke manier. Bij 100 µg mL⁻¹ en 6 min bestraling werden ~70% van de cellen gedood, wat veel gerapporteerde systemen overtreft bij vergelijkbare laservermogens.

In vivo verwarmingsexperiment

Subcutane injectie van 100 µL FePt@PPy (100 µg mL⁻¹) in een naakte muis gevolgd door 808-nm bestraling (1 W cm⁻², 6 min) verhoogde de huidtemperatuur met ~19 °C, wat het thermische effect lokaliseerde aan de injectieplaats.

In vitro fotoakoestische imaging

Fantomexperimenten met 50-200 µg mL⁻¹ FePt@PPy toonden duidelijke FA-contrast die toenem met concentratie, wat het potentieel voor beeld-geguide fototherapie onderstreept.

Conclusies

Polypyrrole-gecoate FePt nanopartikelen combineren hoge NIR-absorptie, robuuste fotothermische conversie, uitstekende biocompatibiliteit, en sterke FA-signaalgeneratie. Hun prestaties in vitro en in vivo benadrukken hun belofte als multifunctionele agenten voor gecombineerde fotothermische therapie en fotoakoestische imaging.