Biomedische toepassingen van goudnanoclusters: Recente vooruitgang en toekomstperspectieven

Samenvatting

Goudnanoclusters (AuNCs) hebben zich ontwikkeld tot een veelzijdige klasse fluorescente probes, dankzij hun atoomschaal-grootte, instelbare emissie en opmerkelijke chemische stabiliteit. Hun inherente wateroplosbaarheid, lage cytotoxiciteit en uitzonderlijke fotostabiliteit maken AuNCs ideaal voor langdurige cellulaire imaging, ultrasensitieve detectie en gerichte therapeutica. Dit overzicht belicht recente vooruitgang in AuNCs gesynthetiseerd met kleine-molecuul, polymere en biomacromoleculaire liganden, met nadruk op doorbraken in imaging, sensing en therapie. We bespreken ook huidige beperkingen - zoals suboptimale kwantumopbrengsten en ligandheterogeniteit - en schetsen toekomstige onderzoeksrichtingen die de volledige biomedische potentie van AuNCs kunnen ontsluiten.

Achtergrond

Nanomaterialen hersenen biomedisch onderzoek door ongekende controle over grootte, vorm en oppervlaktechemie. In vergelijking met bulk-gelieden vertonen AuNCs - samengesteld uit enkele tot enkele honderden goudatomen - unieke optische handtekeningen, waaronder heldere fluorescentie over het zichtbare tot nabij-infrarode (NIR) venster, lange levensduur en grote Stokes-verschuivingen. Deze kenmerken, gecombineerd met gemakkelijke oppervlaktefunctionaliseringsmogelijkheden, positioneren AuNCs als superieure alternatieven voor organische kleurstoffen en halfgeleider kwantumdots voor cellulaire imaging, moleculaire sensing en fotodynamische therapie. Recente jaren hebben een explosie van werk gezien dat AuNCs geconjugeerd aan diverse liganden verkent, wat toelaat om fysicochemische eigenschappen te manipuleren en biocompatibiliteit te verbeteren. Hoewel verschillende uitgebreide overzichten analytische toepassingen van AuNCs hebben behandeld, richt dit artikel zich op hun biomedische bruikbaarheid en het strategische ontwerp van ligandarchitecturen die prestaties in imaging, detectie en therapie sturen.

We onderzoeken drie ligandklassen - kleine moleculen, polymeren en biomacromoleculen - wier distincte chemie AuNCs voorziet van specifieke targeteringscapaciteiten, verbeterde kwantumopbrengsten en multifunctionaliteit. De uitdagingen en toekomstige kansen die uit deze studies voortkomen, worden samengevat in de conclusiesectie.

Kleine-molecuul-geconjugeerde AuNCs

Kleine-molecuul liganden zijn de meest voorkomende keuze voor AuNC-synthese omdat ze nauwkeurige controle bieden over grootte en oppervlaktechemie. Bijvoorbeeld, D-penicillamine (DPA)-gecoate AuNCs (DPA-AuNCs) zijn uitzonderlijk helder, wateroplosbaar en worden gemakkelijk geïnternaliseerd door HeLa-cellen, wat tweefotonen-confocale imaging mogelijk maakt na slechts 2 uur incubatie. De resulterende 3D-reconstructies tonen uniforme intracellulaire distributie en hoge fotostabiliteit.

Dihydrolipoïnezuur (DHLA)-gekaptte AuNCs (DHLA-AuNCs) waren de eerste nanoprobes die fluorescentie-levensduur-imaging (FLIM) in levende cellen mogelijk maakten. Terwijl onbehandelde HeLa-cellen korte levensduur tonen (1,5-4 ns), verlenen DHLA-AuNCs lange levensduur (500-800 ns), wat FLIM-gebaseerde subcellulaire kartografisering faciliteert.

Cellijnafhankelijke biosynthese van AuNCs is ook aangetoond: HepG2- en K562-cellen converteren spontaan chloorauurzuur in AuNCs, terwijl niet-kankerige L02-cellen dit niet doen, wat een potentiële tumor-selectieve imagingstrategie suggereert. Trypsine-gestabiliseerde AuNCs (try-AuNCs) vertonen NIR-emissie en kunnen simultaan fungeren als een oppervlakte-plasmon-versterkte energie-overdracht (SPEET) sensor voor heparine en als een foliumzuur-gerichte imagingprobe voor kankercellen.

Ligandchemie breidt sensormogelijkheden verder uit. AuNCs met dopachinon kunnen Fe³⁺-ionen complexeren, wat leidt tot >500 nm aggregaten en een duidelijke fluorescentie-uitdoving, wat Fe³⁺-detectie in aqueous media mogelijk maakt. 11-mercaptoundecaanzuur (MUA)-AuNCs (MUA-AuNCs) vormen stabiele complexen met Hg²⁺ en bithiolen, wat selectieve fluorescentie-gebaseerde sensing van kwik en gerelateerde thiolen biedt. Vancomycine-gestabiliseerde AuNCs (Van-AuNCs) werden toegepast om Fe³⁺ in diverse watermonsters te monitoren, wat milieu-relevantie aantoont. Chitosaan-gefunctionaliseerde AuNCs (AuNCs@Chi) dienden als een FRET-gebaseerde waterstofsulfidesensor, waarborgend op de rol van H₂S in vasodilatatie en neurotransmissie.

Glutathion (GSH)-gekaptte AuNCs (GSH-AuNCs) zijn ontworpen voor snelle, selectieve detectie van lysine en cysteine met hoge fotostabiliteit. FRET-assemblages met GSH-AuNCs bereiken ultrasensitieve cysteïne-sensing, potentiëel hulp bij diagnose van cysteïne-gerelateerde aandoeningen. Keratine-getemplateerde AuNCs, die cysteine-rijke eiwritten benutten, detecteren Hg²⁺ via dubbele-emissie koolstofdot/goudcluster-probes met ratiometrische respons. Cyclodextrine-gekaptte AuNCs detecteren selectief Co²⁺-ionen, met cellulaire opname bevestigd in vitro.

Meest recent zijn ultrasmalle GSH-AuNCs ontwikkeld als verteerbare radiosensitisers. Hun kleine grootte (~2 nm) en hoge Röntgenattenuatie maken verbeterde radiotherapie mogelijk door foto-elektrische en Compton-interacties, terwijl GSH-coatings tumoraccumulatorie via het EPR-effect en nierclearance na behandeling waarborgen, wat off-target toxiciteit minimaliseert.

Polymeer-geconjugeerde AuNCs

Polymeerliganden voegen extra functionaliteit toe aan AuNCs, waaronder verbeterde colloidale stabiliteit, instelbare oppervlaktelading en biocompatibiliteit. Multidentate thioether-getermineerd poly(methacrylzuur) (PTMP-PMAA)-gekaptte AuNCs vertonen uitzonderlijke fotostabiliteit en labelen selectief bloedmondkerncellen (CBMCs) versus K562-leukemiecellen, wat differentiele opname reflecteert. Dergelijke selectieve internalisatie benadrukt het potentieel van polymere-gecoate AuNCs voor gerichte hematopoïetische imaging en geneesmiddelverabreding.

Aldek et al. introduceerden PEG- en zwitterion-gefunctionaliseerde AuNCs via bidentate lipoïnezuur-liganden, wat robuuste pH-stabiliteit en zouttolerantie aantoont - cruciale kenmerken voor biologische imaging en sensing. Chen et al. ontwierpen een pH-responsief amphifiel copolymeer (PDNH) dat AuNCs incapsuleert, wat resulteert in een nanocomposiet (L-AuNCs/FA-PDNH) dat imaging van foliaat-overexprimerende kankers combineert met paclitaxel-verabreding.

Polyethyleenimine (PEI)-gestabiliseerde AuNCs (PEI-AuNCs) bieden positieve oppervlaktelading, wat genlevering vergemakkelijkt en sterke rode fluorescentie in HepG2-cellen geeft, wat een dubbel imaging/therapeutisch platform biedt. FA-Ova-AuNCs, geassembleerd via een N-acryloxysuccinimide-linker, kleuren selectief foliaatreceptor-positieve HeLa-cellen, wat receptor-gemedieerde opname bevestigt.

Een hoogst fosforerend Au(I)-cluster ingesloten in een macroporeus polymere film biedt een colorimetrische cyanidesensor, in staat om CN⁻ in voedsel- en milieu-monsters te detecteren met hoge selectiviteit en kosteneffectiviteit - cruciaal voor volksgezondheidsmonitoring.

Biomacromolecuul-geconjugeerde AuNCs

Biomacromoleculaire liganden, rijk aan thiolgroepen, bieden biocompatibiliteit en specifieke herkenning. Transferrine (Tf)-gefunctionaliseerde AuNCs gecombineerd met grafeneoxide (Tf-AuNCs/GO) vormen een turn-on NIR-probe die selectief Tf-receptor-overexprimerende HeLa-cellen verlicht terwijl normale 3T3-fibroblasten gespaard blijven. Deze selectieve opname demonstreert de potentiële sonde voor gerichte imaging van ijzer-stofwisseling-gedreven kankers.

DNA-getemplateerde AuNCs bieden een snelle (2-min) groene synthese die luminescente nanoclusters oplevert wiens intensiteit lineair schaalt met DNA-concentratie, wat real-time DNA-kwantificering in HeLa- en A549-cellen mogelijk maakt. De sonde's lage toxiciteit en instelbare emissie over alle vier DNA-basen bieden een veelzijdig platform voor nucleïnezuuranalyse.

Nguyen et al. construeren een dubbele-ligand AuNC/grafeen-nanocomplex dat fungeert als een "turn-on" probe voor matrix-metalloproteinase-9 (MMP-9). Een peptide met de MMP-9-klevagesite fungeert als zowel stabilisator als targeterend ligand, wat een detectielimiet van 0,15 nM en selectieve imaging van gesecreteerd MMP-9 uit MCF-7-cellen bereikt.

Song et al. ontwikkelden een label-vrije, groene fluorescentie-toets voor proteïnekinasen door Zr-geïnduceerde aggregatie van gefosforyleerde AuNC-peptide-complexen te benutten, wat hoge gevoeligheid en vereenvoudigde experimentele werkstromen biedt voor CK2-activiteitsmeting.

Selvaprakash et al. benutten goedkope kippeierenwitteieren (AuNCs@ew) om fluorescente probes voor ATP en PPi-detectie te produceren via een microgolf-geassisteerde, single-stap synthese. De resulterende AuNCs@ovalbumine domineren de optische respons, wat snelle, kosteneffectieve fosfaatsensing in biologische en milieu-matrices mogelijk maakt.

Wu et al. synthetiseerden BSA/GSH-AuNCs met excitatie bij 330 nm en emissie bij 650 nm, wat efficiënte NO₂⁻-uitdoving bij pH 3.0 demonstreert terwijl hoge zouttolerantie behouden blijft - ideaal voor complexe monsteranalyse. Gelijktijdige studies onthulden dat BSA-gecoate AuNCs reversibele conformationele veranderingen ondergaan bij pH-verschuivingen, wat inzicht geeft in ligand-nanocluster-interacties.

Ghosh et al. onderzochten de impact van AuNCs op de activiteit van α-chymotrypsine, waaruit bleek dat AuNC-binding het enzym inactiveert, maar GSH of geoxideerd GSH de activiteit deels kan herstellen - een observatie die gerichte enzymmodulatie in kankercellen met verhoogde glutathionniveaus kan informeren.

Tot slot is fluorescentie-geguide chirurgie gevorderd met AuNCs geconjugeerd aan diatrizoïnezuur en de AS1411-aptamer, wat dubbele CT/NIR-imaging en intra-operatieve tumordelineatie in een CL1-5 muismodel mogelijk maakt. De hoge fotostabiliteit en tumor-specifieke targetering van deze probes bieden een veelbelovend platform voor real-time chirurgische begeleiding.

Conclusies

Samenvattend benadrukt de besproken literatuur de veelzijdigheid van AuNCs als fluorescente probes over imaging, sensing en therapeutische domeinen. Belangrijke uitdagingen blijven: (1) kwantumopbrengsten boven 20% bereiken voor multiplexed imaging; (2) grootte-uniformiteit waarborgen om emissiebandbreedtes te vernauwen; en (3) ligand-schelpchemie precies controleren om oppervlaktereactiviteit en biodistributie af te stemmen. Het aanpakken van deze obstakels door rationeel ligandonntwerp, high-throughput synthese en diepgaande mechanistische studies zal de vertaling van AuNCs naar klinische diagnostiek en gepersonaliseerde geneeskunde versnellen.

Met voortgezette interdisciplinaire inspanningen staan AuNCs erop om een hoeksteen te worden van next-generation biomedische imaging en gerichte therapie.

Afkortingen

AuNCs:

Goudnanoclusters

BSA:

Bovine serumalbumine

CBMC:

Bloeddraadmononucleaire cellen

CD:

Circulaire dichroïsme

Chi:

Chitosaan

ChT:

Chymotrypsine

DHLA:

Dihydrolipoïnezuur

DPA:

D-penicillamine

DTT:

Dithiothreitol

FA:

Foliumzuur

FLIM:

Fluorescentie-levensduur-imaging

FRET:

Förster-resonantie-energieoverdracht

GSH:

Glutathion

GST:

Glutathion-S-transferase

MUA:

11-mercaptoundecaanzuur

Ova:

Ovalbumine

PCR:

Polymerase-kettingreactie

PDNH:

Poly(DBAM-co-NAS-co-HEMA)

PEI:

Polyethyleenimine

PPi:

Pyrofosfaat

PTMP-PMAA:

Multidentate thioether-getermineerd poly(methacrylzuur)

SPEET:

Oppervlakte-plasmon-versterkte energieoverdracht

Tf:

Transferrine

Try:

Trypsine

VAN:

Vancomycine