Her2-gefunctionaliseerde goud-nanoshell magnetische hybride nanodeeltjes: Duale US/MR imaging en gerichte fotothermische therapie voor borstkanker

Samenvatting

Vroegtijdige, precieze kankerdetectie en behandeling vereisen geïntegreerde theranostische platforms. Hier rapporteren we Her2-gefunctionaliseerde goud-nanoshell PLGA magnetische hybride nanodeeltjes (Her2-GPH NPs) die ultrasone (US) en magnetische resonantie (MR) imaging combineren met nabij-infrarood (NIR) fotothermische therapie (PTT) voor borstkanker. De nanodeeltjes bestaan uit een PLGA-kern die perfluorooctylbromide (PFOB) en superparamagnetische ijzeroxide nanodeeltjes (SPIOs) inkapselt, gecoat met een goudnanoshell en geconjugeerd met anti-Her2 antilichamen. Celbindingsassays bevestigen receptor-gemedieerde opname in Her2-positieve SKBR3-cellen (bindingsratio 86 ± 3,7% vs 2,3 ± 0,4% in Her2-negatieve MDA-MBC-231 cellen, P < 0,001). In vitro leveren de deeltjes hoog-contrast US (dynamisch bereik tot 2 mg mL^‑1) en T₂-gewogen MR (relaxiviteit r₂ = 441,47 mM^‑1 s^‑1), wat commerciële agenten overtreft. NIR-bebestraling (808 nm, 1 W cm^‑2) verhoogt de lokale temperatuur met ~18 °C bij 0,2 mg mL^‑1 en doodt selectief SKBR3-cellen (62 ± 4,6% vitaliteitsreductie, P < 0,001). Deze resultaten demonstreren Her2-GPH NPs als een veelbelovend theranostisch hulpmiddel voor non-invasieve borstkanker imaging en therapie.

Inleiding

Borstkanker blijft de leidende oorzaak van kankergerelateerde sterfte bij vrouwen wereldwijd [1]. Vroegtijdige, accurate diagnose is cruciaal om sterftes te verminderen [2]. Conventionele imagingmodaliteiten, waaronder US en MRI, bieden complementaire sterktes: US biedt real-time, veilige, kosteneffectieve imaging met verhoogde gevoeligheid via contrastmiddelen, maar lijdt onder beperkte ruimtelijke resolutie; MRI levert superieure zachtweefelcontrast en anatomische details, maar met langere acquisitietijden en lagere gevoeligheid. Het combineren van US en MR kan deze beperkingen overwinnen en nauwkeurige, multimodale beoordeling van borstlaesies mogelijk maken [10].

Theranostiek—het integreren van diagnose en therapie binnen een enkel platform—belooft gepersonaliseerde behandeling. Fotothermische therapie (PTT) met NIR-lasers en foto-absorbers biedt minimaal invasieve, controleerbare tumorablatie [11–12]. Goudnanoshells vertonen sterke oppervlakteplasmonresonantie in het NIR-venster, wat efficiënte warmteconversie mogelijk maakt terwijl ze biocompatibel zijn [21]. Toch missen veel nanoplatformen specifieke targeterende liganden, wat hun celopname en therapeutische effectiviteit beperkt.

Her2 is overgeëxprimeerd in ~25–30% van borstkankers en correleert met agressieve ziekte en slechte prognose [28–29]. Anti-Her2 antilichaamconjugatie kan tumorselectiviteit en opname verbeteren. We hebben daarom Her2-gefunctionaliseerde goud-nanoshell magnetische hybrides ontworpen om dubbele-modale imaging en gerichte PTT van Her2-positieve borstkanker mogelijk te maken.

Materialen en Methodes

PLGA (MW 24–38 kDa, 50:50 lactide:glycolide), PFOB, SPIOs, en goudprecursoren werden verkregen van Sigma‑Aldrich, Shanghai So‑Fe Biomedicine, en Aladdin Chemistry. Anti-Her2 antilichamen (FITC-gelabeld) waren van Abcam. De synthese omvatte een olie-in-water emulsie-oplossingverdamping stap om PFOB/SPIOs in PLGA te inkapselen, gevolgd door oppervlaktefunctionalysatie met polyallylamine hydrochloride (PAH) om hechting van citraat-gestabiliseerde goudnanodeeltjes (5 nm) toe te laten. Goudnucleatie werd geïnduceerd door hydroxylaminedreductie, wat een nanoshell vormde die zich uitstrekte tot ~30 nm. De finale deeltjes werden PEGylerd (SH‑PEG‑COOH) en geactiveerd met EDC/NHS om anti-Her2 antilichamen te conjugeren, wat Her2-GPH NPs opleverde.

Karakterisatie omvatte FE‑SEM en TEM voor morfologie, DLS voor hydrodynamische grootte en zetapotentiaal, UV‑Vis spectroscopie voor optische eigenschappen, ICP‑AES voor elementaire samenstelling, en relaxometrie voor T₂ relaxiviteit.

In vitro studies gebruikten SKBR3 (Her2-positief) en MDA‑MBC‑231 (Her2-negatief) borstkankercellijnen. Cytotoxiciteit werd beoordeeld door CCK‑8 assays. Targetering werd geëvalueerd door confocal laserscanningmicroscopie (CLSM) en flowcytometrie. Ultrasone imaging gebruikte een Mylab Twice systeem (LA522 transducer) in 2D grijswaarde en CEUS modi; MR imaging werd uitgevoerd met een 0,5 T scanner met spin-echo sequenties. PTT effectiviteit werd getest door NIR laser bestraling (808 nm, 1 W cm^‑2) gevolgd door live/dead kleuring en CCK‑8 vitaliteitsassays.

Resultaten en Discussie

Nanodeeltjes Karakterisatie – De kern-schil structuur toonde uniforme sferische morfologie met een gemiddelde diameter van 248 nm en polydispersiteit 0,037. Na goudcoating nam de grootte toe tot 282 nm (PDI 0,18) en het zetapotentiaal verschuifde naar −31 mV, wat goede colloidale stabiliteit aangeeft. EDS bevestigde de aanwezigheid van C, O, Fe, Br en Au, terwijl ICP‑AES Au (67,7 wt%) en Fe (2,1 wt%) kwantificeerde. UV‑Vis spectra toonden een brede NIR-absorptie (600–900 nm) na nanoshell-groei, essentieel voor efficiënte fotothermische conversie.

Fotothermische Prestaties – Onder 808 nm bestraling steeg een 0,2 mg mL^‑1 Her2-GPH oplossing met 18,5 °C na 10 min, vergeleken met 1,2 °C voor water. Het absorptiespectrum bleef ongewijzigd na bestraling, wat fotothermische stabiliteit bevestigt.

Cytotoxiciteit – Her2-GPH NPs vertoonden verwaarloosbare intrinsieke toxiciteit in beide cellijnen (≥90% vitaliteit tot 200 μg mL^‑1), wat biocompatibiliteit aantoont.

Targeterings Effectiviteit – CLSM toonde helder groene fluorescentie op SKBR3-membranen met Her2-GPH, afwezig in MDA‑MBC‑231 cellen. Flowcytometrie onthulde een 86% bindingsratio aan SKBR3 versus 2,3% aan MDA‑MBC‑231; pre-blokkering met vrij antilichaam verlaagde binding tot 3,2%. Deze resultaten bevestigen receptor-gemedieerde, specifieke targetering.

Ultrasone Imaging – In vitro produceerden Her2-GPH oplossingen sterke CEUS-signalen, met een 2,5-voudige intensiteitstoename bij 2 mg mL^‑1 vergeleken met 0,1 mg mL^‑1. Tijd-intensiteit kurven toonden signaalretentie tot 5 min. In celfantommen toonden SKBR3-cellen behandeld met Her2-GPH significant hogere grijswaarden dan controles, wat versterkte moleculaire imaging aangeeft.

MR Imaging – T₂ relaxiviteit van Her2-GPH was 441,47 mM^‑1 s^‑1, >2× die van Feridex (152 mM^‑1 s^‑1). In celimaging toonden SKBR3 behandeld met Her2-GPH een 48% signaaldaling ten opzichte van controles; MDA‑MBC‑231 bleef ongewijzigd, wat selectieve contrastversterking bevestigt.

Gerichte PTT – Calcein‑AM/PI kleuring en CCK‑8 assays onthulden dat alleen Her2-GPH + NIR de SKBR3 vitaliteit significant verlaagde (62% reductie), terwijl GPH + NIR of Her2-GPH alleen minimaal effect hadden. Toenemende nanodeeltjesconcentratie verlaagde vitaliteit verder (<20% bij 200 μg mL^‑1 met NIR). Co-cultuur experimenten die heterogene Her2-expressie nabootsden, toonden proportionele celdood relatief aan SKBR3-proportie.

Conclusies

We hebben Her2-gefunctionaliseerde goud-nanoshell magnetische hybride nanodeeltjes ontwikkeld die dubbele-modale US/MR imaging integreren met gerichte NIR fotothermische therapie. Het platform demonstreert hoge-specificiteit targetering, robuuste contrast in beide modaliteiten, en effectieve tumorceldood in vitro. Deze bevindingen leggen de basis voor toekomstige in vivo studies en potentiële klinische vertaling van een precisie borstkanker theranostisch systeem.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Alle gegenereerde en geanalyseerde datasets zijn opgenomen in dit artikel.

Afkortingen

Au NPs

Goudnanodeeltjes

CCK‑8

Cel-telkit‑8

DAPI

4′,6‑Diamidino‑2‑fenylindole

DI

Gedemineraliseerd

DLS

Dynamische laserspreiding

DMEM

Dulbecco's modified Eagle's medium

EDC

Ethyl‑3-(3‑dimethylaminopropyl) carbodiimide

EDS

Energie-dispersieve Röntgenspectroscopie

FCM

Flowcytometrie

FE‑SEM

Veldemissie scanning elektronenmicroscopie

FITC

Fluoresceine isothiocyaanate

GPH NPs

Goud-nanoshell magnetische hybride nanodeeltjes

Her2

Humane epidurale groeifactor receptor 2

ICP‑AES

Geïnductief gekoppelde plasma atomaire emissiespectroscopie

LSCM

Laser scanning confocal microscopie

MRI

Magnetische resonantie imaging

NIR

Nabij-infrarood

PAH

Polyallylamine hydrochloride

PFOB

Perfluorooctylbromide

PLGA

Poly lactide-co-glycolide

PTT

Fotothermische therapie

PVA

Polyvinylalcohol

SPIOs

Superparamagnetische ijzeroxide nanodeeltjes

TIC

Tijd-intensiteitcurve

UCA

Ultrasoon contrastmiddel

US

Ultrasone imaging