BSA-покрытые золотые наностержни обеспечивают низкодозовую NIR-II фототермическую терапию

Аннотация

Второе ближнее инфракрасное (NIR-II, 1000–1300 нм) окно предлагает беспрецедентное проникновение в ткани, позиционируя его как идеальный оптический режим для визуализации и фототермической терапии. Однако создание золотых наностержней, поглощающих в этом диапазоне с сохранением низкой цитотоксичности, остается сложной задачей. Мы спроектировали серию высокоаспектных золотых наностержней с надежным поверхностным плазмонным резонансом через NIR-II окно. Покрытие этих наностержней бовиновым сывороточным альбумином (BSA) драматически улучшило их биосовместимость без ущерба для оптической производительности. В модели рака груди у мышей BSA-покрытые наностержни достигли полной абляции опухоли при скромной интенсивности NIR-II лазера всего 0,75 Вт см⁻². Эти результаты подтверждают, что низкодозовая NIR-II фототермическая терапия выполнима с большими аспектными отношениями золотых наностержней.

Введение

Золотые наночастицы (AuNPs) вышли на перед как универсальные агенты в биомедицинских исследованиях благодаря их исключительной биосовместимости и низкой цитотоксичности. Их высокое рентгеновское затухание делает их привлекательными для компьютерной томографии (КТ) визуализации опухолей, в то время как их яркий поверхностный плазмонный резонанс (SPR) обеспечивает эффективное фотон-тепло преобразование для фототермической терапии (PTT). AuNPs с настраиваемым размером и морфологией — наностержни, нанокожуры, наноклетки — адаптированы для абляции рака, особенно золотые наностержни (AuNRs), чья анизотропия обеспечивает сильное NIR поглощение и фототермическую стабильность. NIR свет проникает в ткани глубже видимого, а более длинные длины волн испытывают уменьшенное рассеяние. Стержневидные частицы также демонстрируют улучшенную опухолевую проницаемость и удлиненную циркуляцию, усиляя накопление. Однако конвенциональная PTT часто требует высокомощных лазеров, рискуя сопутствующим повреждением. NIR-II окно предлагает более глубокое проникновение и меньшее рассеяние чем NIR-I, позволяя эффективную терапию при более низких интенсивностях лазера. Однако производство AuNRs, поглощающих в NIR-II с сохранением биосовместимости, затруднено. Здесь мы сообщаем безсемяной синтез AuNRs с пиками поглощения 1000–1300 нм, за которым следует BSA покрытие для снижения цитотоксичности. Мы оцениваем их фототермическую производительность in vitro и in vivo, демонстрируя абляцию опухоли в модели рака груди у мышей с интенсивностью лазера всего 0,75 Вт см⁻².

Материалы и методы

Материалы

Хлорид золота тригидрат (HAuCl₄·3H₂O, 99,9 %), гексадецилтриметиламмоний бромид (CTAB, 99 %), азотная кислота (GR 65–68 %), перекись водорода (30 %), борид натрия (NaBH₄, 97 %), нитрат серебра (AgNO₃, 99,8 %), соляная кислота (38 %), гидрохинон (99 %), бовиновый сывороточный альбумин (BSA, 98 %) получены от Shanghai Aladdin Biological Technology Co. Ltd. RPMI 1640, Пенициллин-Стрептомицин, PBS, фетальная бычья сыворотка (FBS), 4T1 клетки и Комплект подсчета клеток-8 (CCK-8) получены от HyClone, Corning, Gibco и Dojindo соответственно. Всюду использовали ультрачистую воду (Millipore).

Подготовка AuNR@CTAB

AuNRs синтезировали бессемяным протоколом. Кратко: 0,4 мл 10 мМ HAuCl₄ и 10 мл 0,1 М CTAB соединяли с 23–33 мкл 100 мМ AgNO₃. Последующее добавление 10–30 мкл 1,2 М HCl и 525 мкл 0,1 М гидрохинона давало светло-желтый раствор роста. После 15 мин перемешивания, 10–40 мкл свежеприготовленного 10 мМ ледяного NaBH₄ инъецировали, следовали 30 с перемешиванию и 18 ч выдержке при комнатной температуре. AuNR@CTAB очищали двумя промывками PBS.

Подготовка AuNR@BSA

Концентрация CTAB в AuNR@CTAB регулировали до 1 мМ и ультразвуком растворяли полностью. 3 мл AuNR@CTAB смешивали с 3 мл 10 мг мл⁻¹ BSA и ультразвуковали 30 мин. После центрифугирования (9500 × g, 40 мин) осадок перевзвешивали в 6 мл 5 мг мл⁻¹ BSA, pH корректировали до 11–12 2 М NaOH и перемешивали ≥18 ч. Финальные AuNR@BSA очищали двумя PBS промывками и хранили в PBS.

Характеризация

Передаточная электронная микроскопия (ТЭМ, Talos F200X) оценивала морфологию; динамическое рассеяние света (DLS, Zetasizer Nano ZS) измеряло размер и дзета-потенциал; UV-Vis спектроскопия (Shimadzu UV-2700) записывала поглощение. In vivo опухолевое распределение изучали ТЭМ вырезанных опухолевых срезов после инъекции. ФТИР и РДА анализы (Beijing Zhongke Baice Co.) подтверждали BSA покрытие и кристаллическое золото соответственно.

Фототермическая производительность

AuNR растворы (OD = 0,5–2 при 1064 нм) облучали 1064 нм лазером (0,35–1 Вт см⁻²) 30 мин, изменения температуры мониторили инфракрасным термальным изображением (FLUKE TI25). Фотостабильность оценивали повторными 10 мин вкл/выкл циклами облучения при 0,5 Вт см⁻².

In vitro цитотоксичность

4T1 клетки посеяли в 96-колодчатых пластинках (5 × 10³ клеток колодка⁻¹) и инкубировали 24 ч. AuNR@CTAB или AuNR@BSA (10 мкл) добавляли при варирующих концентрациях, затем 24 ч инкубации. CCK-8 (10 мкл) добавляли, инкубировали 40 мин, абсорбцию измеряли при 450 нм. Фототоксичность анализы включали 1064 нм облучение (0,75 Вт см⁻², 10 мин) перед CCK-8 тестом.

Животные исследования

Самки BALB/c мышей (6–8 недель) субкутанно инокулировали 2 × 10⁶ 4T1 клеток. Когда опухоли достигли ~100 мм³, эксперименты начинались. Все процедуры следовали институциональным этическим руководствам.

In vivo биораспределение и циркуляция

AuNR@BSA (200 мкл) инъецировали хвостовой вене. Кровные пробы забирали при 0,25, 2, 4, 6, 8, 12, 36 и 48 ч, дайджестили HNO₃ и H₂O₂, Au содержание квантовали ICP-OES. Органы (сердце, печень, селезенка, легкие, почки) собирали 24 ч пост-инъекции, дайджестили и измеряли Au концентрации аналогично.

Эффективность фототермического лечения

Мышей разделили на четыре группы: (1) AuNR@BSA, (2) AuNR@BSA + лазер, (3) только лазер, (4) контроль. AuNR@BSA (200 мкл) инъецировали внутриопухольно, через 10 мин 1064 нм облучение (0,75 Вт см⁻², 10 мин). Температура опухоли, объем и масса тела мониторили 14 дней. Опухоли эксгибировали в конце исследования.

Анализ данных

Статистические анализы выполняли SPSS 16.0. Данные выражают как mean ± SD; значимость устанавливали при p < 0,05.

Результаты и обсуждение

Синтез и характеристика AuNR@CTAB

Оптимизация концентраций NaBH₄, HCl и Ag⁺ позволила контроль над аспектным отношением и позицией SPR пика. Увеличение NaBH₄ сине-смещало пик с 1223 до 865 нм, в то время как более высокий HCl красно-смещал его с 871 до 1070 нм. Уменьшение Ag⁺ концентрации еще больше расширяло SPR пик. Финальные AuNRs демонстрировали вино-красный цвет и максимум поглощения при 1064 нм (Рис. 1). Эта длина волны совпадает с NIR-II окном и доступными лазерными источниками.

Синтез и характеристика AuNR@BSA

CTAB, хотя эффективен для роста наностержней, цитотоксичен выше 1–10 мкМ и может выпадать в осадок при низких температурах. Замена CTAB на BSA одновременно снижает токсичность и улучшает коллоидную стабильность. AuNR@BSA сохранили похожее аспектное отношение, но показали ~30 нм красно-смещенный SPR пик при 1064 нм (Рис. 2). Дзета-потенциал изменился с положительного (CTAB) на отрицательное (BSA), подтверждая поверхностный обмен. ФТИР спектры раскрыли характерные амидные полосы BSA (1649 и 1539 см⁻¹). DLS показал гидродинамические диаметры 8,6 нм и 89 нм для двух популяций, указывая на незначительное увеличение размера при BSA покрытии. ТЭМ подтвердил стержневидную морфологию с слегка скругленными концами (Рис. 2). Все размеры оставались ниже 100 нм, благоприятствуя опухолевой проницаемости.

In vitro фототермический эффект

AuNR@BSA (OD ≈ 1) достиг роста температуры от ~25 °C до 80 °C за 5 мин при 0,35 Вт см⁻², затем плато (Рис. 3A). Температура линейно масштабировалась с лазерной мощностью (Рис. 3B). Увеличение OD еще больше повышало пиковые температуры. Фототермическая стабильность подтверждена за три 10-мин цикла облучения при 0,5 Вт см⁻² (Рис. 3D). Термальные изображения показали пиковые температуры 85,5 °C для AuNRs против 44,5 °C для PBS (Рис. 3E). Эти результаты подчеркивают превосходное фототермическое преобразование и стабильность BSA-покрытых наностержней в NIR-II диапазоне.

In vitro цитотоксичность и фототермическая токсичность

AuNR@CTAB демонстрировали значительную цитотоксичность даже при низких концентрациях (OD ≈ 0,05), тогда как AuNR@BSA сохраняли >80 % живучести клеток до OD ≈ 1 (Рис. 4A). Фототермическое лечение (0,75 Вт см⁻², 10 мин) снизило живучесть 4T1 до ~20 % при OD ≈ 1, в то время как контрольные клетки оставались ~100 % живучими (Рис. 4B). Таким образом, BSA покрытие сохраняет биосовместимость, позволяя эффективное фототермическое уничтожение.

In vivo биораспределение и циркуляция

AuNR@BSA демонстрировали полужизнь ~1,5 ч в циркуляции (Рис. 5A). Через 24 ч преобладающее накопление наблюдалось в печени и селезенке, согласуясь с поглощением ретикулоэндотелиальной системой (Рис. 5B). Эти находки предполагают потенциал для печеночно-селезеночных таргетированных применений.

In vivo фототермическое лечение

Внутриопухольная инъекция AuNR@BSA с последующим 1064 нм облучением (0,75 Вт см⁻², 10 мин) подняла температуру опухоли до ~64 °C, в то время как контрольные группы оставались около температуры тела (Рис. 6D). За 14 дней группа AuNR@BSA + лазер показала полную абляцию опухоли без рекуррентного роста; опухоли в контрольных группах быстро прогрессировали (Рис. 6A, B). Постмортем анализ подтвердил отсутствие остаточной опухолевой ткани (Рис. 6C). ТЭМ обработанных опухолей раскрыл целые AuNRs, свидетельствуя о in vivo фотостабильности (Рис. 7).

Заключение

Мы синтезировали BSA-покрытые золотые наностержни с 1064 нм SPR пиком, сочетающие высокую фототермическую эффективность с улучшенной биосовместимостью. In vivo исследования продемонстрировали быструю абляцию опухоли в модели рака груди у мышей с низкодозовым NIR-II лазерным облучением. Наностержни демонстрируют благоприятное биораспределение с значительным накоплением в печени и селезенке и сохраняют фотостабильность в опухолевой микросреде. Эти атрибуты позиционируют AuNR@BSA как перспективную платформу для NIR-II фототермической терапии, потенциально в комбинации с иммунотерапией или химиотерапией для персонализированного, безопасного и эффективного лечения рака.

Доступность данных и материалов

Набор данных, лежащий в основе этого исследования, доступен у соответствующего автора по разумному запросу. Все данные, сгенерированные или проанализированные в этом исследовании, включены в эту опубликованную статью.