PEG-покрытые золотые нанозвезды: безопасный высококонтрастный агент для КТ с быстрой почечной очисткой

Аннотация

Золотые нанозонды становятся трансформационными инструментами для диагностики заболеваний в компьютерной томографии (КТ). По сравнению с низкомолекулярными йодсодержащими агентами, наночастицы обеспечивают превосходное ин-виво обнаружение благодаря большей площади поверхности и настраиваемым физико-химическим свойствам. Описан синтез полиэтиленгликоль (PEG)-функционализированных золотых нанозвезд (AuNS@PEG), демонстрирующих высокий коэффициент массового поглощения рентгена, ультрамалый размер, эффективную метаболическую очистку и отличную биосовместимость. Ин-виво КТ-сканирование подтверждает, что AuNS@PEG дают надежное усиление контраста, позиционируя их как перспективное контрастное средство следующего поколения.

Введение

За последнее десятилетие наблюдается быстрый прогресс наночастиц в биомедицине, движимый разнообразием материалов и высоким отношением поверхность/объем. Золотые наночастицы (Au NP) особенно ценны за инертную химию, биосовместимость и высокий атомный номер, делая их идеальными для рентгеновского затухания. Конвенциональные йодированные контрастные среды — малые органические молекулы вроде диатризоевой кислоты (DTA) и иогексола (Омнипак) — дают короткие окна визуализации и несут риск нефротоксичности, особенно у пациентов с нарушенной функцией почек. Наночастица-базированные агенты могут продлить время визуализации, снизить нефротоксичность и улучшить контрастную эффективность, как показано для Au и Ag наноматериалов в недавних исследованиях.

Наноструктурирование золота в форму звезды увеличивает эффективную площадь поверхности, усиливая рентгеновское затухание на единицу массы. Функционализация PEG еще больше улучшает водную диспергируемость, снижает адсорбцию белков и облегчает почечную очистку, решая ключевые проблемы наночастичной токсичности и биодистрибуции.

Методы

Все экспериментальные протоколы одобрены Региональным Этический Комитетом, Цзиньчжоуский медицинский университет, провинция Ляонин, Китай.

Материалы и приборы

Реактивы из Sigma-Aldrich (St. Louis, MO), используемые как получены, если не указано иное. AuNS@PEG характеризовали ТЭМ, ЭДС, XPS, УФ-виз спектроскопией, ДЛС (динамическое рассеяние света) и MTT-тестом живучести.

Синтез Au нанозвезд/PEG (AuNS@PEG)

Семенной метод: 10-нм Au-семена восстановлением HAuCl₄ в воде, затем инъекция олеиламина и последующая очистка. Au нанозвезды (~50 нм) выращивали смешением AgNO₃ и аскорбиновой кислоты с раствором Au-семян, затем пассивировали тиолированным PEG (6 кДа) в избытке. Финальные AuNS@PEG очищали повторной центрифугацией/редисперсией и хранили в воде.

Клеточная культура и воздействие

Первичные нейроглии спинного мозга крыс культивировали в DMEM с 10% ФБС, 100 Ед/мл пенициллина, 100 мкг/мл стрептомицина. Клетки инкубировали с AuNS@PEG (50–1000 ppm) 2 ч; контроль — только среда.

Животные и лечение

Самцы крыс Sprague-Dawley (180–200 г) содержали в стандартных условиях. Две группы: контроль (внутривенно ФСБ) и тест (200 мкг/мл AuNS@PEG). После инъекции крысы наблюдали и усыпляли в заданные временные точки для сбора тканей.

Тест живучести клеток (MTT)

Нейроглии посеяли 1 × 10⁴ клеток/мл в 96-лунковых пластинках, обрабатывали AuNS@PEG (0–1000 ppm). Через 24 ч MTT-тест оценивал метаболическую активность; абсорбция на 490 нм.

Флоу цитометрия

Апоптоз оценивали аннексин V-APC/7-AAD окраской после 2-часового воздействия AuNS@PEG, анализ на BD FACSCanto II.

КТ-визуализация

Ин-виво КТ на 128-рядном GE сканере (120 кВ, 100 мА, толщина среза 0,625 мм). Изображения до инъекции и через 0,5; 1; 2; 6; 24 ч после.

Гистологический анализ

Сердце, печень, почки, селезенка, легкие, кишечник фиксировали, делали срезы, окрашивали ГЭ для морфологической оценки.

Оценка почечной функции

Сывороточный мочевина, креатинин, β₂-МГ, CO₂ измеряли до и через 24 ч после инъекции для оценки нефротоксичности.

Статистический анализ

Данные как mean ± SD. Однофакторный ANOVA с пост-хок Тьюки (p < 0,05) для оценки значимости.

Результаты и обсуждение

Синтез и характеристика AuNS@PEG наночастиц

ТЭМ (рис. 1а) подтверждает равномерную звездообразную морфологию со средним диаметром ~50 нм. ЭДС (рис. 1в) и XPS (рис. 1б) верифицируют наличие Au и PEG на поверхности, подтверждая успешную функционализацию.

КТ-значение AuNS@PEG наночастиц

AuNS@PEG показывают более высокое КТ-затухание, чем йод, при эквивалентных концентрациях (рис. 2а). Линейная зависимость КТ-значения (HU) от концентрации Au (рис. 2б) демонстрирует предсказуемый контраст.

Цитотоксичность

MTT-тест: >90% живучести при 1000 ppm, никакой значимой цитотоксичности до 200 ppm (рис. 3а). Флоу цитометрия подтверждает пренебрежимо малый апоптоз при всех концентрациях (рис. 3б).

Ин-виво КТ-визуализация и биодистрибуция

Внутривенная инъекция (200 ppm) дает четкое почечное усиление, пиковые HU почки растут с 95 до 464 HU за 2 ч (рис. 4). Последующие КТ-сканы показывают прогрессивную очистку, с полной визуализацией мочевого пузыря через 24 ч, подтверждая эффективную почечную экскрецию.

ГЭ-окраска

Гистология сердца, печени, селезенки, легких, почек, кишечника через 24 ч не выявила патологии или остаточных наночастиц (рис. 5).

Изучение почечной функции AuNS@PEG

Сывороточные маркеры (мочевина, креатинин, β₂-МГ, CO₂) через 24 ч после инъекции не показывают значимых изменений относительно базовых, указывая на отсутствие почечного нарушения (Таблица 1).

Заключение

PEG-покрытые золотые нанозвезды диаметром ~50 нм демонстрируют высокое рентгеновское затухание, отличную биосовместимость и быструю почечную очистку. Их благоприятный профиль безопасности и превосходная контрастная эффективность делают их сильными кандидатами для клинической КТ-визуализации, предлагая более безопасную альтернативу йодированным агентам.