Биомедицинские применения золотых нанокластеров: недавние достижения и будущие направления

Аннотация

Золотые нанокластеры (AuNC) стали универсальным классом флуоресцентных проб благодаря своему атомарному масштабу, настраиваемой эмиссии и замечательной химической стабильности. Их врожденная водорастворимость, низкая цитотоксичность и исключительная фотстабильность делают AuNC идеальными для длительного клеточного изображения, ультразвуствительного детектирования и таргетированной терапии. Этот обзор охватывает недавние достижения в синтезе AuNC с лигандами низкомолекулярных соединений, полимерами и биомакромолекулами, подсвечивая прорывы в визуализации, сенсорике и терапии. Мы также обсуждаем текущие ограничения — такие как субоптимальные квантовые выходы и гетерогенность лигандов — и обозначиваем будущие исследовательские направления, обещающие раскрыть полный биомедицинский потенциал AuNC.

Введение

Наноматериалы перестраивают биомедицинские исследования, предлагая беспрецедентный контроль над размером, формой и поверхностной химией. В отличие от объёмных аналогов, AuNC — состоящие из нескольких до нескольких сотен атомов золота — демонстрируют уникальные оптические сигнатуры, включая яркую флуоресценцию во видимом и ближнем ИК (NIR) диапазонах, длинные времена жизни и большие стоксовы сдвиги. Эти свойства в сочетции с лёгкой поверхностной функционализацией позиционируют AuNC как превосходные альтернативы органическим красителям и квантовым точкам для клеточной визуализации, молекулярного сенсирования и фотодинамической терапии. Последние годы принесли взрывной рост работ по AuNC, сопряжённым с разными лигандами, обеспечивающими адаптированные физико-химические свойства и улучшенную биосовместимость. Хотя несколько обзоров освещали аналитические применения AuNC, данная работа фокусируется на их биомедицинской утилите и стратегическом дизайне лигандных архитектур, определяющих эффективность в визуализации, детектировании и терапии.

Мы рассматриваем три класса лигандов — низкомолекулярные соединения, полимеры и биомакромолекулы — чьи уникальные химии наделяют AuNC специфическими таргетирующими возможностями, улучшенными квантовыми выходами и мультифункциональностью. Вызовы и будущие возможности, вытекающие из этих исследований, обобщены в заключительном разделе.

AuNC с лигандами низкомолекулярных соединений

Низкомолекулярные лиганды — наиболее частый выбор для синтеза AuNC, так как они обеспечивают точный контроль над размером и поверхностной химией. Например, D-пеницилламин-капсулированные AuNC (DPA-AuNC) исключительно ярки, водорастворимы и легко внутренняются клетками HeLa, позволяя двухфотонную конфокальную визуализацию уже через 2 часа инкубации. Полученные 3D-реконструкции демонстрируют равномерное внутриклеточное распределение и высокую фотстабильность (Рисунок 1).

a — конфокальный снимок клеток HeLa после 2-часовой инкубации с DPA-AuNC (зеленый). b — 3D-реконструкция, показывающая равномерную интернализацию.

Дигидролипоевой кислотой (DHLA) капсулированные AuNC (DHLA-AuNC) стали первыми нанопробами, позволившими флуоресцентное изображение по времени жизни (FLIM) в живых клетках. В то время как необработанные клетки HeLa показывают короткие времена жизни (1,5–4 нс), DHLA-AuNC придают длинные времена жизни (500–800 нс), облегчая FLIM-картирование подклеточных структур (Рисунок 2).

Интенсивностные (a, c) и FLIM (b, d) снимки клеток HeLa до (a, b) и после (c, d) инкубации с DHLA-AuNC. Шкалы = 10 мкм.

Также продемонстрирован клеточно-зависимый биосинтез AuNC: клетки HepG2 и K562 спонтанно конвертируют хлорауриновую кислоту в AuNC, тогда как нераковые клетки L02 — нет, что намекает на потенциальную таргетированную стратегию визуализации опухолей. Трипсином стабилизированные AuNC (try-AuNC) обладают NIR-эмиссией и могут одновременно выступать как датчик гепарина на основе поверхностно-плазмонно-усиленного энергопереноса (SPEET) и фолиевокислотно-таргетированным зондом для визуализации раковых клеток in vivo (Рисунок 3).

try-AuNC: дуальный NIR-биосенсор и in vivo биопроба для визуализации рака.

Химия лигандов расширяет сенсорные возможности. AuNC с допахиноном комплексуют ионы Fe³⁺, образуя >500 нм агрегаты и ярко кенчинг флуоресценции, что позволяет детектировать Fe³⁺ в водных средах. 11-меркапт운데кановой кислотой (MUA) функционализированные AuNC (MUA-AuNC) формируют стабильные комплексы с Hg²⁺ и битиолами, обеспечивая селективное флуоресцентное сенсирование ртути и родственных тиолов. Ванкомицин-стабилизированные AuNC (Van-AuNC) применяли для мониторинга Fe³⁺ в различных водных пробах, демонстрируя экологическую релевантность. Хитозан-функционализированные AuNC (AuNCs@Chi) служили FRET-датчиком сероводорода, используя роль H₂S в вазодилатации и нейротрансмиссии.

Глутатион-капсулированные AuNC (GSH-AuNC) разработаны для быстрого, селективного детектирования лизина и цистеина с высокой фотстабильностью. FRET-ассембли на базе GSH-AuNC достигают ультразвуствительного сенсирования цистеина, потенциально помогая диагностике цистеин-ассоциированных расстройств. Кератином-темплатированные AuNC, использующие цистеин-богатые белки, детектируют Hg²⁺ через дуально-эмиссионные углерод-точечные/золотые кластерные пробы с ратиометрическим откликом. Циклодекстрин-капсулированные AuNC селективно чувствуют ионы Co²⁺, с подтверждённой клеточной интернализацией in vitro.

Недавно ультрамалые GSH-AuNC разработаны как метаболизируемые радиосенсибилизаторы. Их малый размер (~2 нм) и высокое рентгеноослабление позволяют усиливать лучевую терапию через фотоэлектрические и Комптоновские взаимодействия, в то время как GSH-оболочки обеспечивают накопление в опухоли через EPR-эффект и почечную клиренс после лечения, минимизируя офф-таргетную токсичность.

Полимер-сопряжённые AuNC

Полимерные лиганды придают AuNC дополнительную функциональность: улучшенную коллоидную стабильность, настраиваемый заряд и биосовместимость. Мультидентатные тиоэтер-терминированные поли(метакриловой кислоты) (PTMP-PMAA)-капсулированные AuNC демонстрируют исключительную фотстабильность и селективно маркируют мононуклеарные клетки пуповинной крови (CBMC) против лейкемических клеток K562, отражая дифференциальную интернализацию (Рисунок 5). Такая селективная интернализация подчеркивает потенциал полимер-покрытых AuNC для таргетированной гематопоэтической визуализации и доставки лекарств.

Маркировка нормальных (CBMC) и раковых (K562) клеток PTMP-PMAA-AuNC против квантовых точек.

Aldek с соавторами представили PEG- извиттерион-функционализированные AuNC через бидентные лиганды липоевой кислоты, продемонстрировав робастную pH-стабильность и солеустойчивость — ключевые атрибуты для биологической визуализации и сенсирования. Чен с соавторами спроектировали pH-респонсивный амфифильный кополимер (PDNH), инкапсулирующий AuNC, давая нанокомпозит (L-AuNCs/FA-PDNH), объединяющий визуализацию фолат-переэкспрессирующих раков с доставкой паклитакселя (Рисунок 6).

Фабрикация нанокомпозита L-AuNCs/FA-PDNH для дуальной визуализации и паклитаксель-терапии.

Полиэтиленимином (PEI) стабилизированные AuNC (PEI-AuNC) дают катионный заряд поверхности, облегчая генную доставку и сильную красную флуоресценцию в клетках HepG2, тем самым предлагая дуальную платформу визуализации/терапии. FA-Ova-AuNC, собранные через N-акрилоксисукцинимидный линкер, селективно окрашивают фолат-рецептор-позитивные клетки HeLa, подтверждая рецептор-опосредованную интернализацию.

Схема синтеза FA-Ova-AuNC и визуализация клеток HeLa.

Высокофосфоресцирующий Au(I) кластер, встроенный в макропористую полимерную пленку, обеспечивает колориметрический цианид-сенсор, способный детектировать CN⁻ в пищевых и экологических пробах с высокой селективностью и стоимостной эффективностью — критично для общественного здоровья.

Биомакромолекулярно-сопряжённые AuNC

Биомакромолекулярные лиганды, богатые тиольными группами, предлагают биосовместимость и специфическое распознавание. Трансферрин (Tf)-функционализированные AuNC в комплексе с оксидом графена (Tf-AuNCs/GO) составляют «turn-on» NIR-зонд, селективно освещающий Tf-рецептор-переэкспрессирующие клетки HeLa, не задевая нормальные фибробласты 3T3 (Рисунок 8). Эта селективная интернализация демонстрирует потенциал пробы для таргетированной визуализации железо-метаболизм-драйвериных раков.

Tf-AuNCs/GO проба для визуализации TfR-позитивных клеток HeLa после 4-часовой инкубации.

ДНК-темплатированные AuNC предлагают быстрый (2 мин) зелёный синтез, дающий люминесцентные нанокластеры, интенсивность которых линейно масштабируется с концентрацией ДНК, позволяя real-time квантификацию ДНК в клетках HeLa и A549. Низкая токсичность пробы и настраиваемая эмиссия по всем четырём ДНК-базам предоставляют универсальную платформу для нуклеинового анализа.

Нгуен с соавторами построили дуально-лигандный AuNC/графен нанокомплекс, действующий как «turn-on» проба для матрикс-металлопротеиназы-9 (MMP-9). Пептид с сайтом кливки MMP-9 служит одновременно стабилизатором и таргетирующим лигандом, достигая предел детекции 0,15 нМ и селективную визуализацию секретируемого MMP-9 из клеток MCF-7.

Сонг с соавторами разработали бесмаркерный зелёный флуоресцентный ассей для протеинкиназ, эксплуатируя Zr-индуцированную агрегацию фосфорилированных AuNC-пептидных комплексов, предлагая высокую чувствительность и упрощённый протокол для измерения активности CK2.

Селвапракаш с соавторами использовали недорогие белки яичного белка (AuNCs@ew) для производства флуоресцентных проб к АТФ и PPi через микроволновую одношаговую синтез. Полученные AuNCs@овальбумин доминируют в оптическом отклике, позволяя быстрое, стоимостно-эффективное фосфат-сенсирование в биологических и экологических матрицах.

У с соавторами синтезировали BSA/GSH-AuNC с экск. 330 нм и эмисс. 650 нм, демонстрируя эффективное кенчинг NO₂⁻ при pH 3,0 при сохранении высокой солеустойчивости — идеально для анализа сложных проб. Параллельные исследования показали, что BSA-покрытые AuNC обратимо меняют конформацию при смене pH, давая понимание лиганд-нанокластер взаимодействий.

Гхош с соавторами изучили влияние AuNC на активность α-химотрипсина, обнаружив, что связывание AuNC инактивирует фермент, но GSH или окислённый GSH могут частично восстановить активность — наблюдение, которое может информировать таргетированную модуляцию ферментов в раковых клетках с повышенными уровнями глутатиона.

Наконец, флуоресцентно-навигационная хирургия продвинулась с AuNC, сопряжёнными с диатризоевой кислотой и аptaмером AS1411, позволяя дуальную CT/NIR визуализацию и внутриоперационную демаркацию опухоли в модели мыши CL1-5. Высокая фотстабильность и опухоль-специфический таргетинг этих проб предоставляют перспективную платформу для real-time хирургической навигации.

Заключение

Подводя итог, обзор подчеркивает универсальность AuNC как флуоресцентных проб в визуализации, сенсировании и терапевтических доменах. Ключевые вызовы остаются: (1) достижение квантовых выходов выше 20 % для мультиплексной визуализации; (2) обеспечение размерной однородности для сужения эмиссионных полос; (3) точный контроль химии лигандной оболочки для адаптации поверхностной реактивности и биодистрибуции. Преодоление этих барьеров через рациональный дизайн лигандов, высокопроизводительный синтез и глубокие механистические исследования ускорит перевод AuNC в клиническую диагностику и персонализированную медицину.

С продолжением интердисциплинарных усилий AuNC готовы стать краеугольным камнем-next-generation биомедицинской визуализации и таргетированной терапии.

Аббревиатуры

AuNC

Золотые нанокластеры

BSA

Бов сироваточный альбумин

CBMC

Мононуклеарные клетки пуповинной крови

CD

Циркулярный дихроизм

Chi

Хитозан

ChT

Химотрипсин

DHLA

Дигидролипоевая кислота

DPA

D-пеницилламин

DTT

Дитиotreitol

FA

Фолиевая кислота

FLIM

Флуоресцентное изображение по времени жизни

FRET

Фёрстеров резонансный энергоперенос

GSH

Глутатион

GST

Глутатион-S-трансфераза

MUA

11-Меркапт운데кановая кислота

Ova

Овальбумин

PCR

Полимеразная цепная реакция

PDNH

Поли(DBAM-ко-NAS-ко-HEMA)

PEI

Полиэтиленимин

PPi

Пирофосфат

PTMP-PMAA

Мультидентатный тиоэтер-терминированный поли(метакриловая кислота)

SPEET

Поверхностно-плазмонно-усиленный энергоперенос

Tf

Трансферрин

Try

Трипсин

VAN

Ванкомицин