Nanobâtonnets d'or enrobés d'albumine sérique bovine permettent une thérapie photothermique NIR-II à faible dose

Résumé

La seconde fenêtre proche infrarouge (NIR-II, 1000–1300 nm) offre une pénétration tissulaire inégalée, la positionnant comme le régime optique idéal pour l'imagerie et la thérapie photothermique. Pourtant, concevoir des nanobâtonnets d'or absorbant dans cette bande tout en maintenant une faible cytotoxicité reste un défi. Nous avons conçu une série de nanobâtonnets d'or à haut rapport d'aspect exhibant une résonance de plasmon de surface robuste à travers la fenêtre NIR-II. L'enrobage de ces nanobâtonnets avec de l'albumine sérique bovine (BSA) a dramatiquement amélioré leur biocompatibilité sans compromettre la performance optique. Dans un modèle murin de cancer du sein, les nanobâtonnets enrobés de BSA ont atteint une ablation tumorale complète en utilisant une intensité laser NIR-II modeste de seulement 0,75 W cm⁻². Ces résultats confirment qu'une thérapie photothermique NIR-II à faible dose est réalisable avec des nanobâtonnets d'or à grand rapport d'aspect.

Introduction

Les nanoparticules d'or (AuNP) ont émergé comme agents polyvalents en recherche biomédicale grâce à leur biocompatibilité exceptionnelle et faible cytotoxicité. Leur forte atténuation aux rayons X les rend attractives pour l'imagerie par tomodensitométrie (TDM) des tumeurs [1, 2], tandis que leur résonance de plasmon de surface (RPS) prononcée permet une conversion photon-chaleur efficace pour la thérapie photothermique (TPT) [3, 4]. Les AuNP à taille et morphologie ajustables – nanobâtonnets, nanocoquilles, nanocages – ont été adaptées pour l'ablation du cancer, particulièrement les nanobâtonnets d'or (AuNR) dont l'anisotropie offre une forte absorption NIR et une stabilité photothermique [5–8]. La lumière NIR pénètre les tissus plus profondément que la lumière visible, et les longueurs d'onde plus longues subissent une diffusion réduite [9]. Les particules en forme de bâtonnet présentent aussi une perméabilité tumorale accrue et une circulation prolongée, boostant l'accumulation [10, 11]. Cependant, la TPT conventionnelle nécessite souvent des lasers de haute puissance, risquant des dommages collatéraux [12]. La fenêtre NIR-II offre une pénétration plus profonde et une diffusion plus faible que NIR-I, permettant une thérapie efficace à des intensités laser plus faibles [13–17]. Pourtant, produire des AuNR absorbant dans NIR-II tout en restant biocompatibles est difficile. Ici, nous rapportons une synthèse sans germe d'AuNR avec des pics d'absorption à 1000–1300 nm, suivie d'un enrobage BSA pour réduire la cytotoxicité. Nous évaluons leur performance photothermique in vitro et in vivo, démontrant l'ablation tumorale dans un modèle murin de cancer du sein avec une intensité laser aussi basse que 0,75 W cm⁻².

Matériaux et Méthodes

Matériaux

Chlorure d'or trihydraté (HAuCl₄·3H₂O, 99,9 %), bromure d'hexadécyltriméthylammonium (CTAB, 99 %), acide nitrique (GR 65–68 %), peroxyde d'hydrogène (30 %), borohydrure de sodium (NaBH₄, 97 %), nitrate d'argent (AgNO₃, 99,8 %), acide chlorhydrique (38 %), hydroquinone (99 %), albumine sérique bovine (BSA, 98 %) provenaient de Shanghai Aladdin Biological Technology Co. Ltd. RPMI 1640, Pénicilline-Streptomycine, PBS, sérum fœtal bovin (SFB), cellules 4T1 et Kit de comptage cellulaire-8 (CCK-8) étaient obtenus de HyClone, Corning, Gibco et Dojindo, respectivement. L'eau ultrapure (Millipore) était utilisée tout au long.

Préparation des AuNR@CTAB

Les AuNR étaient synthétisés via un protocole sans germe. Brièvement, 0,4 mL de HAuCl₄ 10 mM et 10 mL de CTAB 0,1 M étaient combinés avec 23–33 µL d'AgNO₃ 100 mM. L'ajout subséquent de 10–30 µL HCl 1,2 M et 525 µL d'hydroquinone 0,1 M donnait une solution de croissance jaune clair. Après 15 min d'agitation, 10–40 µL de NaBH₄ 10 mM fraîchement préparé et glacée était injecté, suivi de 30 s d'agitation et 18 h de vieillissement à température ambiante. Les AuNR@CTAB étaient purifiés par deux lavages PBS.

Préparation des AuNR@BSA

La concentration de CTAB dans les AuNR@CTAB était ajustée à 1 mM et soniquée pour dissoudre complètement. 3 mL d'AuNR@CTAB étaient mélangés avec 3 mL de BSA 10 mg mL⁻¹ et soniqués pendant 30 min. Après centrifugation (9500 × g, 40 min), le culot était resuspendu dans 6 mL de BSA 5 mg mL⁻¹, pH ajusté à 11–12 avec NaOH 2 M, et agité pendant ≥18 h. Les AuNR@BSA finaux étaient purifiés par deux lavages PBS et stockés dans PBS.

Caractérisation

La microscopie électronique en transmission (MET, Talos F200X) évaluait la morphologie ; la diffusion dynamique de la lumière (DDL, Zetasizer Nano ZS) mesurait la taille et le potentiel zêta ; la spectroscopie UV-Vis (Shimadzu UV-2700) enregistrait l'absorption. La distribution tumorale in vivo était examinée par MET de sections tumorales excisées post-injection. Les analyses FT-IR et DRX (Beijing Zhongke Baice Co.) confirmaient l'enrobage BSA et l'or cristallin, respectivement.

Performance Photothermique

Les solutions d'AuNR (DO = 0,5–2 à 1064 nm) étaient irradiées avec un laser 1064 nm (0,35–1 W cm⁻²) pendant 30 min, et les changements de température étaient surveillés par imagerie thermique infrarouge (FLUKE TI25). La photostabilité était évaluée par cycles répétés de 10 min marche/arrêt d'irradiation à 0,5 W cm⁻².

Cytotoxicité In Vitro

Les cellules 4T1 étaient ensemencées dans des plaques à 96 puits (5 × 10³ cellules puits⁻¹) et incubées 24 h. AuNR@CTAB ou AuNR@BSA (10 µL) étaient ajoutés à concentrations variables, suivis de 24 h d'incubation. CCK-8 (10 µL) était ajouté, incubé 40 min, et l'absorbance mesurée à 450 nm. Les essais de phototoxicité impliquaient une irradiation 1064 nm (0,75 W cm⁻², 10 min) avant le test CCK-8.

Études Animales

Souris BALB/c femelles (6–8 semaines) étaient inoculées sous-cutanément avec 2 × 10⁶ cellules 4T1. Quand les tumeurs atteignaient ~100 mm³, les expériences commençaient. Toutes les procédures suivaient les directives éthiques institutionnelles.

Biodistribution et Circulation In Vivo

AuNR@BSA (200 µL) était injecté via la veine caudale. Des échantillons de sang étaient prélevés à 0,25, 2, 4, 6, 8, 12, 36 et 48 h, digérés avec HNO₃ et H₂O₂, et le contenu en Au quantifié par ICP-OES. Les organes (cœur, foie, rate, poumon, rein) étaient récoltés 24 h post-injection, digérés, et les concentrations d'Au mesurées de manière similaire.

Efficacité du Traitement Photothermique

Les souris étaient divisées en quatre groupes : (1) AuNR@BSA, (2) AuNR@BSA + laser, (3) laser seul, (4) contrôle. AuNR@BSA (200 µL) était injecté intratumoralement, suivi 10 min plus tard par irradiation 1064 nm (0,75 W cm⁻², 10 min). La température tumorale, le volume et le poids corporel étaient surveillés pendant 14 jours. Les tumeurs étaient excisées à la fin de l'étude.

Analyse des Données

Les analyses statistiques étaient effectuées avec SPSS 16.0. Les données sont exprimées en moyenne ± ET ; la significativité était fixée à p < 0,05.

Résultats et Discussion

Synthèse et Caractérisation des AuNR@CTAB

L'optimisation des concentrations de NaBH₄, HCl et Ag⁺ a permis le contrôle du rapport d'aspect et de la position du pic RPS. L'augmentation de NaBH₄ décalait le pic vers le bleu de 1223 à 865 nm, tandis qu'un HCl plus élevé le décalait vers le rouge de 871 à 1070 nm. La réduction de la concentration d'Ag⁺ étendait le pic RPS davantage. Les AuNR finales exhibaient une couleur vin rouge et un maximum d'absorption à 1064 nm (Fig. 1). Cette longueur d'onde s'aligne avec la fenêtre NIR-II et correspond aux sources laser disponibles.

Figure 1. Photopropriétés des AuNR@CTAB sous conditions de synthèse variables : (a) schéma de préparation ; (b) image MET ; (c) spectres UV-Vis versus NaBH₄ ; (d) versus HCl ; (e) versus AgNO₃.

Synthèse et Caractérisation des AuNR@BSA

Le CTAB, bien qu'efficace pour la croissance des nanobâtonnets, est cytotoxique au-dessus de 1–10 µM et peut précipiter à basses températures. Remplacer le CTAB par la BSA atténue la toxicité et améliore la stabilité colloïdale. Les AuNR@BSA conservaient un rapport d'aspect similaire mais affichaient un pic RPS décalé vers le rouge de ~30 nm à 1064 nm (Fig. 2). Le potentiel zêta passait de positif (CTAB) à négatif (BSA), confirmant l'échange de surface. Les spectres FT-IR révélaient les bandes amides caractéristiques de la BSA (1649 et 1539 cm⁻¹). La DDL montrait des diamètres hydrodynamiques de 8,6 nm et 89 nm pour les deux populations, indiquant une légère augmentation de taille lors de l'enrobage BSA. La MET confirmait une morphologie en bâtonnet avec des extrémités légèrement arrondies (Fig. 2). Toutes les dimensions restaient sous 100 nm, favorisant la pénétration tumorale.

Figure 2. Caractérisation des AuNR@BSA et AuNR@CTAB : (a) synthèse ; (b) spectres UV-Vis ; (c) distribution taille DDL ; (d) images MET.

Effet Photothermique In Vitro

Les AuNR@BSA (DO ≈ 1) atteignaient une élévation de température de ~25 °C à 80 °C en 5 min sous 0,35 W cm⁻², plateauant par la suite (Fig. 3A). La température évoluait linéairement avec la puissance laser (Fig. 3B). L'augmentation du DO boostait davantage les températures de pointe. La stabilité photothermique était confirmée sur trois cycles d'irradiation de 10 min à 0,5 W cm⁻² (Fig. 3D). Les images thermiques affichaient des températures de pointe de 85,5 °C pour les AuNR versus 44,5 °C pour le PBS (Fig. 3E). Ces résultats soulignent la conversion photothermique supérieure et la stabilité des nanobâtonnets enrobés de BSA dans la gamme NIR-II.

Figure 3. Performance photothermique in vitro : (a) température vs temps ; (b) température vs puissance laser ; (c) température vs absorbance ; (d) stabilité trois cycles ; (e) images thermiques.

Cytotoxicité et Toxicité Photothermique In Vitro

Les AuNR@CTAB affichaient une cytotoxicité significative même à faibles concentrations (DO ≈ 0,05), tandis que les AuNR@BSA maintenaient >80 % de viabilité cellulaire jusqu'à DO ≈ 1 (Fig. 4A). Le traitement photothermique (0,75 W cm⁻², 10 min) réduisait la viabilité des cellules 4T1 à ~20 % à DO ≈ 1, tandis que les cellules témoins restaient ~100 % viables (Fig. 4B). Ainsi, l'enrobage BSA préserve la biocompatibilité tout en permettant une ablation photothermique efficace.

Figure 4. Cytotoxicité et toxicité photothermique : (a) viabilité cellulaire vs concentration ; (b) viabilité avec/sans laser.

Biodistribution et Circulation In Vivo

Les AuNR@BSA exhibaient une demi-vie de ~1,5 h en circulation (Fig. 5A). Après 24 h, une accumulation prédominante était observée dans le foie et la rate, cohérente avec l'absorption par le système réticulo-endothélial (Fig. 5B). Ces résultats suggèrent un potentiel pour des applications ciblant foie-rate.

Figure 5. Biodistribution : (a) concentration Au dans le sang au cours du temps ; (b) distribution organique à 24 h.

Traitement Photothermique In Vivo

L'injection intratumorale d'AuNR@BSA suivie d'irradiation 1064 nm (0,75 W cm⁻², 10 min) élevait la température tumorale à ~64 °C, tandis que les groupes témoins restaient près de la température corporelle (Fig. 6D). Sur 14 jours, le groupe AuNR@BSA + laser montrait une ablation tumorale complète sans repousse ; les tumeurs des groupes témoins progressaient rapidement (Fig. 6A, B). L'analyse post-mortem confirmait l'absence de tissu tumoral résiduel (Fig. 6C). La MET de tumeurs traitées révélait des AuNR intacts, attestant de la photostabilité in vivo (Fig. 7).

Figure 6. Résultats du traitement in vivo : (a) volume tumoral ; (b) poids corporel ; (c) photographies tumeurs ; (d) thermographie infrarouge ; (e) images post-traitement.

Figure 7. MET des AuNR@BSA dans tissu tumoral : (a) traité ; (b) non traité.

Conclusion

Nous avons synthétisé des nanobâtonnets d'or enrobés de BSA avec un pic RPS à 1064 nm, combinant haute efficacité photothermique et biocompatibilité améliorée. Les études in vivo ont démontré une ablation tumorale rapide dans un modèle murin de cancer du sein en utilisant une irradiation laser NIR-II à faible dose. Les nanobâtonnets présentent une biodistribution favorable, avec une absorption significative par le foie et la rate, et maintiennent la photostabilité dans le microenvironnement tumoral. Ces attributs positionnent les AuNR@BSA comme une plateforme prometteuse pour la thérapie photothermique NIR-II, potentiellement en combinaison avec l'immunothérapie ou la chimiothérapie pour un traitement du cancer personnalisé, sûr et efficace.

Disponibilité des données et matériaux

Le jeu de données sous-jacent à cette étude est disponible auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable. Toutes les données générées ou analysées pendant cette étude sont incluses dans cet article publié.