Nanotiges en or revêtues de BSA pour la thérapie photothermique NIR-II

Introduction

Les nanoparticules d'or ont suscité un grand intérêt dans les recherches biomédicales en raison de leur excellente biocompatibilité et de leur faible cytotoxicité. Par exemple, les nanoparticules d'or avec une efficacité élevée d'atténuation des rayons X se sont avérées prometteuses pour le diagnostic tumoral basé sur la tomodensitométrie (TDM) [1, 2]. De plus, les nanoparticules d'or présentent d'excellentes propriétés optiques connues sous le nom d'effet de résonance plasmonique de surface (SPR). Les nanoparticules d'or pourraient convertir efficacement l'énergie photonique en énergie thermique pour le traitement du cancer en présence de lumière de résonance plasmonique de surface [3, 4]. Par conséquent, diverses nanoparticules d'or de taille et de morphologie réglables ont été développées pour l'ablation photothermique des tumeurs, par exemple les nanotiges d'or, les nanocoquilles d'or et les nanocages d'or [5,6,7]. En particulier, les nanotiges d'or (AuNR) de forme et de taille anisotropes réglables ont été largement étudiées en raison de leur excellente stabilité photothermique, leur biocompatibilité et leur forte absorption dans la région NIR [8]. Il est bien connu que la lumière proche infrarouge pourrait pénétrer dans les tissus biologiques plus efficacement que la lumière visible, car plus la longueur d'onde de la lumière est longue, plus la perte de diffusion de la lumière est faible [9]. De plus, les nanoparticules en forme de tige ont été trouvées avec une perméabilité tumorale considérablement améliorée et un temps de circulation sanguine plus long, entraînant une accumulation de tumeurs plus élevée [10, 11]. Cependant, l'inconvénient majeur de l'application de nanotiges d'or à la thérapie photothermique (PTT) est l'irradiation laser à haute puissance, qui induirait des dommages importants aux tissus normaux (exposition à l'intensité lumineuse maximale autorisée) [12]. Il a été prouvé que le PTT dans la deuxième fenêtre proche infrarouge (NIR-II, 1000-1700 nm) a une profondeur de pénétration tissulaire beaucoup plus grande que celle du NIR-I (700-1000 nm), car la diffusion de la lumière beaucoup plus faible dans le NIR -II [13,14,15,16,17]. Par conséquent, la nano-plate-forme PTT dans le NIR-II devrait permettre un traitement PTT plus efficace de la tumeur et avoir un grand potentiel d'application clinique pour une thérapie tumorale plus complexe. Cependant, la préparation des nanotiges d'or avec une absorption à grande longueur d'onde et une faible cytotoxicité est toujours un grand défi. Ici, nous rapportons la synthèse de nanotiges d'or par la méthode sans pépins avec des pics d'absorption dans la deuxième fenêtre de la fenêtre proche infrarouge (1000-1300 nm). La modification de surface a été introduite via un revêtement avec du BSA pour réduire la cytotoxicité. Le rapport d'aspect des nanotiges d'or préparées (AuNR@BSA) a été caractérisé par microscope électronique à transmission (MET) et diffusion dynamique de la lumière (DLS). Le modèle de souris porteuses de tumeurs du cancer du sein a été utilisé pour tester l'effet thérapeutique photothermique de AuNR@BSA. Nous avons constaté que la tumeur pouvait être bien traitée avec une intensité lumineuse aussi faible que 0,75 w/cm ² .

Matériaux et méthodes

Matériaux

Chlorure d'or trihydraté (HAuCl₄ ·3H₂ O) (99,9 %), le bromure d'hexadécyl triméthyl ammonium (CTAB) (99 %), l'acide nitrique (GR, 65 à 68 %) et la solution de peroxyde d'hydrogène (GR, 30 %) ont été reçus de Shanghai Aladdin biologique technology Co. Ltd. Borohydrure de sodium (NaBH₄ ) (97%) et le nitrate d'argent (AgNO₃ ) (99,8 %) ont été reçus de Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co. Ltd. De l'acide chlorhydrique (HCl) (38 %) a été reçu de Dongguan Dongjiang Chemical Reagent Co. Ltd. L'hydroquinone (99 %) a été reçue d'Energy Chemical. L'albumine de sérum bovin (98 %) a été obtenue auprès de Sigma-Aldrich. L'hydroxyde de sodium (AR, 96%) a été reçu de Greagent.

Le milieu RPMI 1640 et la pénicilline-streptomycine ont été achetés auprès de HyClone. La solution tamponnée au phosphate (PBS) a été achetée auprès de Corning. La pancréatine a été achetée chez Coolaber. Le sérum bovin fœtal (FBS) a été acheté auprès de Gibco. Les cellules 4T1 ont été fournies par le Centre de recherche pour l'optique biomédicale et l'imagerie moléculaire de l'Institut de technologie avancée de Shenzhen, Académie chinoise des sciences. Dojindo Chemical Technology (Shanghai) Co., Ltd a fourni le Cell Counting Kit-8 (CCK-8) pour le test de prolifération cellulaire et de toxicité. L'eau ultrapure Millipore a été utilisée tout au long de l'expérience.

Préparation des nanoparticules AuNR@CTAB

La synthèse des nanobâtonnets d'or est réalisée comme suit :0,4 mL de HAuCl₄ (aq) (10 mM) et 10 mL de CTAB(aq) (0,1 M) ont été ajoutés à 23-33 µL d'AgNO₃ (aq) (100 mM). Ensuite, 10-30 µL de HCl (1,2 M) et 525 µL d'hydroquinone aqueuse (0,1 M) ont été ajoutés à la solution de croissance sous mélange doux. La couleur de la solution de croissance est passée de l'orange à un jaune très clair. Après 15 min d'agitation, 10 à 40 µL de NaBH glacé fraîchement préparé₄ Une solution (aq) (10 mM) a été injectée dans la solution de croissance. Le mélange a été agité pendant 30 s et vieilli pendant 18 h à température ambiante. L'AuNR@CTAB a ensuite été lavé deux fois au PBS.

Préparation de l'AuNR@BSA

Tout d'abord, nous ajoutons une certaine quantité de CTAB pour ajuster sa concentration dans la solution AuNR@CTAB à 1 mM, puis les ultrasons dissolvent complètement CTAB. 3 mL AuNR@CTAB sont ajoutés lentement à 3 mL de solution de BSA (10 mg/mL) et la solution mélangée est soniquée pendant 30 min. Après centrifugation à 9500 × r pendant 40 min, le surnageant a été remplacé par 6 mL de solution de BSA (5 mg/mL), puis le pH a été ajusté à 11-12 avec de l'hydroxyde de sodium (2 M), agité pendant au moins 18 h. Après cela, l'AuNR@BSA synthétisé a été centrifugé à 9 500 × r pendant 40 min, puis lavé deux fois avec du PBS et dissous dans du PBS pour une utilisation ultérieure.

Caractérisations des nanoparticules AuNR@CTAB et AuNR@BSA

L'analyse de la morphologie des nanotiges d'or a été obtenue par Beijing Zhongke Baice Co., Ltd. via le microscope électronique Talos F200X pour obtenir des images MET. Zetasizer Nano ZS (Malvern, Royaume-Uni) a été utilisé pour étudier la distribution de taille et le potentiel zêta de diverses nanoparticules par DLS. Le spectre d'absorption UV-Vis a été déterminé par le spectrophotomètre UV-2700 Ultraviolet-Visible (SHIMADZU, Japon).

Pour la caractérisation de la morphologie d'AuNR@BSA à l'intérieur de la tumeur, 100 µL d'AuNR@BSA (OD = 25 à 1064 nm) ont été injectés dans les sites tumoraux avec une irradiation d'environ 10 min, après quoi les tumeurs traitées ont été collectées. La tumeur non traitée a été collectée comme témoin. Les tumeurs collectées ont été incubées dans une solution de glutaraldéhyde à 2,5 % (Coolaber.co., Pékin, Chine) pour la microscopie électronique à transmission (Beijing Zhongke Baice Co., Ltd). Le modèle de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) et les modèles de diffraction des rayons X (XRD) d'échantillons AuNR ont été obtenus par Beijing Zhongke Baice Co., Ltd.

Mesure de la performance photothermique de AuNR@CTAB et AuNR@BSA

La solution de nanotige d'or a été diluée à différentes DO à 1064 nm (0,5, 1, 1,5 et 2), et le PBS a été utilisé comme témoin à blanc. Les nanotiges d'or (500 µL) ont été irradiées avec un laser à 1064 nm (Haoliangtech, Shanghai, Chine) à une intensité de puissance de 0,35-1 W/cm ² pendant 30 minutes. La température a été enregistrée avec une caméra infrarouge (FLUKE TI25).

Photostabilité de AuNR@BSA

Pour tester la photostabilité, les spectres d'absorption de AuNR@BSA ont été mesurés en fonction du temps d'irradiation. Les AuNR@BSA (OD = 1) ont été irradiés sous laser NIR (1064 nm, 0,5 w/cm ² ). De 0 à 10 min, le spectre a été enregistré toutes les minutes. Le test de cycle photothermique a également été réalisé sous la forme d'une solution AuNR@BSA (0,5 mL) irradiée toutes les 10 min avec des irradiations laser allumées et éteintes (1064 nm, 0,5 W/cm ² ), et le changement de température a été enregistré.

Culture cellulaire

La lignée cellulaire de cancer du sein murin (4 cellules T1) a été cultivée dans du RPMI 1640 contenant 10 % de FBS et 100 U/mL de pénicilline ou 100 ug/mL de streptomycine. L'environnement de culture est de 37 °C et la condition d'humidification est de 5 % de CO₂ .

In Vitro Évaluation de la cytotoxicité des nanoparticules d'or

Le test CCK-8 a été utilisé pour identifier la cytotoxicité des nanotiges d'or. Les cellules 4T1 ont été pré-ensemencées dans des plaques à 96 puits (5 × 10 ³ par puits) et incubé pendant 24 h. Par la suite, 10 μL de diverses concentrations d'AuNR@CTAB et AuNR@BSA ont été ajoutés et incubés pendant 24 h supplémentaires. Après deux lavages avec du PBS, 10 μl CCK-8 de solution ont été ajoutés à chaque puits et incubés pendant 40 min, suivis d'une mesure de l'absorbance à 450 nm avec un lecteur de microplaques.

Pour la phototoxicité, les cellules 4T1 ont été pré-ensemencées dans une plaque à 96 puits (5 × 10 ³ par puits) et incubées pendant 24 h, puis les cellules ont été irradiées avec un laser NIR (1064 nm, 0,75 W/cm ² , 10 min) et encore incubée pendant 24 h. Après cela, 10 μL de solution de CCK-8 ont été ajoutés dans chaque puits et incubés pendant 40 min supplémentaires à 37 °C. Ensuite, un lecteur de microplaques a été utilisé pour détecter l'absorbance de chaque puits à 450 nm.

Modèle de souris porteuses de tumeurs

Toutes les souris BALB/c ont été achetées auprès de Beijing Vital River Laboratory Animal Technology Co. Ltd. Toutes les procédures d'expérimentation animale ont été effectuées selon les procédures standard approuvées par le Comité de technologie avancée de l'Institut de Shenzhen de l'Académie chinoise des sciences. Le modèle tumoral a été établi par injection sous-cutanée de cellules 4T1 (2 × 10 ⁶ ) dans le dos des souris. Des études animales ont été menées lorsque le volume tumoral atteint environ 100 mm ³ .

In Vivo Circulation sanguine et biodistribution

Pour la mesure du temps de circulation, 200 μL d'AuNR@BSA ont été injectés par voie intraveineuse dans la veine caudale de souris BALB/c, puis 20 μL de sang ont été prélevés à 0,25, 2, 4, 6, 8, 12, 36 et 48 h, et dilué avec 30 μL de PBS pour obtenir 50 μL d'échantillon de sang. Environ 400 μL de HNO₃ concentré (qualité chromatographique) a été ajouté, le couvercle a été serré et digéré à 90 °C pendant 2 h. Après refroidissement à température ambiante, 150 μL H₂ O₂ (qualité chromatographique) a été introduit lentement, puis chauffé à 90 °C pendant 1 h sans couvercle. Au final, la solution a été diluée à 5 mL par de l'eau ultrapure. La concentration d'ions Au a été mesurée par spectroscopie d'émission optique à plasma à couplage inductif (ICP-OES) après passage à travers un filtre seringue en nylon de 0,44 mm.

Pour la mesure de la biodistribution, environ 200 μL d'AuNR@BSA ont été injectés par voie intraveineuse dans la veine caudale de souris BALB/c. Après 24 h, la souris a été tuée et le cœur, le foie, la rate, les poumons et les reins ont été prélevés et séchés dans une étuve à 80 °C. Avant digestion, chaque organe a été pesé, 800 μL de HNO₃ concentré (GR) a été ajouté et chauffé à 90 °C pendant 2 h. Après refroidissement à température ambiante, 200 L H₂ O₂ (GR) a été ajouté lentement goutte à goutte, chauffé à 90 °C pendant 1 h, puis la solution a été diluée à 10 mL par de l'eau ultrapure. Enfin, la concentration en ions Au a été mesurée par ICP-OES après passage à travers un filtre seringue en nylon de 0,44 mm.

Efficacité du traitement photothermique

Afin d'évaluer l'effet thérapeutique thermique d'AuNR@BSA, les souris porteuses de tumeurs avec des tumeurs 4T1 ont été réparties au hasard en quatre groupes avec un volume tumoral d'environ 100 mm ³ :(1) AuNR@BSA, (2) AuNR@BSA + Laser ; (3) Laser uniquement (4) Contrôle à blanc. Un imageur thermique infrarouge a été utilisé pour enregistrer l'image thermique infrarouge du site de la tumeur. Le volume tumoral et le poids corporel des souris ont été enregistrés avant et après le traitement, respectivement. Le volume tumoral peut être calculé selon l'équation normale (volume = largeur ² × longueur/2). Deux semaines plus tard, les souris ont été tuées et les tumeurs ont été isolées.

Analyse des données

Le logiciel statistique SPSS 16.0 a été utilisé pour l'analyse des données. Les données de mesure ont été exprimées sous forme de moyenne  ± d, la comparaison entre les groupes a été effectuée par analyse de variance et la comparaison des données de comptage a été effectuée par un test du Chi carré. P < 0,05 a été considéré comme statistiquement significatif.

Résultats et discussion

Synthèse et Caractérisation de AuNR@CTAB

Il a été constaté que les nanotiges d'or plus petites, la meilleure pharmacocinétique et la cytotoxicité plus faible [18]. Cependant, le pic d'absorption SPR des nanotiges d'or est fortement lié au rapport d'aspect, plus le rapport d'aspect est grand, plus l'énergie du pic SPR est faible. Afin de synthétiser AuNR avec un grand rapport d'aspect tout en gardant la taille aussi petite que possible, les paramètres de synthèse ont été optimisés tels que la concentration en tensioactif, le pH de la solution de croissance et la concentration en agent réducteur. Le NaBH₄ (aq) est une sorte d'agent réducteur puissant qui forme le noyau Au via la nucléation en rafale LaMer, suivie d'une fixation aléatoire rapide des ions Au et d'une maturation intraparticulaire [19]. Comme quantité molaire de NaBH₄ en augmentant, le pic d'absorption maximal des nanotiges d'or subit un décalage vers le bleu de 1223 à 865 nm (Fig. 1C). Le pH de la solution de croissance est également un paramètre clé pour contrôler la croissance des nanotiges d'or, avec est ajusté via la quantité d'acide chlorhydrique [20]. Le pic d'absorption maximal des nanotiges d'or s'est révélé progressivement décalé vers le rouge de 871 à 1070 nm tout en augmentant la quantité d'acide chlorhydrique (Fig. 1D). De plus, Ag ⁺ est considéré comme capable de contrôler le sens de croissance des nanotiges d'or, et plus l'Ag ⁺ est faible concentration, la longueur d'onde d'absorption plus longue du pic SPR a pu être réalisée (Fig. 1E). Au final, les nanotiges d'or synthétisées sont en rouge vin, comme le montre la figure 1B. Par conséquent, compte tenu de l'efficacité de synthèse des nanotiges d'or et de la disponibilité de la source de lumière laser, nous avons choisi des nanotiges d'or avec un pic d'absorption maximal à 1064 nm pour le traitement photothermique des tumeurs.

Les photopropriétés de AuNR@CTAB à différentes conditions de synthèse. un La préparation de l'AuNR@CTAB. b L'image de nanotiges d'or revêtues de CTAB (AuNR@CTAB), c Spectres UV-vis de AuNR@CTAB préparé avec NaBH₄ variable concentration, d Spectres UV-vis de AuNR@CTAB préparé avec une concentration de HCl variable e Spectres UV-vis d'AuNR@CTAB préparé avec AgNO₃ variable concentration

Synthèse et Caractérisation de AuNR@BSA

Le bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB) est le composé le plus largement utilisé pour la synthèse de nanotiges d'or avec des longueurs et des rapports d'aspect précis. Cependant, CTAB a une cytotoxicité significative lorsque la concentration est supérieure à 1-10 μM. L'application des nanotiges d'or revêtues de CTAB (AuNR@CTAB) en biomédecine a été considérablement restreinte [21]. De plus, la stabilité colloïdale des nanotiges d'or recouvertes de CTAB en solution aqueuse est considérablement affectée par la température, qui est facile à cristalliser à basse température [22]. Compte tenu de la réduction de la cytotoxicité du CTAB et de l'amélioration de sa stabilité, plusieurs approches ont été proposées pour remplacer le CTAB lors du processus de synthèse des nanotiges d'or ou pour fonctionnaliser les nanotiges d'or revêtues de CTAB. En utilisant des polymères, des peptides, des tensioactifs et des lipides pour modifier la surface des nanoparticules, la plupart de ces stratégies utilisent des molécules thiolées ou des forces d'interaction électrostatique pour se lier à la surface de l'or [23]. Les protéines sont les options les plus prometteuses en tant qu'avantages de stabilité colloïdale, de biocompatibilité et de fonctionnalisation ultérieure. [26]

Les nanotiges d'or enveloppées de CTAB et de BSA sont représentées sur la figure 2A. Le pic d'absorption maximal d'AuNR@BSA est d'environ 1064 nm, ce qui correspond à un décalage vers le rouge d'environ 30 nm par rapport à celui d'AuNR@CTAB (Fig. 2B). Le potentiel zêta des nanotiges d'or est passé de positif à négatif en remplaçant le revêtement CTAB par du BSA (Fichier supplémentaire 1 :Fig. S1). A partir des spectres FTIR de l'AuNR@BSA et de l'AuNR@CTAB (Fichier supplémentaire 1 :Fig. S2), nous avons pu trouver que deux pics caractéristiques d'à 1649 cm ⁻¹ et 1539 cm ⁻¹ dans le cas de AuNR@BSA, qui ont été attribués aux bandes vibrationnelles amide I et amide II de BSA. La diffusion dynamique de la lumière (DLS) a également été appliquée pour analyser la taille hydrodynamique des AuNR@CTAB et AuNR@BSA; de plus, la morphologie de AuNR@BSA et AuNR@CTAB ont été caractérisées par microscopie électronique à transmission (MET) comme le montre la Fig. 2C, D. Deux pics ont pu être clairement trouvés à partir de la mesure de l'intensité de diffusion de DLS, l'un avec une taille hydrodynamique d'environ 3,10 ( ± 0,85) nm et l'autre environ 57,45 (± 24,22) nm pour AuNR@CTAB. Cependant, dans le cas de AuNR@BSA, les pics se déplacent vers 8,64 (± 3,80) nm et 89,24 (± 42,24) nm. Nous avons pu constater que la forme de AuNR reste similaire après revêtement avec BSA, sauf que les extrémités deviennent légèrement arrondies (Fig. 2C, D). Pour les applications thérapeutiques in vivo, la taille critique des nanoparticules est limitée à moins de 100 nm [25]. Au-delà de cette taille, la capacité des nanoparticules à pénétrer les tumeurs sera limitée; par conséquent, les nanotiges d'or présentées seraient un candidat idéal pour le traitement des tumeurs [24]. Comme le montre le fichier supplémentaire 1 :Fig. S3, les pics caractéristiques d'Au peuvent être clairement observés dans le modèle XRD, à partir des plans (111), (200), (220) et (311) des nanoparticules d'Au.

Caractérisation des AuNR@BSA et AuNR@CTAB. un Préparation de l'AuNR@BSA. b Spectres UV-Vis de AuNR@CTAB (L) et AuNR@BSA (R). c La mesure d'intensité DLS de AuNR@CTAB et AuNR@BSA. d Les images MET de AuNR@CTAB et AuNR@BSA

In Vitro Effet photothermique des nanotiges d'or

Le laser à diode 1064 nm, en tant que source de lumière NIR-II la plus économique, est considéré comme la longueur d'onde optimale pour la thérapie photothermique. Par conséquent, la nanoplate-forme en or NIR-II idéale pour une thérapie photothermique efficace est considérée comme caractérisée par une forte absorption SPR à 1064 nm, une efficacité photothermique élevée et une excellente stabilité photothermique. Pour étudier l'effet photothermique de l'AuNR@BSA préparé, du PBS et différentes DO (= 0,5, 1, 1,5, 2) d'AuNR@BSA ont été excités à 1064 nm avec une intensité lumineuse de 0,35 à 1 W/cm ² pendant 30 minutes. Un imageur de température a été utilisé pour enregistrer les changements de température toutes les 5 min, comme le montre la figure 3A. L'effet photothermique de AuNR@BSA et AuNR@CTAB avec la même absorbance (DO = 1) est significativement supérieur à celui du PBS. Nous avons pu constater que la température a augmenté rapidement au cours des 5 premières minutes, puis est restée à environ 80 °C pour le reste du temps, comme illustré sur la figure 3A. L'augmentation de température induite par la photothermie pour le PBS est principalement causée par l'absorption harmonique de l'eau à 1064 nm. La température maximale en fonction de l'intensité lumineuse est illustrée sur la figure 3B. Il a été constaté que la température thermique photo-induite de AuNR@CTAB et AuNR@BSA à une absorbance d'environ 1 est proportionnelle à l'intensité lumineuse. L'augmentation de température est beaucoup plus rapide pour AuNR@CTAB et AuNR@BSA que celle de PBS car l'intensité laser augmente. De plus, la figure 3C montre que dans les mêmes conditions d'irradiation (1064 nm, 0,75 W/cm ² ), la température photothermique maximale augmente considérablement à mesure que l'absorbance des deux AuNR augmente. Les propriétés photothermiques de l'AuNR revêtu de BSA sont légèrement meilleures que celles du revêtement CTAB. Il n'y a pas de changement significatif sur la température photothermique maximale de AuNR@BSA (OD = 1, 61,1 °C) au cours de trois cycles d'irradiation (0,5 W/cm ² , 10 min), ce qui indique l'excellente stabilité photothermique de l'AuNR@BSA préparé (Fig. 3D). La figure 3E représente l'image de température photothermique de AuNR@CTAB (OD = 1), AuNR@BSA (OD = 1) et PBS sous irradiation laser pendant 10 min. La température maximale du PBS est de 44,5 °C, tandis que la température maximale de l'AuNR atteint 85, °C. Les résultats ci-dessus ont démontré que l'AuNR@BSA synthétisé possède des caractéristiques d'absorption appropriées, une efficacité de conversion photothermique et une photostabilité dans la plage NIR-II en tant qu'excellent agent thérapeutique photothermique.

Evaluation in vitro de l'effet photothermique d'AuNR@BSA. un La température photothermique de AuNR@BSA et AuNR@CTAB en fonction du temps d'irradiation laser (absorbance SPR environ 1, 1064 nm, 1 W/cm ² ). b Augmentation de la température déclenchée par le NIR du PBS, AuNR@CTAB (OD = 1) et AuNR@BSA (OD = 1) en fonction de l'intensité de l'irradiation laser (1064 nm, 0,35 à 1 W/cm ^{2 ). c Augmentation de la température déclenchée par NIR de AuNR@BSA et AuNR@CTAB avec une absorbance différente pour une irradiation laser de 10 min (1064 nm, 1 W/cm 2 ) ). d Conversion photothermique de AuNR@BSA (OD = 1) sous trois cycles d'irradiation (1064 nm, 0,5 W/cm 2 ). e Image thermique de PBS, AuNR@CTAB (OD = 1), AuNR@BSA (OD = 1) sous irradiation laser NIR (1064 nm, 1 W/cm 2 ) à un intervalle de temps de 5 et 10 min. (moyenne ± SD, n = 3)}

In Vitro Cytotoxicité et toxicité photothermique des nanotiges d'or

L'analyse CCK-8 a été réalisée pour quantifier la cytotoxicité de AuNR@CTAB et AuNR@BSA sur des cellules 4T1 à différentes concentrations. Même sans irradiation laser, l'AuNR@CTAB présente déjà une cytotoxicité importante à très faible concentration (absorbance de l'ordre de 0,05), d'où l'application biologique fortement restreinte. Cependant, l'AuNR@BSA démontre d'excellentes perspectives d'application biologique, par exemple la viabilité cellulaire est toujours dans la plage acceptable car l'absorbance AuNR@BSA atteint environ 1 (Fig. 4A). Encouragée par la stabilité prometteuse et l'efficacité de conversion photothermique élevée d'AuNR@BSA, la toxicité photothermique a été menée sur des cellules tumorales 4T1 in vitro avec une intensité lumineuse d'environ 0,75 W/cm ² pendant 10 minutes. Une toxicité photothermique significative a été trouvée à une absorbance d'environ 1 avec un taux de survie cellulaire d'environ 20 % ; cependant, une survie cellulaire d'environ 100 % a été trouvée pour les expériences sans rayonnement (Fig. 4B, fichier supplémentaire 1 :Fig. S4). Ces résultats in vitro indiquent que le traitement photothermique AuNR@BSA dans la région NIR-II pourrait efficacement tuer les cellules cancéreuses à une intensité de rayonnement relativement.

Cytotoxicité in vitro et toxicité photothermique des nanotiges d'or. un Viabilité cellulaire des cellules 4T1 incubées avec diverses concentrations de AuNR@CTAB et AuNR@BSA. b Viabilité cellulaire des cellules 4T1 incubées avec diverses concentrations d'AuNR@BSA sans et avec irradiation laser NIR (1064 nm, 0,75 W/cm ² , 10 minutes). (moyenne ± SD, n = 3)

In Vivo Études de biodistribution

Le temps de circulation sanguine est essentiel pour l'administration réussie des médicaments à base de nanoparticules [24]. Le temps de circulation sanguine de AuNR@BSA a été surveillé par la concentration d'Au via ICP-OES et s'est avéré être d'environ 1,5 h (demi-vie) (Fig. 5A). La biodistribution in vivo d'AuNR@BSA a également été mesurée par la concentration d'Au dans différents organes (Fichier supplémentaire 1 :Fig. S5). Comme le montre la Fig. 5B, les AuNR@BSA étaient fortement accumulées dans le foie et la rate après une injection intraveineuse de 24 h en raison de leur forte phagocytose en tant qu'organe du système réticulo-endothélial (RES) [27, 28]. Ces résultats montrent que l'AuNR@BSA peut s'accumuler efficacement dans le foie et la rate. AuNR@BSA a des applications potentielles dans les maladies liées au foie et à la rate.

La biodistribution d'AuNR@BSA dans le sang et les organes. un La concentration en Au dans le sang en fonction du temps via l'injection intraveineuse d'AuNR@BSA. b La biodistribution d'AuNR@BSA dans divers organes

In Vivo Traitement photothermique proche infrarouge des nanotiges d'or

Les excellentes performances photothermiques d'AuNR@BSA nous encouragent à poursuivre la thérapie photothermique in vivo sur des souris BALB/c porteuses de tumeurs. AuNR@BSA a été injecté in situ dans la tumeur, puis la lumière a été introduite pour la thérapie photothermique 10 min plus tard (1064 nm, 0,75 W/cm ² ). La variation de température in vivo a été surveillée par un imageur de température thermique. Les changements de température avant et après le traitement sont représentés sur la figure 6D. La température du site tumoral était d'environ 63,9 °C dans les 10 minutes suivant l'irradiation et maintenait peu de fluctuations à cette température (Fig. 6D). En revanche, il n'y a pas de changement de température observable pour le groupe témoin dans la même condition d'irradiation (groupe AuNR@BSA, groupe PBS, groupe laser). Après la thérapie photothermique, le volume tumoral et le poids corporel des souris ont été surveillés tous les deux jours pendant 14 jours. Comme présenté dans les Fig. 6A, B, la tumeur du groupe AuNR@BSA_laser a été complètement inhibée et laissée sous forme de croûtes brûlées sur l'emplacement du site tumoral d'origine, tandis que celle des groupes témoins a augmenté relativement rapidement et hors de contrôle (groupe AuNR@BSA, groupe PBS, groupe laser). Les croûtes sont la peau brûlée, ce qui prouve directement que le processus PPT pourrait provoquer un excès de chaleur locale sur le site tumoral avec AuNR@BSA injecté. L'effet photothermique est très efficace, car nous avons observé que les tumeurs solides dans le groupe AuNR@BSA + laser diminuent rapidement deux jours après le traitement. Pour capturer davantage les modifications tumorales après le traitement, à la fin des 14 jours d'observation, les souris ont été sacrifiées et les tumeurs ont été isolées. Comme le montre la figure 6C, la taille de la tumeur du groupe de traitement AuNR@BSA_laser a été totalement supprimée, tandis que tous les autres groupes se sont avérés être une croissance incontrôlée. Des images de souris du groupe (AuNR@BSA + laser) ont montré que les tumeurs ne continuaient pas à se développer après 14 jours de traitement (Fig. 6E). Par conséquent, compte tenu de la capacité thérapeutique idéale et de l'absence de cytotoxicité évidente, AuNR@BSA pour la thérapie par irradiation laser à seconde fenêtre dans le proche infrarouge est un candidat idéal pour le PTT déclenché par la lumière in vivo. Cela montre clairement qu'une simple hyperthermie utilisant la thérapie NR-II actuelle peut inhiber efficacement la croissance tumorale (Fichier supplémentaire 1).

Traitement photothermique de souris porteuses de tumeurs. un Volume tumoral en fonction du temps dans différentes conditions de traitement. b Modifications du poids corporel de souris porteuses de tumeurs en fonction du temps, après traitement. c Photographies de tissus tumoraux dans différents groupes après 14 jours de traitement. d Images thermographiques infrarouges de souris porteuses de tumeurs exposées à un laser à 1064 nm (0,75 W/cm ² , 10 min) à 10 min post-injection intratumorale d'AuNR@BSA. e Images de souris du groupe AuNR@BSA_laser après traitement. (moyenne ± SD, n = 2)

De plus, la MET a été prise pour la tumeur isolée après traitement photothermique et la tumeur non traitée. L'AuNR a pu être observé dans le tissu tumoral après traitement photothermique. Il a fourni une preuve supplémentaire que les nanotiges d'or ont toujours une excellente photostabilité dans l'environnement du tissu tumoral (Fig. 7).

Micrographie électronique à transmission d'AuNR@BSA dans le tissu tumoral a Tumeur traitée. b Tumeur non traitée

Conclusion

Ici, nous avons synthétisé l'AuNR@BSA avec le maximum d'absorption SPR dans la deuxième fenêtre proche infrarouge pour la thérapie photothermique, en tant que leurs propriétés photothermiques exceptionnelles et leur biocompatibilité. La biocompatibilité de l'AuNR rapporté a été significativement améliorée par revêtement avec de l'albumine de sérum bovin, et les propriétés photothermiques n'ont pas été affectées. The biodistribution of the intravenously injected AuNR@BSA indicates that large amounts of AuNR accumulated in the liver and spleen. The TEM image of AuNR@BSA inside tumor reveals that the high in vivo photostability of the AuNR and suggests that once upon injection, several phototreatment might be applied to reach the desired therapy outcomes. The excellent photothermal conversion of the reported AuNR was able to sufficiently inhibit tumor growth even under low light irradiation. The PTT of AuNR@BSA combined with other treatment strategies, such as immunotherapy and chemotherapy, would be promising for developing a useful tool for personalized, safe, and effective tumor treatment.

Disponibilité des données et des matériaux

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