Nanoparticules d'iridium sans ligand : synthèse aqueuse simple et biocompatibilité in-vitro démontrée

Résumé

Les nanoparticules inorganiques à haute densité émergent comme agents puissants en médecine basée sur les radiations, de l'imagerie par rayons X à l'amélioration de dose en radiothérapie. Nous rapportons une synthèse aqueuse évolutive qui délivre des nanoparticules d'iridium (IrNPs) de 2-3 nm par réduction borohydride du chlorure d'iridium(III). Remarquablement, la méthode produit des particules uniformément monodispersées, sans ligand, sans surfactants ni stabilisateurs. La microscopie électronique en transmission et la diffraction des rayons X confirment le cœur d'iridium cristallin des particules, tandis que des essais in-vitro sur lignées hépatocytes et macrophages démontrent une tolérance jusqu'à 10 µM IrNPs et 10 µM chlorure d'iridium(III). Les études d'hémolyse montrent aucun dommage significatif aux globules rouges à des concentrations jusqu'à 100 µM. Ces résultats soulignent la promesse des IrNPs pour de futures applications in-vivo.

Contexte

Les nanoparticules de métaux nobles sont centrales en nanomédecine grâce à leurs propriétés optiques, électroniques et catalytiques uniques. Alors que les nanoparticules d'or et d'argent ont été extensivement étudiées pour la détection, la thérapie et l'usage antimicrobien, les métaux platinoïdes restent largement inexploités dans les contextes biomédicaux. L'iridium, avec sa densité exceptionnelle (22,56 g cm⁻³), son inertie chimique et sa biocompatibilité connue, offre une alternative convaincante à l'or pour les applications d'amélioration par radiations. Les études existantes sur les nanoparticules à haut Z se sont concentrées sur l'or, le bismuth et le hafnium ; l'iridium n'a pas été exploré à cet égard malgré ses traits physiques et chimiques favorables.

La haute densité de l'iridium sous-tend son utilité en physique des radiations — ¹⁹²Ir, un isotope de curiethérapie commun, démontre comment un élément densément compacté peut délivrer une puissante émission gamma. Cependant, aucune synthèse systématique de nanoparticules d'iridium sans ligand convenables pour l'usage biologique n'a été rapportée. Notre travail comble ce vide en fournissant un protocole aqueux simple, évolutif et une évaluation complète de la biocompatibilité in-vitro.

Méthodes

Synthèse des IrNPs

Toutes les réactions ont été menées à température ambiante dans de l'eau déionisée 18 MΩ sans oxygène. Une solution mère de 20 mM IrCl₃ (Acros Organics) a été soniquée et agitée pendant 20 min pour clarifier la solution. Une solution de borane-morpholine 1,0 M (Alfa Aesar) a été de même soniquée. Pour une échelle de 500 mL, 25 mL de IrCl₃ 1,0 mM ont été mélangés avec 5 mL de borane-morpholine 10 mM sous agitation vigoureuse. Le mélange a foncé de brun à noir sur 30 min, indiquant la formation de nanoparticules. Après 60 min supplémentaires d'agitation, le colloïde a été concentré en utilisant des filtres centrifuges 10 kDa PMCO (Amicon Ultra-4) à 4000 × g, lavé à l'eau, et filtré à travers un filtre seringue 0,22 µm (Millex-MP) avant stockage.

Caractérisation des Nanoparticules

La MET haute résolution (FEI Tecnai F-20, 200 kV) a été utilisée pour imager les particules sur grilles de carbone troué. Les diagrammes de diffraction ont été analysés avec ImageJ pour confirmer l'espacement de réseau de 0,22 nm caractéristique de l'iridium métallique. La diffraction des rayons X (Rigaku Ultima IV, Cu Kα, 20-80° 2θ, 0,1° min⁻¹) correspondait à la fiche PDF 9008470 pour l'iridium élémentaire. La diffusion de lumière dynamique (Malvern Nano ZSP) a rapporté un diamètre hydrodynamique de ~5 nm. Les spectres UV-Vis (Tecan M200 Pro) ont confirmé l'absorption large, sans trait des IrNPs versus les pics nets de IrCl₃. La spectroscopie photoélectronique aux rayons X (PHI Versaprobe II) a révélé une surface Ir(0) dominante avec ~20 % de contamination d'oxyde. La spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (Agilent 7900) a quantifié les concentrations d'iridium dans la gamme ppb après digestion eau régale.

Analyse de Cytotoxicité

Des cellules HepG2 (carcinome hépatocellulaire humain) et J774A.1 (macrophage murin) ont été ensemencées à 2 × 10⁵ cellules par puits dans des plaques 96 puits (DMEM + 10% FBS) et incubées 24 h. IrNPs, IrCl₃, eau, ou DMSO ont été ajoutés à un volume final de 110 µL (10% v/v). La viabilité a été évaluée après 24 ou 48 h en utilisant Alamar Blue (10% v/v) et lecture de fluorescence (ex 530 nm/em 590 nm). Toutes les expériences ont été effectuées en quadruplicat et répétées sur des jours indépendants. L'hémolyse a été évaluée en incubant des érythrocytes dans PBS avec IrNPs à 37 °C pendant 1 h et en mesurant la libération d'hémoglobine.

Résultats

Synthèse et Caractérisation des Nanoparticules d'Iridium

La réduction de IrCl₃ avec un excès molaire 10 fois de borane-morpholine dans l'eau produit des IrNPs monodispersées de 2-3 nm en 30 min. Les images MET (Fig. 1a) et les diagrammes DRX (Fig. 1c) confirment un cœur d'iridium hautement cristallin. Les particules restent colloïdalement stables dans l'eau pendant des mois (Fig. 1d). En milieu basique, les nanoparticules se convertissent en oxyde d'iridium, présentant une teinte bleue ; des conditions acides induisent une floculation sans perturber la structure cristalline. Le XPS indique une surface principalement élémentaire avec ~20 % d'oxyde de surface (Fig. 3). Les tentatives d'utiliser des surfactants thiol pendant la synthèse inhibent la formation de particules, soulignant la nécessité d'un environnement sans ligand pour cette approche.

Cytotoxicité de l'Iridium

Dans les cellules HepG2, IrCl₃ a augmenté l'activité métabolique à 115 % à 24 h mais chuté à 90 % à 48 h avec 500 µM. Les IrNPs ont réduit la viabilité à 78 % à 50 µM après 48 h. Les macrophages (J774A.1) ont affiché un boost métabolique transitoire (122 % à 24 h) avec 50 µM IrNPs, revenant à ~98 % après 48 h. À 500 µM, les IrNPs ont montré une viabilité neutre à 24 h mais réduite après 48 h, suggérant des effets dose-dépendants. Les essais d'hémolyse ont révélé aucune lyse significative de globules rouges jusqu'à 100 µM IrNPs.

Discussion

Les synthèses traditionnelles de nanomatériaux d'iridium — réduction par hydrure, irradiation UV/gamma, ou voies polyol — sont adaptées pour l'intégration de support catalytique et ne sont pas appropriées pour les applications biologiques. Notre approche aqueuse, sans ligand, contourne ces limitations et produit des particules amenables à une fonctionnalisation ultérieure. In vitro, les IrNPs exhibent une toxicité aiguë faible, avec des concentrations tolérables jusqu'à 50 µM dans les hépatocytes et une activité hémolytique minimale. La stimulation des macrophages suggère un potentiel pour moduler les réponses immunitaires, ce qui justifie des études mécanistiques supplémentaires.

Donnée la haute densité de l'iridium, ces nanoparticules sont attendues pour améliorer l'atténuation des radiations, analogue à la performance de ¹⁹²Ir en curiethérapie. Les travaux futurs investigueront la biodistribution in-vivo, la clairance rénale et l'efficacité thérapeutique quand combinées avec l'irradiation par rayons X ou gamma.

Conclusions

Nous avons démontré que des nanocristaux d'iridium(0) peuvent être synthétisés via une simple réduction borohydride aqueuse de IrCl₃, produisant des IrNPs de 2-3 nm, hautement cristallins, sans ligand, avec ~5 nm de diamètre hydrodynamique. En exposition aiguë, ces particules sont non-toxiques jusqu'à 50 µM dans les hépatocytes, stimulent transitoirement le métabolisme des macrophages, et ne provoquent pas d'hémolyse à des concentrations physiologiquement pertinentes. Leur cœur sans ligand offre une plateforme polyvalente pour la modification de surface vers des applications biomédicalement pertinentes, surtout comme agents radiographiques ou radiothérapeutiques à haute densité.

Abréviations

AuNP

Nanoparticule d'or

DLS

Diffusion de lumière dynamique

ICP-MS

Spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif

IrNP

Nanoparticule d'iridium

PDF

Fichier de diffraction de poudre

UV

Ultraviolet

XPS

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

DRX

Diffraction des rayons X