Applications biomédicales des nanoclusters d'or : avancées récentes et orientations futures

Résumé

Les nanoclusters d'or (AuNCs) ont émergé comme une classe polyvalente de sondes fluorescentes, grâce à leur taille à l'échelle atomique, leur émission ajustable et leur stabilité chimique remarquable. Leur solubilité aqueuse intrinsèque, leur faible cytotoxicité et leur photostabilité exceptionnelle font des AuNCs des outils idéaux pour l'imagerie cellulaire à long terme, la détection ultrasensible et les thérapeutiques ciblées. Cette revue examine les avancées récentes dans les AuNCs synthétisés avec des ligands de petites molécules, polymères et biomacromolécules, mettant en lumière les percées en imagerie, détection et thérapie. Nous discutons également des limitations actuelles — tels que les rendements quantiques sous-optimaux et l'hétérogénéité des ligands — et esquissons les futures directions de recherche qui promettent de libérer le plein potentiel biomédical des AuNCs.

Contexte

Les nanomatériaux transforment la recherche biomédicale en offrant un contrôle sans précédent sur la taille, la forme et la chimie de surface [1-10]. Comparés à leurs homologues massiques, les AuNCs — composés de quelques à quelques centaines d'atomes d'or — présentent des signatures optiques uniques, notamment une fluorescence brillante dans le visible au proche infrarouge (NIR), des durées de vie longues et de grands décalages de Stokes [35-37]. Ces attributs, combinés à une fonctionnalisation de surface aisée, positionnent les AuNCs comme alternatives supérieures aux colorants organiques et aux points quantiques à semi-conducteurs pour l'imagerie cellulaire, la détection moléculaire et la thérapie photodynamique [41-49]. Ces dernières années ont vu une explosion des travaux explorant les AuNCs conjugués à divers ligands, permettant des propriétés physicochimiques sur mesure et une biocompatibilité améliorée. Bien que plusieurs revues complètes aient abordé les applications analytiques des AuNCs [50-53], cet article se concentre sur leur utilité biomédicale et la conception stratégique d'architectures de ligands qui pilotent la performance en imagerie, détection et thérapie.

Nous examinons trois classes de ligands — petites molécules, polymères et biomacromolécules — dont les chimies distinctes confèrent aux AuNCs des capacités de ciblage spécifiques, des rendements quantiques améliorés et une multifonctionnalité. Les défis et opportunités futures qui émergent de ces études sont résumés dans la section conclus.

AuNCs conjugués aux petites molécules

Les ligands de petites molécules sont le choix le plus courant pour la synthèse des AuNCs car ils offrent un contrôle précis sur la taille et la chimie de surface. Par exemple, les AuNCs enrobés de D-pénicillamine (DPA) (DPA-AuNCs) sont exceptionnellement brillants, solubles dans l'eau et facilement internalisés par les cellules HeLa, permettant l'imagerie confocale à deux photons après seulement 2 h d'incubation [54,55]. Les reconstructions 3D résultantes démontrent une distribution intracellulaire uniforme et une photostabilité élevée (Figure 1).

Les AuNCs coiffés d'acide dihydrolipoïque (DHLA) (DHLA-AuNCs) ont été les premières nanoparticules à permettre l'imagerie par durée de vie de fluorescence (FLIM) dans des cellules vivantes. Alors que les cellules HeLa non traitées affichent des durées de vie courtes (1,5-4 ns), les DHLA-AuNCs confèrent de longues durées de vie (500-800 ns), facilitant la cartographie sous-cellulaire basée sur FLIM (Figure 2) [56].

La biosynthèse d'AuNCs dépendante de la lignée cellulaire a également été démontrée : les cellules HepG2 et K562 convertissent spontanément l'acide chloroaurique en AuNCs, alors que les cellules L02 non cancéreuses ne le font pas, suggérant une stratégie potentielle d'imagerie sélective des tumeurs [57]. Les AuNCs stabilisés par la trypsine (try-AuNCs) présentent une émission NIR et peuvent agir simultanément comme capteur de surface-plasmon-enhanced energy-transfer (SPEET) pour l'héparine et comme sonde d'imagerie ciblée par l'acide folique pour les cellules cancéreuses (Figure 3) [58].

La chimie des ligands étend davantage les capacités de détection. Les AuNCs portant de la dopaquinone peuvent complexer les ions Fe³⁺, conduisant à des agrégats >500 nm et un quenching de fluorescence prononcé, permettant la détection de Fe³⁺ dans les milieux aqueux [61]. Les AuNCs à l'acide 11-mercaptoundécanoïque (MUA) (MUA-AuNCs) forment des complexes stables avec Hg²⁺ et les bithiols, fournissant une détection sélective par fluorescence du mercure et des thiols apparentés [64-65]. Les AuNCs stabilisés par la vancomycine (Van-AuNCs) ont été appliqués pour surveiller le Fe³⁺ dans divers échantillons d'eau, démontrant une pertinence environnementale [66]. Les AuNCs fonctionnalisés au chitosane (AuNCs@Chi) ont servi de capteur de sulfure d'hydrogène basé sur FRET, capitalisant sur le rôle du H₂S dans la vasodilatation et la neurotransmission [67].

Les AuNCs coiffés de glutathion (GSH) (GSH-AuNCs) ont été conçus pour la détection rapide et sélective de la lysine et de la cystéine avec une haute photostabilité [73]. Les assemblages FRET utilisant les GSH-AuNCs permettent une détection ultrasensible de la cystéine, potentiellement aidant au diagnostic des troubles liés à la cystéine [74]. Les AuNCs templatés par la kératine, exploitant les protéines riches en cystéine, détectent le Hg²⁺ via des sondes à double émission points de carbone/nanoclusters d'or avec réponse ratiométrique [76]. Les AuNCs coiffés de cyclodextrine détectent sélectivement les ions Co²⁺, avec une absorption cellulaire confirmée in vitro [77].

Plus récemment, des GSH-AuNCs ultrasmall ont été développés comme radiosensibilisables métabolisables. Leur petite taille (~2 nm) et leur forte atténuation des rayons X permettent une radiothérapie améliorée par interactions photoélectriques et de Compton, tandis que les revêtements GSH assurent l'accumulation tumorale via l'effet EPR et l'élimination rénale post-traitement, minimisant la toxicité hors cible [78].

AuNCs conjugués aux polymères

Les ligands polymères confèrent des fonctionnalités supplémentaires aux AuNCs, notamment une stabilité colloïdale améliorée, une charge de surface ajustable et une biocompatibilité. Les AuNCs coiffés de poly(acide méthacrylique) à thioéther multidentate terminal (PTMP-PMAA) présentent une photostabilité exceptionnelle et marquent sélectivement les cellules mononucléaires de sang de cordon (CBMCs) versus les cellules leucémiques K562, reflétant une internalisation différentielle (Figure 5) [79-80]. Une telle internalisation sélective souligne le potentiel des AuNCs enrobés de polymères pour l'imagerie hématopoïétique ciblée et l'administration de médicaments.

Aldek et al. ont introduit des AuNCs fonctionnalisés PEG et zwitterioniques via des ligands bidentates à l'acide lipoïque, démontrant une robuste stabilité au pH et une tolérance au sel — attributs clés pour l'imagerie et la détection biologiques [82]. Chen et al. ont conçu un copolymère amphiphile sensible au pH (PDNH) encapsulant des AuNCs, produisant un nanocomposite (L-AuNCs/FA-PDNH) combinant l'imagerie des cancers surexprimant le folate avec l'administration de paclitaxel (Figure 6) [88].

Les AuNCs stabilisés par polyéthylèneimine (PEI) (PEI-AuNCs) fournissent une charge de surface cationique, facilitant la délivrance de gènes et une forte fluorescence rouge dans les cellules HepG2, offrant ainsi une plateforme double imagerie/thérapeutique [89]. Les FA-Ova-AuNCs, assemblés via un lien N-acryloxysuccinimide, marquent sélectivement les cellules HeLa positives au récepteur du folate, confirmant l'absorption médiée par le récepteur [90].

Un cluster Au(I) hautement phosphorescent incorporé dans un film polymère macroporeux fournit un capteur colorimétrique de cyanure, capable de détecter CN⁻ dans des échantillons alimentaires et environnementaux avec haute sélectivité et rentabilité — critique pour la surveillance de la santé publique [91-93].

AuNCs conjugués aux biomacromolécules

Les ligands biomacromoléculaires, riches en groupes thiol, offrent biocompatibilité et reconnaissance spécifique. Les AuNCs fonctionnalisés à la transferrine (Tf) combinés avec l'oxyde de graphène (Tf-AuNCs/GO) constituent une sonde NIR "turn-on" qui illumine sélectivement les cellules HeLa surexprimant le récepteur Tf tout en épargnant les fibroblastes 3T3 normaux (Figure 8) [94]. Cette absorption sélective démontre le potentiel de la sonde pour l'imagerie ciblée des cancers pilotés par le métabolisme du fer.

Les AuNCs templatés par l'ADN offrent une synthèse verte rapide (2 min) produisant des nanoclusters luminescents dont l'intensité évolue linéairement avec la concentration d'ADN, permettant la quantification d'ADN en temps réel dans les cellules HeLa et A549 [95]. La faible toxicité de la sonde et son émission ajustable sur les quatre bases d'ADN fournissent une plateforme polyvalente pour l'analyse d'acides nucléiques.

Nguyen et al. ont construit un nanocomplexe AuNC/graphène à double ligand agissant comme sonde "turn-on" pour la métalloprotéinase-9 (MMP-9). Un peptide portant le site de clivage MMP-9 sert à la fois de stabilisateur et de ligand ciblant, atteignant une limite de détection de 0,15 nM et une imagerie sélective de la MMP-9 sécrétée par les cellules MCF-7 [97].

Song et al. ont développé un essai de fluorescence verte sans étiquette pour les protéines kinases en exploitant l'agrégation induite par Zr des complexes AuNC-phosphopeptide, offrant une haute sensibilité et un flux de travail simplifié pour la mesure de l'activité CK2 [98].

Selvaprakash et al. ont exploité les protéines de blanc d'œuf de poule peu coûteuses (AuNCs@ew) pour produire des sondes fluorescentes pour la détection d'ATP et PPi via une synthèse monocoup assistée par micro-ondes. Les AuNCs@ovalbumine résultants dominent la réponse optique, permettant une détection rapide et rentable des phosphates dans des matrices biologiques et environnementales [99].

Wu et al. ont synthétisé des BSA/GSH-AuNCs avec excitation à 330 nm et émission à 650 nm, démontrant un quenching efficace de NO₂⁻ à pH 3,0 tout en maintenant une haute tolérance au sel — idéal pour l'analyse d'échantillons complexes [100]. Des études concomitantes ont révélé que les AuNCs enrobés de BSA subissent des changements conformationnels réversibles lors de variations de pH, offrant des aperçus sur les interactions ligand-nanocluster [101].

Ghosh et al. ont étudié l'impact des AuNCs sur l'activité de l'α-chymotrypsine, découvrant que la liaison aux AuNCs inactiver l'enzyme, mais que le GSH ou le GSH oxydé peuvent restaurer partiellement l'activité — une observation qui pourrait guider la modulation enzymatique ciblée dans les cellules cancéreuses aux niveaux élevés de glutathion [102].

Enfin, la chirurgie guidée par fluorescence a progressé avec des AuNCs conjugués à l'acide diatrizoïque et l'aptamère AS1411, permettant une double imagerie CT/NIR et une délimitation tumorale peropératoire dans un modèle murin CL1-5. La haute photostabilité et le ciblage tumoral spécifique de ces sondes fournissent une plateforme prometteuse pour la guidance chirurgicale en temps réel [103].

Conclusions

En résumé, la littérature examinée souligne la polyvalence des AuNCs comme sondes fluorescentes dans les domaines de l'imagerie, la détection et la thérapie. Les défis clés persistent : (1) atteindre des rendements quantiques supérieurs à 20 % pour permettre l'imagerie multiplexée ; (2) assurer l'uniformité de taille pour réduire les bandes d'émission ; et (3) contrôler précisément la chimie de la couche de ligand pour adapter la réactivité de surface et la biodistribution. Surmonter ces obstacles par une conception rationnelle des ligands, une synthèse à haut débit et des études mécanistiques approfondies accélérera la traduction des AuNCs vers le diagnostic clinique et la médecine personnalisée.

Avec des efforts interdisciplinaires continus, les AuNCs sont appelés à devenir une pierre angulaire de l'imagerie biomédicale de nouvelle génération et de la thérapie ciblée.

Abréviations

AuNCs :

Nanoclusters d'or

BSA :

Albumine sérique bovine

CBMC :

Cellules mononucléaires de sang de cordon

CD :

Dichroïsme circulaire

Chi :

Chitosane

ChT :

Chymotrypsine

DHLA :

Acide dihydrolipoïque

DPA :

D-pénicillamine

DTT :

Dithiothréitol

FA :

Acide folique

FLIM :

Imagerie par durée de vie de fluorescence

FRET :

Transfert d'énergie par résonance de Förster

GSH :

Glutathion

GST :

Glutathion-S-transférase

MUA :

Acide 11-mercaptoundécanoïque

Ova :

Ovalbumine

PCR :

Réaction en chaîne par polymérase

PDNH :

Poly(DBAM-co-NASco-HEMA)

PEI :

Polyéthylèneimine

PPi :

Pyrophosphate

PTMP-PMAA :

Poly(acide méthacrylique) à thioéther multidentate terminal

SPEET :

Transfert d'énergie amplifié par plasmon de surface

Tf :

Transferrine

Try :

Trypsine

VAN :

Vancomycine