Nanorods Emas Terlapisi Albumin Serum Sapi Mengaktifkan Terapi Fototermal NIR-II dengan Dosis Rendah

Abstrak

Jendela NIR kedua (NIR-II, 1000–1300 nm) menawarkan penetrasi jaringan yang tak tertandingi, memosisikannya sebagai regime optik ideal untuk imaging dan terapi fototermal. Namun, menciptakan nanorods emas yang menyerap dalam band ini sambil mempertahankan sitotoksisitas rendah tetap menjadi tantangan. Kami merancang serangkaian nanorods emas rasio aspek tinggi yang menunjukkan resonansi plasmon permukaan yang kuat di seluruh jendela NIR-II. Pelapisan nanorods ini dengan albumin serum sapi (BSA) secara dramatis meningkatkan biokompatibilitas mereka tanpa mengurangi kinerja optik. Dalam model tikus kanker payudara, nanorods yang dilapisi BSA mencapai ablasi tumor lengkap menggunakan intensitas laser NIR-II yang rendah hanya 0,75 W cm⁻². Hasil ini mengonfirmasi bahwa terapi fototermal NIR-II dengan dosis rendah dapat dilakukan dengan nanorods emas rasio aspek besar.

Pendahuluan

Nanopartikel emas (AuNPs) telah muncul sebagai ajen serbaguna dalam penelitian biomedis karena biokompatibilitas dan sitotoksisitas rendah yang luar biasa. Reduksi X-ray yang tinggi membuatnya menarik untuk imaging CT tumor [1, 2], sementara resonansi plasmon permukaan (SPR) yang jelas memungkinkan konversi foton-ke-panas yang efisien untuk terapi fototermal (PTT) [3, 4]. AuNPs dengan ukuran dan morfologi yang dapat disesuaikan—nanorods, nanoshells, nanocages—telah dirancang untuk ablasi kanker, terutama nanorods emas (AuNRs) yang anisoトロпи memberikan serapan NIR yang kuat dan stabilitas fototermal [5–8]. Cahaya NIR menembus jaringan lebih dalam daripada cahaya terlihat, dan panjang gelombang yang lebih lama mengalami pencaran yang lebih sedikit [9]. Partikel berbentuk batang juga menunjukkan permeabilitas tumor yang ditingkatkan dan sirkulasi yang panjang, yang meningkatkan akumulasi [10, 11]. Namun, PTT konvensional sering memerlukan laser daya tinggi, yang berisiko kerusakan kolateral [12]. Jendela NIR-II menawarkan penetrasi yang lebih dalam dan pencaran yang lebih rendah daripada NIR-I, memungkinkan terapi efektif pada intensitas laser yang lebih rendah [13–17]. Namun, produksi AuNRs yang menyerap dalam NIR-II sambil tetap biokompatibel sulit dilakukan. Di sini, kami melaporkan sintesis bebas-bibit AuNRs dengan puncak serapan 1000–1300 nm, diikuti oleh pelapisan BSA untuk mengurangi sitotoksisitas. Kami mengevaluasi kinerja fototermal mereka in vitro dan in vivo, menunjukkan ablasi tumor dalam model tikus kanker payudara dengan intensitas laser seendah 0,75 W cm⁻².

Bahan dan Metode

Bahan

Klorida emas trihidrat (HAuCl₄·3H₂O, 99,9 %), bromida heksadesiltrimetilamoni (CTAB, 99 %), asam nitrat (GR 65–68 %), peroksida hidrogen (30 %), borohidrida natrium (NaBH₄, 97 %), nitrat perak (AgNO₃, 99,8 %), asam klorida (38 %), hidrokuinon (99 %), albumin serum sapi (BSA, 98 %) diperoleh dari Shanghai Aladdin Biological Technology Co. Ltd. RPMI 1640, Penicillin–Streptomycin, PBS, serum fetus sapi (FBS), sel 4T1, dan Cell Counting Kit‑8 (CCK‑8) diperoleh dari HyClone, Corning, Gibco, dan Dojindo, masing-masing. Air ultraputih (Millipore) digunakan selama proses.

Persiapan AuNR@CTAB

AuNRs disintesis melalui protokol bebas-bibit. Secara singkat, 0,4 mL 10 mM HAuCl₄ dan 10 mL 0,1 M CTAB dicampur dengan 23–33 µL 100 mM AgNO₃. Penambahan 10–30 µL 1,2 M HCl dan 525 µL 0,1 M hidrokuinon menghasilkan larutan pertumbuhan warna kuning pucat. Setelah pengadukan 15 menit, 10–40 µL 10 mM NaBH₄ dingin segar diinjeksikan, diikuti oleh pengadukan 30 s dan pengeringan 18 jam pada suhu ruang. AuNR@CTAB difurnirkan dengan dua kali cuci PBS.

Persiapan AuNR@BSA

Konsentrasi CTAB dalam AuNR@CTAB disesuaikan ke 1 mM dan di sonikasi untuk larut sepenuhnya. 3 mL AuNR@CTAB dicampur dengan 3 mL 10 mg mL⁻¹ BSA dan di sonikasi selama 30 menit. Setelah sentrifugasi (9500 × g, 40 menit), pelet diaduk kembali dalam 6 mL 5 mg mL⁻¹ BSA, pH disesuaikan ke 11–12 dengan 2 M NaOH, dan diaduk selama ≥18 h. AuNR@BSA akhir difurnirkan dengan dua kali cuci PBS dan disimpan dalam PBS.

Karakterisasi

Mikroskop transmisi elektron (TEM, Talos F200X) menilai morfologi; pencaran cahaya dinamis (DLS, Zetasizer Nano ZS) mengukur ukuran dan potensi zeta; spektroskopi UV–Vis (Shimadzu UV‑2700) mencatat serapan. Distribusi tumor in vivo diperiksa dengan TEM pada potongan tumor yang diambil setelah injeksi. Analisis FT‑IR dan XRD (Beijing Zhongke Baice Co.) mengonfirmasi pelapisan BSA dan emas kristal, masing-masing.

Kinerja Fototermal

Larutan AuNR (OD = 0,5–2 pada 1064 nm) diiradiasi dengan laser 1064 nm (0,35–1 W cm⁻²) selama 30 menit, dan perubahan suhu dipantau dengan imaging termal inframerah (FLUKE TI25). Stabilitas foto dievaluasi dengan siklus on/off 10 menit berulang pada 0,5 W cm⁻².

Sitotoksisitas In Vitro

Sel 4T1 ditanami dalam plate 96-lubang (5 × 10³ sel lubang⁻¹) dan diinkubasi 24 jam. AuNR@CTAB atau AuNR@BSA (10 µL) ditambahkan pada konsentrasi yang bervariasi, diikuti oleh inkubasi 24 jam. CCK‑8 (10 µL) ditambahkan, diinkubasi 40 menit, dan absorbansi diukur pada 450 nm. Assay fototoksisitas melibatkan iradiasi 1064 nm (0,75 W cm⁻², 10 menit) sebelum tes CCK‑8.

Studi Hewan

Tikus BALB/c betina (6–8 minggu) diinoculasi subkutan dengan 2 × 10⁶ sel 4T1. Ketika tumor mencapai ~100 mm³, eksperimen dimulai. Semua prosedur mengikuti pedoman etika institusi.

Distribusi Biologis dan Sirkulasi In Vivo

AuNR@BSA (200 µL) diinjeksikan melalui vena ekor. Sampel darah diambil pada 0,25, 2, 4, 6, 8, 12, 36, dan 48 jam, dicerna dengan HNO₃ dan H₂O₂, dan kandungan Au diukur dengan ICP-OES. Organ (jantung, hati, limpa, paru-paru, ginjal) diambil 24 jam setelah injeksi, dicerna, dan konsentrasi Au diukur secara serupa.

Efisiensi Pengobatan Fototermal

Tikus dibagi menjadi empat kelompok: (1) AuNR@BSA, (2) AuNR@BSA + laser, (3) hanya laser, (4) kontrol. AuNR@BSA (200 µL) diinjeksikan intratumoral, diikuti 10 menit kemudian oleh iradiasi 1064 nm (0,75 W cm⁻², 10 menit). Suhu tumor, volume, dan berat badan dipantau selama 14 hari. Tumor diambil pada akhir studi.

Analisis Data

Analisis statistik dilakukan dengan SPSS 16.0. Data dinyatakan sebagai mean ± SD; signifikansi ditetapkan pada p < 0,05.

Hasil dan Pembahasan

Sintesis dan Karakterisasi AuNR@CTAB

Optimasi konsentrasi NaBH₄, HCl, dan Ag⁺ memungkinkan kontrol atas rasio aspek dan posisi puncak SPR. Peningkatan NaBH₄ bergeser biru puncak dari 1223 hingga 865 nm, sementara HCl yang lebih tinggi bergeser merah dari 871 hingga 1070 nm. Pengurangan konsentrasi Ag⁺ memperpanjang puncak SPR lebih jauh. AuNR akhir menunjukkan warna merah anggur dan puncak serapan maksimum pada 1064 nm (Fig. 1). Panjang gelombang ini selaras dengan jendela NIR-II dan cocok dengan sumber laser yang tersedia.

Nanorods Emas Terlapisi Albumin Serum Sapi Mengaktifkan Terapi Fototermal NIR-II dengan Dosis Rendah

Sintesis dan Karakterisasi AuNR@BSA

CTAB, meski efektif untuk pertumbuhan nanorod, sitotoksik di atas 1–10 µM dan dapat menendam pada suhu rendah. Penggantian CTAB dengan BSA mengurangi toksisitas dan meningkatkan stabilitas koloid. AuNR@BSA mempertahankan rasio aspek yang sama tetapi menunjukkan puncak SPR bergeser merah ~30 nm pada 1064 nm (Fig. 2). Potensi zeta berubah dari positif (CTAB) menjadi negatif (BSA), mengonfirmasi pertukaran permukaan. Spektra FT‑IR mengungkapkan puncak amida BSA yang khas (1649 dan 1539 cm⁻¹). DLS menunjukkan diameter hidrodinamis 8,6 nm dan 89 nm untuk dua populasi, menunjukkan peningkatan ukuran ringan setelah pelapisan BSA. TEM mengonfirmasi morfologi berbentuk batang dengan ujung sedikit membulat (Fig. 2). Semua dimensi tetap di bawah 100 nm, yang mendukung penetrasi tumor.

Efek Fototermal In Vitro

AuNR@BSA (OD ≈ 1) mencapai kenaikan suhu dari ~25 °C hingga 80 °C dalam 5 menit di bawah 0,35 W cm⁻², kemudian plat (Fig. 3A). Suhu berekskalasi linier dengan daya laser (Fig. 3B). Peningkatan OD lebih lanjut meningkatkan suhu puncak. Stabilitas fototermal dikonfirmasi selama tiga siklus iradiasi 10 menit pada 0,5 W cm⁻² (Fig. 3D). Gambar termal menunjukkan suhu puncak 85,5 °C untuk AuNRs versus 44,5 °C untuk PBS (Fig. 3E). Hasil ini menggarisbawahi konversi fototermal dan stabilitas yang unggul dari nanorods yang dilapisi BSA dalam rentang NIR-II.

Sitotoksisitas dan Toksisitas Fototermal In Vitro

AuNR@CTAB menunjukkan sitotoksisitas yang signifikan bahkan pada konsentrasi rendah (OD ≈ 0,05), sedangkan AuNR@BSA mempertahankan >80 % keberadaan sel hingga OD ≈ 1 (Fig. 4A). Pengobatan fototermal (0,75 W cm⁻², 10 menit) mengurangi keberadaan sel 4T1 menjadi ~20 % pada OD ≈ 1, sementara sel kontrol tetap ~100 % hidup (Fig. 4B). Dengan demikian, pelapisan BSA mempertahankan biokompatibilitas sambil memungkinkan pembijakan fototermal yang efektif.

Distribusi Biologis dan Sirkulasi In Vivo

AuNR@BSA menunjukkan setengah hayat ~1,5 jam dalam sirkulasi (Fig. 5A). Setelah 24 jam, akumulasi terutama terlihat di hati dan limpa, konsisten dengan pengambilan sistem endotel retikuloendotel (Fig. 5B). Temuan ini menunjukkan potensi untuk aplikasi targeting hati-limpa.

Pengobatan Fototermal In Vivo

Injeksi intratumoral AuNR@BSA diikuti oleh iradiasi 1064 nm (0,75 W cm⁻², 10 menit) meningkatkan suhu tumor menjadi ~64 °C, sementara kelompok kontrol tetap dekat suhu tubuh (Fig. 6D). Selama 14 hari, kelompok AuNR@BSA + laser menunjukkan ablasi tumor lengkap tanpa pertumbuhan ulang; tumor dalam kelompok kontrol berkembang pesat (Fig. 6A, B). Analisis pasca-mortem mengonfirmasi kehilangan jaringan tumor (Fig. 6C). TEM tumor yang diobati mengungkapkan AuNRs yang utuh, mengesahkan stabilitas foto in vivo (Fig. 7).

Kesimpulan

Kami telah sintesis nanorods emas yang dilapisi BSA dengan puncak SPR 1064 nm, menggabungkan efisiensi fototermal tinggi dengan biokompatibilitas yang ditingkatkan. Studi in vivo menunjukkan ablasi tumor cepat dalam model tikus kanker payudara menggunakan iradiasi laser NIR-II dengan dosis rendah. Nanorods menunjukkan distribusi biologis yang menguntungkan, dengan penyerapan hati dan limpa yang signifikan, dan mempertahankan stabilitas foto dalam mikroenvironment tumor. Sifat-sifat ini memosisikan AuNR@BSA sebagai platform yang menjanjikan untuk terapi fototermal NIR-II, potensialmente dalam kombinasi dengan imunoterapi atau kemoterapi untuk pengobatan kanker yang dipersonalisasi, aman, dan efektif.

Ketersediaan Data dan Bahan

Dataset yang mendasari studi ini tersedia dari penulis yang bertanggung jawab atas permintaan yang wajar. Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini termasuk dalam artikel yang diterbitkan ini.

Kinerja Fotovoltaik Heterojuntung Vertikal GaSe/MoSe₂: Wawasan dari Semikonduktor 2-D Nanopartikel FePO4: Penghantar Biokompatibel untuk Pengiriman Doxorubicin, Stabilisasi RNA, dan Aktivitas Antikanker yang Ditingkatkan

bahan nano