BSA-Coated Gold Nanorods untuk Terapi Fototermal NIR-II
Abstrak
Jendela inframerah dekat kedua dianggap sebagai jendela optik optimal untuk pencitraan medis dan terapi karena kemampuannya dalam penetrasi jaringan dalam. Persiapan nanorods emas dengan penyerapan panjang gelombang panjang dan sitotoksisitas rendah masih menjadi tantangan. Sebuah nanorods emas seri dengan rasio aspek besar telah disintesis. Penyerapan plasma yang kuat di jendela inframerah dekat kedua dari 1000 hingga 1300 nm dapat diamati. Biokompatibilitas nanorod emas yang disintesis secara dramatis ditingkatkan melalui pelapisan oleh bovine serum albumin (BSA), sementara sifat optiknya tetap ada. Tikus pembawa tumor kanker payudara dapat dirawat dengan baik oleh nanorod emas yang disiapkan dengan intensitas cahaya NIR-II serendah 0,75 W/cm
2
. Singkatnya, hasil ini menunjukkan kelayakan penggunaan dosis iluminasi rendah untuk mengobati tumor di wilayah NIR-II melalui nanopartikel gould rasio aspek besar.
Pengantar
Nanopartikel emas telah menarik minat luas dalam penelitian biomedis karena biokompatibilitasnya yang brilian dan sitotoksisitas yang rendah. Misalnya, nanopartikel emas dengan efisiensi redaman sinar-X yang tinggi ditemukan menjanjikan untuk diagnosis tumor berbasis computed tomography (CT) [1, 2]. Selain itu, nanopartikel emas menunjukkan sifat optik yang sangat baik yang dikenal sebagai efek resonansi plasmon permukaan (SPR). Nanopartikel emas dapat secara efisien mengubah energi foton menjadi energi panas untuk terapi kanker dengan adanya cahaya resonansi plasmon permukaan [3, 4]. Oleh karena itu, berbagai nanopartikel emas dengan ukuran dan morfologi yang dapat disesuaikan telah dikembangkan untuk ablasi fototermal tumor, misalnya nanorod emas, nanoshell emas, dan nanocage emas [5,6,7]. Secara khusus, nanorod emas (AuNR) dengan bentuk dan ukuran anisotropik yang dapat disesuaikan telah dipelajari secara luas karena stabilitas fototermalnya yang sangat baik, biokompatibilitas, dan penyerapan yang kuat di wilayah NIR [8]. Telah diketahui dengan baik bahwa cahaya inframerah-dekat dapat menembus ke dalam jaringan biologis lebih efektif daripada cahaya tampak, karena semakin panjang panjang gelombang cahaya, semakin rendah kehilangan hamburan cahaya [9]. Selain itu, nanopartikel berbentuk batang telah ditemukan dengan permeabilitas tumor yang meningkat secara dramatis dan waktu sirkulasi darah yang lebih lama, menghasilkan akumulasi tumor yang lebih tinggi [10, 11]. Namun, kelemahan signifikan untuk menerapkan nanorod emas untuk terapi fototermal (PTT) adalah iradiasi laser daya tinggi, yang akan menyebabkan kerusakan jaringan normal (paparan intensitas cahaya maksimum yang diijinkan) [12]. Telah terbukti bahwa PTT di jendela inframerah dekat kedua (NIR-II, 1000-1700 nm) memiliki kedalaman penetrasi jaringan yang jauh lebih besar daripada di NIR-I (700-1000 nm), karena hamburan cahaya yang jauh lebih rendah di NIR -II [13,14,15,16,17]. Oleh karena itu, platform nano PTT dalam NIR-II diharapkan dapat mencapai pengobatan PTT tumor yang lebih efektif dan memiliki potensi aplikasi klinis yang besar untuk terapi tumor yang lebih kompleks. Namun, persiapan nanorods emas dengan penyerapan panjang gelombang panjang dan sitotoksisitas rendah masih merupakan tantangan besar. Di sini, kami melaporkan sintesis nanorod emas dengan metode tanpa biji dengan puncak penyerapan di jendela kedua jendela inframerah-dekat (1000-1300 nm). Modifikasi permukaan diperkenalkan melalui pelapisan dengan BSA untuk mengurangi sitotoksisitas. Rasio aspek nanorod emas yang disiapkan (AuNR@BSA) dicirikan oleh mikroskop elektron transmisi (TEM) dan hamburan cahaya dinamis (DLS). Model tikus yang mengandung tumor kanker payudara digunakan untuk menguji efek terapi fototermal AuNR@BSA. Kami menemukan bahwa tumor dapat diobati dengan baik dengan intensitas cahaya serendah 0,75 w/cm
2
.
Bahan dan Metode
Materi
Emas klorida trihidrat (HAuCl4 ·3H2 O) (99,9%), Heksadesil trimetil amonium bromida (CTAB) (99%), Asam nitrat (GR, 65–68%), dan larutan Hidrogen peroksida (GR, 30%) diterima dari Shanghai Aladdin biologis technology Co. Ltd Natrium borohidrida (NaBH4 ) (97%) dan perak nitrat (AgNO3 ) (99,8%) diterima dari Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co. Ltd. Asam klorida (HCl) (38%) diterima dari Dongguan Dongjiang Chemical Reagent Co. Ltd. Hydroquinone (99%) diterima dari Energy Chemical. Albumin Serum Bovine (98%) diperoleh dari Sigma-Aldrich. Natrium hidroksida (AR,96%) diterima dari Greagent.
RPMI 1640 Medium dan Penicillin-Streptomycin dibeli dari HyClone. Larutan buffer fosfat (PBS) dibeli dari Corning. Pancreatin dibeli dari Coolaber. Fetal bovine serum (FBS) dibeli dari Gibco. Sel 4T1 disediakan oleh Pusat Penelitian untuk Optik Biomedis dan Pencitraan Molekuler di Institut Teknologi Lanjutan Shenzhen, Akademi Ilmu Pengetahuan China. Dojindo Chemical Technology (Shanghai) Co., Ltd menyediakan Cell Counting Kit-8 (CCK-8) untuk proliferasi sel dan uji toksisitas. Air ultra murni Millipore digunakan selama eksperimen.
Persiapan Nanopartikel AuNR@CTAB
Sintesis nanorod emas dilakukan sebagai berikut:0,4 mL HAuCl4 (aq) (10 mM) dan 10 mL CTAB(aq) (0,1 M) ditambahkan ke 23–33 µL AgNO3 (aq) (100 mM). Kemudian, 10–30 L HCl (1,2 M) dan 525 µL hidrokuinon berair (0,1 M) ditambahkan ke larutan pertumbuhan di bawah pencampuran yang lembut. Warna larutan pertumbuhan berubah dari jingga menjadi kuning sangat muda. Setelah 15 menit pengadukan, 10–40 µL NaBH dingin yang baru disiapkan4 (aq) (10 mM) larutan disuntikkan ke dalam larutan pertumbuhan. Campuran diaduk selama 30 detik dan didiamkan selama 18 jam pada suhu kamar. AuNR@CTAB kemudian dicuci dengan PBS dua kali.
Persiapan AuNR@BSA
Pertama, kami menambahkan CTAB dalam jumlah tertentu untuk menyesuaikan konsentrasinya dalam larutan AuNR@CTAB menjadi 1 mM, lalu ultrasound melarutkan CTAB sepenuhnya. 3 mL AuNR@CTAB secara perlahan ditambahkan ke 3 mL larutan BSA (10 mg/mL), dan larutan campuran disonikasi selama 30 mnt. Setelah sentrifugasi pada 9500xr selama 40 menit, supernatan diganti dengan larutan BSA 6 mL (5 mg/mL), kemudian pH diatur menjadi 11-12 dengan natrium hidroksida (2 M), diaduk selama minimal 18 menit. H. Setelah itu, AuNR@BSA yang telah disintesis disentrifugasi pada 9500×r selama 40 menit, kemudian dicuci dua kali dengan PBS, dan dilarutkan dalam PBS untuk digunakan lebih lanjut.
Karakterisasi AuNR@CTAB dan AuNR@BSA Nanoparticles
Analisis morfologi nanorods emas diperoleh oleh Beijing Zhongke Baice Co., Ltd. melalui mikroskop elektron Talos F200X untuk mendapatkan gambar TEM. Zetasizer Nano ZS (Malvern, UK) digunakan untuk mempelajari distribusi ukuran dan potensi zeta berbagai nanopartikel oleh DLS. Spektrum serapan UV–Vis ditentukan dengan Spektrofotometer Ultraviolet–Visible UV-2700 (SHIMADZU, Jepang).
Untuk karakterisasi morfologi AuNR@BSA di dalam tumor, 100 L AuNR@BSA (OD = 25 pada 1064 nm) disuntikkan ke lokasi tumor dengan penyinaran sekitar 10 menit, setelah itu tumor yang dirawat dikumpulkan. Tumor yang tidak diobati dikumpulkan sebagai kontrol. Tumor yang dikumpulkan diinkubasi dalam larutan glutaraldehid 2,5% (Coolaber.co., Beijing, Cina) untuk mikroskop elektron transmisi (Beijing Zhongke Baice Co., Ltd). Pola spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FT-IR) dan pola difraksi sinar-X (XRD) sampel AuNR diperoleh oleh Beijing Zhongke Baice Co., Ltd.
Pengukuran Kinerja Fototermal AuNR@CTAB dan AuNR@BSA
Solusi nanorod emas diencerkan ke OD yang berbeda pada 1064 nm (0,5, 1, 1,5, dan 2), dan PBS digunakan sebagai kontrol kosong. Nanorod emas (500 µL) disinari dengan laser 1064 nm (Haoliangtech, Shanghai, China) pada intensitas daya 0,35–1 W/cm
2
selama 30 mnt. Suhu direkam dengan pencitraan termal inframerah (FLUKE TI25).
Fotostabilitas AuNR@BSA
Untuk menguji fotostabilitas, spektrum serapan AuNR@BSA diukur sebagai fungsi dari waktu penyinaran. AuNR@BSA (OD = 1) disinari di bawah laser NIR (1064 nm, 0,5 b/cm
2
). Dari 0 hingga 10 menit, spektrum direkam setiap menit. Uji siklus fototermal juga dilakukan saat larutan AuNR@BSA (0,5 mL) disinari dengan setiap 10 mnt penyinaran laser aktif dan nonaktif (1064 nm, 0,5 W/cm
2
), dan perubahan suhu dicatat.
Budaya Seluler
Garis sel kanker payudara murine (sel 4T1) dikultur dalam RPMI 1640 yang mengandung 10% FBS dan 100 U/mL penisilin atau 100 µg/mL streptomisin. Lingkungan budidaya adalah 37 °C, dan kondisi pelembapan adalah 5% CO2 .
In Vitro Penilaian Sitotoksisitas Nanopartikel Emas
Uji CCK-8 digunakan untuk mengidentifikasi sitotoksisitas nanorod emas. Sel 4T1 diunggulkan ke dalam pelat 96 sumur (5 × 10
3
per sumur) dan diinkubasi selama 24 jam. Selanjutnya, 10 L berbagai konsentrasi AuNR@CTAB dan AuNR@BSA ditambahkan dan diinkubasi selama 24 jam. Setelah dicuci dengan PBS dua kali, 10 μl CCK-8 larutan ditambahkan ke setiap sumur dan diinkubasi selama 40 menit, diikuti dengan mengukur absorbansi pada 450 nm dengan pembaca pelat mikro.
Untuk fototoksisitas, sel 4T1 diunggulkan sebelumnya ke dalam pelat 96-sumur (5 × 10
3
per sumur) dan diinkubasi selama 24 jam, kemudian sel disinari dengan laser NIR (1064 nm, 0,75 W/cm
2
, 10 menit) dan diinkubasi lebih lanjut selama 24 jam. Setelah itu, 10 L larutan CCK-8 ditambahkan ke setiap sumur dan diinkubasi selama 40 menit lagi pada suhu 37 °C. Kemudian, pembaca pelat mikro digunakan untuk mendeteksi absorbansi setiap sumur pada 450 nm.
Model Tikus Bertumor
Semua tikus BALB/c dibeli dari Beijing Vital River Laboratory Animal Technology Co. Ltd. Semua prosedur percobaan hewan dilakukan mengikuti prosedur standar yang disetujui oleh Komite Teknologi Lanjut Institut Shenzhen dari Akademi Ilmu Pengetahuan China. Model tumor dibuat dengan menyuntikkan sel 4T1 secara subkutan (2 × 10
6
) ke punggung tikus. Penelitian pada hewan dilakukan ketika volume tumor mencapai sekitar 100 mm
3
.
Di Vivo Sirkulasi Darah dan Biodistribusi
Untuk pengukuran waktu sirkulasi, pertama, 200 L AuNR@BSA disuntikkan secara intravena ke vena ekor tikus BALB/c, dan kemudian 20 L darah dikumpulkan pada 0,25, 2, 4, 6, 8, 12, 36, dan 48 jam, dan diencerkan dengan 30 L PBS untuk mendapatkan 50 L sampel darah. Sekitar 400 μL HNO pekat3 (tingkat kromatografi) ditambahkan, tutupnya dikencangkan dan dicerna pada 90 °C selama 2 jam. Setelah didinginkan hingga suhu kamar, 150 μL H2 O2 (gradasi kromatografi) diteteskan secara perlahan, lalu dipanaskan hingga 90 °C selama 1 jam tanpa penutup. Pada akhirnya, larutan diencerkan menjadi 5 mL dengan air ultra murni. Konsentrasi ion Au diukur dengan Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES) setelah melewati filter jarum suntik nilon 0,44 mm.
Untuk ukuran biodistribusi, sekitar 200 L AuNR@BSA disuntikkan secara intravena ke dalam vena ekor tikus BALB/c. Setelah 24 jam, tikus dibunuh dan jantung, hati, limpa, paru-paru, dan ginjal diambil dan dikeringkan dalam oven pada suhu 80 °C. Sebelum pencernaan, masing-masing organ ditimbang, 800 L HNO pekat3 (GR) ditambahkan, dan dipanaskan hingga 90 °C selama 2 jam. Setelah didinginkan hingga suhu kamar, 200 L H2 O2 (GR) perlahan-lahan ditambahkan tetes demi tetes, dipanaskan pada suhu 90 °C selama 1 jam, kemudian larutan diencerkan hingga 10 mL dengan air ultra murni. Terakhir, konsentrasi ion Au diukur dengan ICP-OES setelah melewati filter jarum suntik nilon 0,44 mm.
Efisiensi Pengolahan Fototermal
Untuk mengevaluasi efek terapi termal AuNR@BSA, tikus pembawa tumor dengan tumor 4T1 dibagi secara acak menjadi empat kelompok dengan volume tumor sekitar 100 mm
3
:(1) AuNR@BSA, (2) AuNR@BSA + Laser; (3) Hanya Laser (4) Kontrol kosong. Sebuah imager termal inframerah digunakan untuk merekam citra termal inframerah dari situs tumor. Volume tumor dan berat badan tikus dicatat masing-masing sebelum dan sesudah pengobatan. Volume tumor dapat dihitung menurut persamaan normal (volume = lebar
2
× panjang/2). Dua minggu kemudian, tikus dibunuh, dan tumor diisolasi.
Analisis Data
Software statistik SPSS 16.0 digunakan untuk analisis data. Data pengukuran dinyatakan sebagai mean ± d, perbandingan antar kelompok dilakukan dengan analisis varians, dan perbandingan data hitung dilakukan dengan uji Chi-square. P < 0,05 dianggap signifikan secara statistik.
Hasil dan Diskusi
Sintesis dan Karakterisasi AuNR@CTAB
Ditemukan bahwa nanorods emas yang lebih kecil, farmakokinetik yang lebih baik dan sitotoksisitas yang lebih rendah [18]. Namun, puncak serapan SPR nanorod emas sangat terkait dengan rasio aspek, semakin besar rasio aspek semakin rendah energi puncak SPR. Untuk mensintesis AuNR dengan aspek rasio yang besar dengan tetap mempertahankan ukuran yang sekecil mungkin, parameter sintesis yang dioptimalkan seperti konsentrasi surfaktan, pH larutan pertumbuhan, dan konsentrasi zat pereduksi. NaBH4 (aq) adalah sejenis reduktor kuat yang membentuk nukleus Au melalui ledakan nukleasi LaMer, diikuti oleh perlekatan acak cepat ion Au dan pematangan intra-partikel [19]. Sebagai jumlah mol NaBH4 meningkat, puncak serapan maksimum nanorod emas mengalami pergeseran biru dari 1223 menjadi 865 nm (Gbr. 1C). PH larutan pertumbuhan juga merupakan parameter kunci untuk mengontrol pertumbuhan nanorods emas, dengan disesuaikan melalui jumlah asam klorida [20]. Puncak penyerapan maksimum nanorod emas ditemukan secara bertahap bergeser merah dari 871 menjadi 1070 nm sambil meningkatkan jumlah asam klorida (Gbr. 1D). Selanjutnya, Ag
+
dianggap dapat mengontrol arah pertumbuhan nanorod emas, dan semakin rendah Ag
+
konsentrasi panjang gelombang penyerapan yang lebih panjang dari puncak SPR dapat direalisasikan (Gbr. 1E). Pada akhirnya, nanorod emas yang disintesis berwarna merah anggur, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1B. Oleh karena itu, dengan mempertimbangkan efisiensi sintesis nanorod emas dan ketersediaan sumber cahaya laser, kami memilih nanorod emas dengan puncak penyerapan maksimum pada 1064 nm untuk pengobatan tumor secara fototermal.
Sifat foto AuNR@CTAB pada kondisi sintesis yang berbeda. a Persiapan AuNR@CTAB. b Gambar nanorod emas berlapis CTAB (AuNR@CTAB), c Spektrum UV–vis dari AuNR@CTAB yang disiapkan dengan NaBH yang bervariasi4 konsentrasi, d Spektrum UV–vis dari AuNR@CTAB yang disiapkan dengan konsentrasi HCl yang bervariasi e Spektrum UV–vis dari AuNR@CTAB yang disiapkan dengan AgNO3 . yang bervariasi konsentrasi
Sintesis dan Karakterisasi AuNR@BSA
Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) adalah senyawa yang paling banyak digunakan untuk sintesis nanorod emas dengan panjang dan rasio aspek yang tepat. Namun, CTAB memiliki sitotoksisitas yang signifikan ketika konsentrasinya lebih tinggi dari 1–10 μM. Penerapan nanorods emas berlapis CTAB (AuNR@CTAB) dalam biomedis telah sangat dibatasi [21]. Selanjutnya, stabilitas koloid nanorod emas berlapis CTAB dalam larutan berair secara dramatis dipengaruhi oleh suhu, yang mudah dikristalkan pada suhu rendah [22]. Mengingat pengurangan sitotoksisitas CTAB dan meningkatkan stabilitasnya, beberapa pendekatan telah diusulkan untuk menggantikan CTAB selama proses sintesis nanorod emas atau untuk memfungsikan nanorod emas berlapis CTAB. Menggunakan polimer, peptida, surfaktan, dan lipid untuk memodifikasi permukaan nanopartikel, sebagian besar strategi ini menggunakan molekul tiolasi atau gaya interaksi elektrostatik untuk mengikat permukaan emas [23]. Protein adalah pilihan yang paling menjanjikan sebagai keunggulan stabilitas koloid, biokompatibilitas, dan fungsionalisasi lebih lanjut. [26]
Nanorod emas yang dibungkus CTAB dan BSA digambarkan pada Gambar. 2A. Puncak penyerapan maksimum AuNR@BSA adalah sekitar 1064 nm, yaitu sekitar 30 nm bergeser merah dibandingkan dengan AuNR@CTAB (Gbr. 2B). Potensi zeta dari nanorod emas berubah dari positif ke negatif melalui penggantian lapisan CTAB ke BSA (File tambahan 1:Gbr. S1). Dari spektrum FTIR AuNR@BSA dan AuNR@CTAB (File tambahan 1:Gbr. S2), kami dapat menemukan bahwa dua puncak karakteristik pada 1649 cm
−1
dan 1539 cm
−1
dalam kasus AuNR@BSA, yang dikaitkan dengan pita vibrasi amida I dan amida II dari BSA. Hamburan cahaya dinamis (DLS) juga diterapkan untuk menganalisis ukuran hidrodinamik AuNR@CTAB dan AuNR@BSA; Selanjutnya, morfologi AuNR@BSA dan AuNR@CTAB dikarakterisasi dengan mikroskop elektron transmisi (TEM) seperti ditunjukkan pada Gambar. 2C, D. Dua puncak dapat ditemukan dengan jelas dari pengukuran intensitas hamburan DLS, satu dengan ukuran hidrodinamik sekitar 3,10 ( ± 0.85) nm dan yang lainnya sekitar 57.45 (± 24.22) nm untuk AuNR@CTAB. Namun, dalam kasus AuNR@BSA, puncak bergeser ke 8,64 (± 3,80) nm dan 89,24 (± 42,24) nm. Kita dapat menemukan bahwa bentuk AuNR tetap sama setelah dilapisi dengan BSA, kecuali ujungnya menjadi sedikit membulat (Gbr. 2C, D). Untuk aplikasi terapi in vivo, ukuran kritis nanopartikel dibatasi hingga di bawah 100 nm [25]. Di luar ukuran ini, kemampuan nanopartikel untuk menembus tumor akan terbatas; oleh karena itu, nanorod emas yang disajikan akan menjadi kandidat terapi tumor yang ideal [24]. Seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar. S3, puncak karakteristik Au dapat diamati dengan jelas dalam pola XRD, dari bidang (111), (200), (220) dan (311) nanopartikel Au.
Karakterisasi AuNR@BSA dan AuNR@CTAB. a Persiapan AuNR@BSA. b Spektrum UV–Vis dari AuNR@CTAB (L) dan AuNR@BSA (R). c Pengukuran intensitas DLS AuNR@CTAB dan AuNR@BSA. d Gambar TEM dari AuNR@CTAB dan AuNR@BSA
In Vitro Efek Fototermal Nanorod Emas
Laser dioda 1064 nm sebagai sumber cahaya NIR-II yang paling ekonomis dianggap sebagai panjang gelombang optimal untuk terapi fototermal. Oleh karena itu, nanoplatform emas NIR-II yang ideal untuk terapi fototermal yang efisien dianggap dicirikan sebagai penyerapan SPR yang kuat pada 1064 nm, efisiensi fototermal yang tinggi, dan stabilitas fototermal yang sangat baik. Untuk menyelidiki efek fototermal dari AuNR@BSA yang disiapkan, PBS dan OD berbeda (= 0,5, 1, 1,5, 2) dari AuNR@BSA dieksitasi pada 1064 nm dengan intensitas cahaya dari 0,35 hingga 1 W/cm
2
selama 30 mnt. Pencitra suhu digunakan untuk merekam perubahan suhu setiap 5 menit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3A. Efek fototermal AuNR@BSA dan AuNR@CTAB dengan absorbansi yang sama (OD = 1) secara signifikan lebih tinggi daripada PBS. Kami dapat menemukan bahwa suhu naik dengan cepat dalam 5 menit pertama dan kemudian tetap pada sekitar 80 °C selama sisa waktu, seperti yang diilustrasikan Gambar 3A. Peningkatan suhu yang diinduksi fototermal untuk PBS sebagian besar disebabkan oleh penyerapan air yang berlebihan pada 1064 nm. Suhu maksimum sebagai fungsi intensitas cahaya diilustrasikan pada Gambar 3B. Ditemukan bahwa suhu termal yang diinduksi foto dari AuNR@CTAB dan AuNR@BSA pada absorbansi sekitar 1 sebanding dengan intensitas cahaya. Peningkatan suhu jauh lebih cepat untuk AuNR@CTAB dan AuNR@BSA daripada PBS karena intensitas laser semakin tinggi. Selain itu, Gambar 3C menunjukkan bahwa pada kondisi penyinaran yang sama (1064 nm, 0,75 W/cm
2
), suhu fototermal maksimum meningkat secara dramatis karena absorbansi kedua AuNR meningkat. Sifat fototermal AuNR yang dilapisi BSA sedikit lebih baik daripada yang dilapisi CTAB. Tidak ada perubahan signifikan pada suhu fototermal maksimum AuNR@BSA (OD = 1, 61,1 °C) dalam tiga siklus penyinaran (0,5 W/cm
2
, 10 mnt), yang menunjukkan stabilitas fototermal yang sangat baik dari AuNR@BSA yang disiapkan (Gbr. 3D). Gambar 3E menggambarkan gambar suhu fototermal AuNR@CTAB (OD = 1), AuNR@BSA (OD = 1) dan PBS di bawah penyinaran laser selama 10 mnt. Suhu maksimum PBS adalah 44,5 °C, sedangkan suhu maksimum AuNR mencapai 85,5 °C. Hasil di atas menunjukkan bahwa AuNR@BSA yang disintesis memiliki karakteristik penyerapan yang sesuai, efisiensi konversi fototermal, dan fotostabilitas dalam rentang NIR-II sebagai agen terapi fototermal yang sangat baik.
Evaluasi in vitro dari efek fototermal AuNR@BSA. a Suhu fototermal AuNR@BSA dan AuNR@CTAB sebagai fungsi waktu penyinaran laser (absorbansi SPR sekitar 1, 1064 nm, 1 W/cm
2
). b Peningkatan suhu yang dipicu NIR dari PBS, AuNR@CTAB (OD = 1), dan AuNR@BSA (OD = 1) sebagai fungsi dari intensitas penyinaran laser (1064 nm, 0,35 hingga 1 W/cm
2
). c Peningkatan suhu AuNR@BSA dan AuNR@CTAB yang dipicu NIR dengan absorbansi berbeda untuk penyinaran laser 10 mnt (1064 nm, 1 W/cm
2
). d Konversi fototermal AuNR@BSA (OD = 1) di bawah tiga siklus penyinaran (1064 nm, 0,5 W/cm
2
). e Gambar termal PBS, AuNR@CTAB (OD = 1), AuNR@BSA (OD = 1) di bawah penyinaran dengan laser NIR (1064 nm, 1 W/cm
2
) pada interval waktu 5 dan 10 mnt. (rata-rata ± SD, n = 3)
In Vitro Sitotoksisitas dan Toksisitas Fototermal Nanorod Emas
Analisis CCK-8 dilakukan untuk mengukur sitotoksisitas AuNR@CTAB dan AuNR@BSA pada sel 4T1 pada konsentrasi yang berbeda. Bahkan tanpa iradiasi laser, AuNR@CTAB sudah menunjukkan sitotoksisitas yang signifikan pada konsentrasi yang sangat rendah (absorbansi sekitar 0,05), oleh karena itu aplikasi biologisnya sangat dibatasi. Namun, AuNR@BSA menunjukkan prospek aplikasi biologis yang sangat baik, misalnya viabilitas sel masih dalam kisaran yang dapat diterima karena absorbansi AuNR@BSA mencapai sekitar 1 (Gbr. 4A). Didorong oleh stabilitas yang menjanjikan dan efisiensi konversi fototermal AuNR@BSA yang tinggi, toksisitas fototermal dilakukan pada sel tumor 4T1 in vitro dengan intensitas cahaya sekitar 0,75 W/cm
2
selama 10 mnt. Toksisitas fototermal yang signifikan ditemukan pada absorbansi sekitar 1 dengan tingkat kelangsungan hidup sel sekitar 20%; namun, sekitar 100% kelangsungan hidup sel ditemukan untuk eksperimen non-radiasi (Gbr. 4B, File tambahan 1:Gbr. S4). Hasil in vitro ini menunjukkan bahwa pengobatan fototermal AuNR@BSA di wilayah NIR-II dapat secara efektif membunuh sel kanker pada intensitas radiasi yang relatif.
Sitotoksisitas in vitro dan toksisitas fototermal nanorods emas. a Viabilitas sel dari sel 4T1 yang diinkubasi dengan berbagai konsentrasi AuNR@CTAB dan AuNR@BSA. b Viabilitas sel dari sel 4T1 yang diinkubasi dengan berbagai konsentrasi AuNR@BSA tanpa dan dengan iradiasi laser NIR (1064 nm, 0,75 W/cm
2
, 10 menit). (rata-rata ± SD, n = 3)
In Vivo Studi Biodistribusi
Waktu sirkulasi darah sangat penting untuk keberhasilan pengiriman obat berbasis nanopartikel [24]. Waktu sirkulasi darah AuNR@BSA dipantau oleh konsentrasi Au melalui ICP-OES dan ditemukan sekitar 1,5 jam (waktu paruh) (Gbr. 5A). Biodistribusi in vivo dari AuNR@BSA juga diukur dengan konsentrasi Au di organ yang berbeda (File tambahan 1:Gbr. S5). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5B, AuNR@BSA sangat terakumulasi di hati dan limpa setelah 24 jam injeksi intravena karena fagositosis yang kuat sebagai organ sistem retikuloendotelial (RES) [27, 28]. Hasil ini menunjukkan bahwa AuNR@BSA dapat terakumulasi secara efektif di hati dan limpa. AuNR@BSA memiliki aplikasi potensial pada penyakit hati dan limpa.
Biodistribusi AuNR@BSA dalam darah dan organ. a Konsentrasi Au dalam darah sebagai fungsi waktu melalui injeksi intravena AuNR@BSA. b Biodistribusi AuNR@BSA di berbagai organ
Di Vivo Perawatan Fototermal Inframerah Dekat dari Nanorods Emas
Performa fototermal AuNR@BSA yang luar biasa mendorong kami untuk mengejar terapi fototermal in vivo pada tikus BALB/c yang mengandung tumor. AuNR@BSA disuntikkan secara in situ ke dalam tumor, lalu, cahaya diperkenalkan untuk terapi fototermal 10 menit kemudian (1064 nm, 0,75 W/cm
2
). Variasi suhu in vivo dipantau oleh imager suhu termal. Perubahan suhu sebelum dan sesudah perlakuan digambarkan pada Gambar 6D. Suhu lokasi tumor sekitar 63,9 °C dalam 10 menit penyinaran dan mempertahankan sedikit fluktuasi pada suhu ini (Gbr. 6D). Sebaliknya, tidak ada perubahan suhu yang dapat diamati untuk kelompok kontrol dalam kondisi iradiasi yang sama (kelompok AuNR@BSA, kelompok PBS, kelompok laser). Setelah terapi fototermal, volume tumor dan berat badan tikus dipantau setiap dua hari selama 14 hari. Seperti yang disajikan pada Gambar. 6A, B, tumor kelompok AuNR@BSA_laser sepenuhnya dihambat dan dibiarkan sebagai koreng yang terbakar di lokasi lokasi tumor asli, sedangkan kelompok kontrol tumbuh relatif cepat dan tidak terkendali (kelompok AuNR@BSA, grup PBS, grup laser). Keropeng adalah kulit yang terbakar, yang secara langsung membuktikan bahwa proses PPT dapat menyebabkan panas lokal berlebih di lokasi tumor dengan menyuntikkan AuNR@BSA. Efek fototermal sangat efisien, karena kami mengamati bahwa tumor padat pada kelompok laser AuNR@BSA + berkurang dengan cepat dua hari setelah perawatan. Untuk lebih menangkap perubahan tumor setelah pengobatan, pada akhir pengamatan 14 hari, mencit dibunuh dan tumor diisolasi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6C, ukuran tumor dari kelompok perlakuan AuNR@BSA_laser benar-benar ditekan, sementara semua kelompok lain ditemukan pertumbuhannya tidak terkendali. Gambar tikus dari kelompok (AuNR@BSA + laser) menunjukkan bahwa tumor tidak terus tumbuh setelah 14 hari pengobatan (Gbr. 6E). Oleh karena itu, dengan mempertimbangkan kemampuan terapeutik yang ideal dan tidak adanya sitotoksisitas yang jelas, AuNR@BSA untuk terapi penyinaran laser jendela kedua inframerah-dekat adalah kandidat ideal untuk PTT yang dipicu oleh cahaya in vivo. Ini jelas menunjukkan bahwa hipertermia sederhana menggunakan terapi NR-II saat ini dapat secara efektif menghambat pertumbuhan tumor (File tambahan 1).
Pengobatan fototermal tikus bantalan tumor. a Volume tumor sebagai fungsi waktu dalam kondisi pengobatan yang berbeda. b Perubahan berat badan tikus yang mengandung tumor sebagai fungsi waktu, pasca perawatan. c Foto-foto jaringan tumor dalam kelompok yang berbeda setelah perawatan 14 hari. d Gambar termografi inframerah dari tikus pembawa tumor yang terpapar laser 1064 nm (0,75 W/cm
2
, 10 mnt) pada 10 mnt injeksi AuNR@BSA pasca intratumoral. e Gambar tikus dari kelompok AuNR@BSA_laser setelah perawatan. (rata-rata ± SD, n = 2)
Selain itu, TEM diambil untuk tumor yang diisolasi setelah perawatan fototermal dan tumor yang tidak diobati. AuNR dapat diamati pada jaringan tumor setelah perawatan fototermal. Ini memberikan bukti lebih lanjut bahwa nanorod emas masih memiliki fotostabilitas yang sangat baik di lingkungan jaringan tumor (Gbr. 7).
Mikrograf elektron transmisi AuNR@BSA dalam jaringan tumor a Tumor yang diobati. b Tumor yang tidak diobati
Kesimpulan
Di sini, kami mensintesis AuNR@BSA dengan penyerapan SPR maksimum di jendela inframerah dekat kedua untuk terapi fototermal, karena sifat fototermal dan biokompatibilitasnya yang luar biasa. Biokompatibilitas AuNR yang dilaporkan meningkat secara signifikan dengan melapisi albumin serum sapi, dan sifat fototermal tidak terpengaruh. 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.
Availability of data and materials
The data set used and/or analyzed in this study can be obtained from the corresponding author upon reasonable request. All data generated or analyzed during this study is included in this published article.
