Aplikasi Biomedis Nanocluster Emas: Kemajuan Terkini dan Arah Masa Depan

Latar Belakang

Nanomaterial sedang mengubah penelitian biomedis dengan menawarkan kontrol yang tidak pernah ada sebelumnya atas ukuran, bentuk, dan kimia permukaan [1–10]. Dibandingkan dengan mitra bulk, AuNCs—yang terdiri dari beberapa hingga beberapa ratus atom emas—menampilkan tanda optik unik, termasuk fluoresen cerah di seluruh jendela terlihat hingga inframerah dekat (NIR), umur panjang, dan pergeseran Stok yang besar [35–37]. Atribut ini, dikombinasikan dengan fungsionalisasi permukaan yang mudah, memposisikan AuNCs sebagai alternatif yang superior terhadap warna organik dan titik kuantum semikonduktor untuk citraan sel, sensoring molekular, dan terapi fotodinamis [41–49]. Tahun-tahun terakhir telah melihat eksplosi penjelajahan AuNCs yang dikonjugasi dengan ligan yang beragam, memungkinkan properti fisikokimia yang disesuaikan dan kompatibilitas biologis yang ditingkatkan. Sementara beberapa tinjauan komprehensif telah mengatasi aplikasi analitik AuNCs [50–53], makalah ini berfokus pada utilitas biomedis mereka dan desain strategis arsitektur ligan yang menggerakkan performa dalam citraan, deteksi, dan terapi.

Kami memeriksa tiga kelas ligan—molekul kecil, polimer, dan biomakromol—yang kimia yang berbeda memberikan AuNCs dengan kemampuan targeting yang spesifik, hasil kuantum yang ditingkatkan, dan multifungsi. Tantangan dan peluang masa depan yang muncul dari studi ini diringkas dalam bagian kesimpulan.

AuNCs yang Dikonjugasi Molekul Kecil

Ligan molekul kecil adalah pilihan paling umum untuk sintesis AuNCs karena mereka menyediakan kontrol yang presisi atas ukuran dan kimia permukaan. Misalnya, AuNCs yang dilapisi D-penisilamina (DPA) (DPA-AuNCs) sangat cerah, larut dalam air, dan mudah diserap oleh sel HeLa, yang memungkinkan citraan konfokal dua foton setelah hanya 2 jam inkubasi [54,55]. Rekonstruksi 3-D yang dihasilkan menunjukkan distribusi seluler yang seragam dan fotostabilitas tinggi (Gambar 1).

a Citra konfokal sel HeLa setelah 2 jam inkubasi dengan DPA-AuNCs (hijau). b Rekonstruksi 3-D yang menunjukkan internalisasi yang seragam [55].

AuNCs yang dicap asam dihidrolipoik (DHLA) (DHLA-AuNCs) adalah nanoprobe pertama yang memungkinkan citraan umur fluoresen (FLIM) dalam sel hidup. Sementara sel HeLa yang tidak dirawat menunjukkan umur pendek (1,5–4 ns), DHLA-AuNCs memberikan umur panjang (500–800 ns), yang memfasilitasi pemetaan subseluler berbasis FLIM (Gambar 2) [56].

Citra intensitas (a, c) dan FLIM (b, d) sel HeLa sebelum (a, b) dan setelah (c, d) inkubasi DHLA-AuNCs. Skala bar = 10 µm [56].

Biosintesis AuNCs yang bergantung pada garis sel juga telah dimostrasikan: sel HepG2 dan K562 secara spontan mengonversi kloroaurat menjadi AuNCs, sedangkan sel L02 yang tidak kanker tidak, yang menunjukkan strategi citraan selektif tumor yang potensial [57]. AuNCs yang di-stabilisasi tripsin (try-AuNCs) menunjukkan emisi NIR dan dapat bertindak secara bersamaan sebagai sensor energi transfer yang diperkuat plasmon permukaan (SPEET) untuk heparin dan sebagai probe citraan target asam folik untuk sel kanker (Gambar 3) [58].

try-AuNCs: biosensor NIR dual-fungsi dan bioprobe citraan kanker in vivo [58].

Kimia ligan lebih memperluas kemampuan sensing. AuNCs yang membawa dopakinon dapat kompleks ion Fe³⁺, yang mengarah pada agregat >500 nm dan quenches fluoresen yang mencolok, yang memungkinkan deteksi Fe³⁺ dalam media air [61]. AuNCs yang membawa asam 11-merkaptoundekanoat (MUA) (MUA-AuNCs) membentuk kompleks stabil dengan Hg²⁺ dan bitiol, yang menyediakan sensing selektif berbasis fluoresen untuk merkuri dan tiol terkait [64–65]. AuNCs yang di-stabilisasi vancomisin (Van-AuNCs) diterapkan untuk memantau Fe³⁺ dalam berbagai sampel air, yang menunjukkan relevansi lingkungan [66]. AuNCs yang difungsikan chitosan (AuNCs@Chi) berfungsi sebagai sensor sulfida hidrogen berbasis FRET, yang memanfaatkan peran H₂S dalam vasodilasi dan transmisi sinaraf [67].

AuNCs yang dicap glutation (GSH) (GSH-AuNCs) telah dirancang untuk deteksi cepat dan selektif lisin dan sistein dengan fotostabilitas tinggi [73]. Assembly FRET menggunakan GSH-AuNCs mencapai sensing sistein ultra-sensitif, yang potensial membantu diagnosis gangguan terkait sistein [74]. AuNCs yang dicetak kreatin, yang mengeksploitasi protein kaya sistein, mendeteksi Hg²⁺ melalui probe carbon-dot/kluster emas dual-emisi dengan respons rasio [76]. AuNCs yang dicap sikloeksdrin secara selektif merasakan ion Co²⁺, dengan pengambilan sel terkonfirmasi in vitro [77].

Terbaru, GSH-AuNCs ultra-kecil telah dikembangkan sebagai radiosensitizer yang dapat dimetabolisme. Ukuran kecil mereka (~2 nm) dan attenuasi X-ray tinggi memungkinkan radioterapi yang ditingkatkan melalui interaksi fotoelektrik dan Compton, sementara lapisan GSH memastikan akumulasi tumor melalui efek EPR dan klarifikasi ginjal setelah pengobatan, meminimalkan toksisitas off-target [78].

AuNCs yang Dikonjugasi Polimer

Ligan polimer memberikan fungsionalitas tambahan pada AuNCs, termasuk stabilitas koloid yang ditingkatkan, muatan permukaan yang dapat disesuaikan, dan kompatibilitas biologis. AuNCs yang dicap poli(asam metakrilat) yang diakhiri thioeter multidentat (PTMP-PMAA) menunjukkan fotostabilitas eksepsional dan secara selektif melabeli sel mononukle darah tali pusat (CBMCs) versus sel leukemia K562, yang mencerminkan pengambilan yang berbeda (Gambar 5) [79–80]. Internalisasi selektif ini menekankan potensi AuNCs yang dilapisi polimer untuk citraan dan pengiriman obat hematopoetik yang ditargetkan.

Pelabelan sel normal (CBMCs) dan kanker (K562) dengan PTMP-PMAA-AuNCs versus titik kuantum [79].

Aldek et al. memperkenalkan AuNCs yang difungsikan PEG dan zwitterion melalui ligan bidentat asam lipoik, yang menunjukkan stabilitas pH yang kuat dan toleransi garam—atribut kunci untuk citraan dan sensing biologis [82]. Chen et al. merancang kopolimamfifil responsif pH (PDNH) yang mengenkapsulasi AuNCs, menghasilkan komplek nano (L-AuNCs/FA-PDNH) yang menggabungkan citraan kanker yang overexpression reseptor folat dengan pengiriman paklitaksel (Gambar 6) [88].

Pembuatan komplek nano L-AuNCs/FA-PDNH untuk citraan dan terapi paklitaksel dual [88].

AuNCs yang di-stabilisasi polietilenimina (PEI) (PEI-AuNCs) memberikan muatan permukaan kationik, yang memfasilitasi pengiriman gen dan fluoresen merah yang kuat dalam sel HepG2, yang menawarkan platform dual citraan/terapeutik [89]. FA-Ova-AuNCs, yang dirakit melalui linker N-akriloksisuisinimid, secara selektif staining sel HeLa yang positif reseptor folat, mengonfirmasi penyerapan yang dimediasi reseptor [90].

Skema sintesis FA-Ova-AuNCs dan citraan sel HeLa [90].

Kluster Au(I) yang sangat fosforesens yang tersemat dalam film polimer berpori makro menyediakan sensor warna sianida, yang dapat mendeteksi CN⁻ dalam sampel makanan dan lingkungan dengan selektivitas dan biaya efektif yang tinggi—kritis untuk pemantauan kesehatan publik [91–93].

AuNCs yang Dikonjugasi Biomakromol

Ligan biomakromol, kaya akan grup tiol, menawarkan kompatibilitas biologis dan pengenalan spesifik. AuNCs yang difungsikan transferrin (Tf) yang digabungkan dengan oksida grafit (Tf-AuNCs/GO) membentuk probe NIR turn-on yang secara selektif melangsingkan sel HeLa yang overexpression reseptor Tf sambil menyelamatkan fibroblast 3T3 normal (Gambar 8) [94]. Pengambilan selektif ini menunjukkan potensi probe untuk citraan target kanker yang didorong metabolisme besi.

Probe Tf-AuNCs/GO untuk citraan sel HeLa positif TfR setelah 4 jam inkubasi [94].

AuNCs yang dicetak DNA menawarkan sintesis hijau cepat (2 menit) yang menghasilkan nanocluster luminescens yang intensitasnya bertaraf linier dengan konsentrasi DNA, yang memungkinkan kuantifikasi DNA real-time dalam sel HeLa dan A549 [95]. Toksisitas rendah probe dan emisi yang dapat disesuaikan di seluruh empat basis DNA menyediakan platform serbaguna untuk analisis asam nukleat.

Nguyen et al. membangun kompleks nano AuNCs/grafit dual-ligan yang bertindak sebagai probe "turn-on" untuk protein matriks metalloproteinase-9 (MMP-9). Peptid yang membawa situs pemotongan MMP-9 berfungsi sebagai stabilizer dan ligan target, mencapai batas deteksi 0,15 nM dan citraan selektif MMP-9 yang terserap dari sel MCF-7 [97].

Song et al. mengembangkan assay protein kinas bebas label, fluoresen hijau, dengan mengeksploitasi agregasi yang diinduksi Zr dari kompleks peptid AuNCs fosforilasi, yang menawarkan sensivitas tinggi dan alur kerja eksperimen yang disederhanakan untuk pengukuran aktivitas CK2 [98].

Selvaprakash et al. memanfaatkan protein putih telur ayam murah (AuNCs@ew) untuk menghasilkan probe fluoresen untuk deteksi ATP dan PPi melalui sintesis satu tahap yang dibantu gelombang mikro. AuNCs@ovalbumin yang dihasilkan mendominasi respons optik, yang memungkinkan sensing fosfat cepat dan hemat biaya dalam matriks biologis dan lingkungan [99].

Wu et al. sintesis BSA/GSH-AuNCs dengan eksitasi pada 330 nm dan emisi pada 650 nm, yang menunjukkan quenching NO₂⁻ yang efisien pada pH 3,0 sambil mempertahankan toleransi garam tinggi—ideal untuk analisis sampel kompleks [100]. Studi serentak mengungkapkan bahwa AuNCs yang dilapisi BSA mengalami perubahan konformasi yang dapat diubah pada perpindahan pH, yang memberikan wawasan tentang interaksi ligan-nanocluster [101].

Ghosh et al. menyelidiki dampak AuNCs terhadap aktivitas α-kimotripsin, menemukan bahwa binding AuNC menginaktivasi enzim, tetapi GSH atau GSH oksidasi dapat secara parsial memulihkan aktivitas—observasi yang dapat menginformasi modulasi enzim target dalam sel kanker dengan tingkat glutation yang meningkat [102].

Terakhir, citraan bedah yang diimbau fluoresen telah maju dengan AuNCs yang dikonjugasi dengan asam diatrizoik dan aptamer AS1411, yang memungkinkan citraan CT/NIR dual dan penguraian tumor intra-operatif dalam model tikus CL1-5. Fotostabilitas tinggi dan targeting spesifik tumor dari probe ini menyediakan platform yang menjanjikan untuk panduan bedah real-time [103].

Kesimpulan

Ringkasnya, literatur yang ditinjau menekankan serbaguna AuNCs sebagai probe fluoresen di seluruh domain citraan, sensing, dan terapi. Tantangan utama tetap ada: (1) mencapai hasil kuantum di atas 20 % untuk mengaktifkan citraan multi-plex; (2) memastikan keseragaman ukuran untuk menyempitkan bandwidth emisi; dan (3) mengontrol dengan tepat kimia cangkang ligan untuk menyesuaikan reaktivitas permukaan dan distribusi biodari. Mengatasi hambatan ini melalui desain ligan rasional, sintesis throughput tinggi, dan studi mekanisme mendalam akan mempercepat terjemahan AuNCs ke diagnostik klinis dan medis personal.

Dengan upaya interdisipliner yang berkelanjutan, AuNCs siap menjadi dasar pietra sudut citraan biomedis generasi berikutnya dan terapi target.

Singkatan

AuNCs:

Nanocluster emas

BSA:

Albumin serum sapi

CBMC:

Sel mononukle darah tali pusat

CD:

Dikroisme sirkular

Chi:

Kitosan

ChT:

Kimotripsin

DHLA:

Asam dihidrolipoik

DPA:

D-penisilamina

DTT:

Ditiotreitol

FA:

Asam folik

FLIM:

Citraan umur fluoresen

FRET:

Transfer energi resonansi Förster

GSH:

Glutation

GST:

Glutation-S-transferase

MUA:

Asam 11-merkaptoundekanoat

Ova:

Ovalbumin

PCR:

Reaksi rantai polimerase

PDNH:

Poly(DBAM-kon-NASco-HEMA)

PEI:

Polietilenimina

PPi:

Pirofosfat

PTMP-PMAA:

Poli(asam metakrilat) yang diakhiri thioether multidentat

SPEET:

Transfer energi yang diperkuat plasmon permukaan

Tf:

Transferrin

Try:

Tripsin

VAN:

Vancomisin