Polypyrrol-beschichtete FePt-Nanopartikel: Eine multifunktionale Plattform für Photothermale Therapie und Photoakustische Bildgebung

Zusammenfassung

Eine neuartige Eisen-Platin (FePt)-Nanopartikel-Plattform, eingekapselt mit Polypyrrol (PPy), wurde entwickelt, um photothermale Therapie (PTT) und photoakustische Bildgebung (PAI) für die Krebsbehandlung zu kombinieren. Die PPy-beschichteten FePt (FePt@PPy) Nanopartikel zeigen ausgezeichnete Biokompatibilität, photothermale Stabilität und starke Nahinfrarot (NIR)-Absorption, was effiziente Tumorablation unter 808-nm-Laserbestrahlung und robuste PA-Signalgenerierung ermöglicht. In-vitro-Studien bestätigen potente Krebszellabtötung und klaren PA-Kontrast, was FePt@PPy als vielversprechenden multifunktionalen theranostischen Agenten positioniert.

Hintergrund

Photothermale Therapie hat sich als hochselektiver, minimalinvasiver Ansatz für Krebsablation etabliert, dank präziser räumlich-zeitlicher Kontrolle und begrenzter systemischer Toxizität [1,2]. Durch Umwandlung von NIR-Licht in Wärme bieten FePt-Nanopartikel eine überlegene photothermale Umwandlungseffizienz im Vergleich zu Gold-Gegenstücken und liefern dualen CT/MRT-Kontrast [5,6,7]. Eine Oberflächenfunktionalisierung bleibt jedoch essenziell, um wässrige Stabilität und Biokompatibilität zu verbessern. Polypyrrol, ein leitfähiges Polymer mit robuster NIR-Absorption, photothermischer Stabilität und Biokompatibilität, wurde erfolgreich in verschiedenen biomedizinischen Kontexten eingesetzt [11,12,13]. Diese Studie berichtet über die Synthese von PPy-beschichteten FePt (FePt@PPy) Nanopartikeln und evaluiert ihre Leistung für kombinierte PTT und PAI.

Methoden

Materialien

Alle Reagenzien, einschließlich Pt(acac)₂, Fe(CO)₅, 3-Mercaptopropionsäure (3-MPA), Pyrrol und andere, wurden von Sigma-Aldrich bezogen und ohne weitere Reinigung verwendet. Zellkultur-Reagenzien und -Medien stammten von HyClone. Destilliertes Wasser wurde für alle wässrigen Präparationen verwendet.

Synthese von FePt@PPy-Nanopartikeln

Die Fertigung umfasste drei aufeinanderfolgende Schritte:

1. Synthese hydrophober FePt-NPs: Pt(acac)₂, Fe(CO)₅, 1,2-Hexadecandiol, Oleylamin und Ölsäure wurden unter Argon bei 240 °C im Rückfluss erhitzt. Die resultierenden FePt-NPs wurden durch Zentrifugation gesammelt und mit Hexan gewaschen.
2. Ligandenaustausch für hydrophile FePt-NPs: 3-MPA wurde eingeführt, um Oleylamin/Ölsäure zu ersetzen, wodurch die Partikel wasserlöslich wurden. Die hydrophilen NPs wurden durch Zentrifugation isoliert und mit Cyclohexanon, Ethanol und Aceton gewaschen.
3. Polypyrrol-Beschichtung: Hydrophile FePt-NPs wurden in Wasser dispersiert, mit PVA stabilisiert und mit Pyrrol in Gegenwart von Ammoniumpersulfat polymerisiert. Nach 2 Stunden Polymerisation wurden die FePt@PPy-NPs zentrifugiert, mit heißem Wasser gewaschen und in PBS resuspendiert.

Charakterisierung

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zeigte einen Kerndurchmesser von 8,3 nm und eine PPy-Schalendicke von ~10 nm, was eine Gesamtgröße von 42 nm ergab. Energie-dispersive Röntgenspektroskopie bestätigte ein Fe:Pt-Verhältnis von 20:80. Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) bestätigte das Vorhandensein von PPy-Funktionsgruppen. UV-Vis-NIR-Spektren zeigten ein ausgeprägtes Absorptionsband über 700-900 nm, was starke NIR-Aktivität anzeigt.

Photothermale und Photostabilitätsprüfung

FePt@PPy-Lösungen (20-120 µg mL⁻¹) wurden mit einem 808-nm-Laser (1 W cm⁻², 6 min) bestrahlt. Temperaturanstiege reichten von 39 °C (20 µg mL⁻¹) bis 71 °C (120 µg mL⁻¹). Heiz-/Kühlzyklen (sechs Wiederholungen) zeigten vernachlässigbare Temperaturschwankungen und unveränderte UV-Vis-Spektren, was ausgezeichnete photothermale Stabilität bestätigt.

Langzeitlagerung

Bei 4 °C in PBS oder Zellkulturmedien gelagerte Nanopartikel behielten Größe (< 45 nm) und Absorptionseigenschaften über 30 Tage bei, was robuste kolloidale Stabilität anzeigt.

Zelluläre Zytotoxizität und Aufnahme

MTT-Assays an MDA-MB-231 Brustkrebszellen zeigten >95 % Vitalität selbst bei 120 µg mL⁻¹ FePt@PPy, während unbeschichtete FePt ~80 % Vitalität aufwiesen. Preußisch-Blau-Färbung bestätigte effiziente zelluläre Internalisierung.

In-vitro-Photothermale Therapie

Nach 24-stündiger Inkubation mit FePt@PPy (10-100 µg mL⁻¹) gefolgt von 808-nm-Bestrahlung (1 W cm⁻², 4-6 min) nahm die Zellvitalität dosis- und zeitabhängig ab. Bei 100 µg mL⁻¹ und 6 min Bestrahlung wurden ~70 % der Zellen abgetötet, was viele berichtete Systeme bei vergleichbaren Laserleistungen übertrifft.

In-vivo-Heizexperiment

Subkutane Injektion von 100 µL FePt@PPy (100 µg mL⁻¹) in eine Nacktmaus gefolgt von 808-nm-Bestrahlung (1 W cm⁻², 6 min) erhöhte die Hauttemperatur um ~19 °C, was den thermischen Effekt auf die Injektionsstelle lokalisiert.

In-vitro-Photoakustische Bildgebung

Phantomstudien mit 50-200 µg mL⁻¹ FePt@PPy demonstrierten klaren PA-Kontrast, der mit der Konzentration zunahm, was das Potenzial für bildgeführte Phototherapie unterstreicht.

Schlussfolgerungen

Polypyrrol-beschichtete FePt-Nanopartikel kombinieren hohe NIR-Absorption, robuste photothermale Umwandlung, ausgezeichnete Biokompatibilität und starke PA-Signalgenerierung. Ihre Leistung in vitro und in vivo unterstreicht ihr Versprechen als multifunktionale Agenten für kombinierte photothermale Therapie und photoakustische Bildgebung.