Biomedizinische Anwendungen für Gold-Nanocluster:Jüngste Entwicklungen und Zukunftsperspektiven

Hintergrund

Neuere biomedizinische Anwendungen haben die bedeutende Rolle von Nanomaterialien in der Entwicklung der Nanowissenschaften und Nanotechnologie gezeigt [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. Im Vergleich zu Massenmaterialien haben Nanomaterialien einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften gezeigt, was sie zu vielversprechenden Bausteinen macht [11,12,13,14,15,16,17,18]. Unter den verschiedenen Nanomaterialien wurde eine bestimmte Art von Gold-Nanomaterialien, Gold-Nanocluster (AuNCs), mit Größen von bis zu Hunderten von Goldatomen aufgrund ihrer gut definierten Struktur, leichten Oberflächenmodifikation und hochstabilen optischen Eigenschaften in biomedizinischen Anwendungen umfassend untersucht [19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34]. Ohne eine ausgeprägte Oberflächenplasmonenresonanz haben AuNCs eine Fluoreszenz im breiten Bereich vom sichtbaren bis zum nahen Infrarot mit langer Lebensdauer und großer Stokes-Verschiebung gezeigt [35,36,37]. Für die Verwendung von AuNCs als Fluoreszenzsonden in biomedizinischen Anwendungen für die Bereiche Bildgebung, Detektion und Therapie wurden große Anstrengungen unternommen [38,39,40]. Im Vergleich zu organischen Fluorophoren und Quantenpunkten haben fluoreszierende AuNCs eine hohe Kompatibilität, überlegene Photostabilität und ausgezeichnete Wasserlöslichkeit für die Langzeitbildgebung, hochempfindliche Detektion und zielspezifische Behandlung gezeigt [41,42,43,44,45, 46,47,48,49]. Die intensive Entwicklung von AuNCs als Fluoreszenzsonden hat erhebliche Auswirkungen auf die Anwendungen der Bildgebung, Detektion und Therapie gehabt.

Die umfangreichen Entwicklungen von AuNCs in biomedizinischen Anwendungen wurden in den letzten Jahren erreicht. Mehrere herausragende Übersichtsarbeiten von AuNCs mit Blick auf analytische Anwendungen konzentrierten sich auf die Analyse von Medikamenten, Umweltschadstoffen und biologischen Proben [50,51,52,53]. In diesem Aufsatz haben wir die jüngsten Fortschritte bei der Verwendung von AuNCs, die mit drei Arten von Liganden konjugiert sind, darunter kleine Moleküle, Polymere und Biomakromoleküle, in Anwendungen für Bildgebung, Detektion und Therapie hervorgehoben. Relevante Herausforderungen und Zukunftsperspektiven von AuNCs für Grundlagenforschung und biomedizinische Anwendungen wurden auch in den „Schlussfolgerungen“ aufgezeigt.

Kleinmolekül-konjugierte AuNCs

Kleine Moleküle wurden häufig als Liganden zur Herstellung von AuNCs verwendet. Mit der Konjugation kleiner Moleküle auf den Oberflächen haben AuNCs unterschiedliche Funktionen für die Bildgebung und Detektion gezeigt. Mit Goldnanoclustern (DPA-AuNCs) konjugiertes d-Penicillamin besitzt beispielsweise ziemlich gute Eigenschaften wie geringe Größe, hohe kolloidale Stabilität und Helligkeit, die ihnen eine immense Perspektive als Fluoreszenzsonden verleiht und somit für die biologische Bildgebung verwendet werden kann. Humane Krebszellen (HeLa) wurden durch Internalisierung von DPA-AuNCs abgebildet. Dann, nach 2 h Inkubation von Krebszellen mit DPA-AuNCs, wurde ein konfokales Mikroskop verwendet, um die Zellen mit der Zwei-Photonen-Anregungstechnik abzubilden [54]. Als Referenz diente der Membranfarbstoff DiD, und die Emissionsintensitäten von DPA-AuNCs und DiD-Farbstoff wurden in grüner bzw. roter Farbe erfasst. Die helle Lumineszenz, die von den HeLa-Zellen aufgrund der Aufnahme von Nanopartikeln emittiert wird, ist in Abb. 1a dargestellt. Außerdem wurden für die 3D-Wiederherstellung verschiedene Bilder an verschiedenen z-Positionen aufgenommen, wie in Abb. 1b [55] gezeigt.

a Bild von HeLa-Zellen nach Inkubation mit DPA-AuNCs für 2 h durch konfokale Mikroskopie. b 3D-Bild mit internalisierten DPA-AuNCs im Querschnitt [55]. Die Farben der DPA-AuNCs und des Membranfarbstoffs DiD sind in Grün bzw. Rot dargestellt

Die Dihydroliponsäure (DHLA)-AuNCs wurden in HeLa-Zellen internalisiert, um erstmals die Anwendung der Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebung (FLIM) zu untersuchen. Hela-Zellen ohne DHLA-AuNCs zeigten Autofluoreszenz mit einer Lebensdauer zwischen 1,5 und 4 ns. Die Intensitäts- und Lebensdauerbilder von Hela-Zellen sind in Abb. 2a, b gezeigt. Nachdem Hela-Zellen jedoch 1 h lang DHLA-AuNCs ausgesetzt wurden, wiesen die Zellen eine ausgeprägte Lumineszenzemission auf, die eine lange Fluoreszenzlebensdauer von 500 bis 800 ns aufwies. Die Intensitäts- und FLIM-Bilder von Hela-Zellen mit DHLA-AuNCs sind in Abb. 2c, d gezeigt [56].

Intensität (a , c ) und FLIM (b , d ) nur Bilder von Hela-Zellen (a , b ) und Hela-Zellen, die 1 h lang mit DHLA-AuNCs inkubiert wurden (c , d ). Alle Maßstabsbalken sind 10 μm groß [56]

Wanget al. fanden heraus, dass, wenn kanzeröse Zelllinien wie HepG2 (menschliche Hepatokarzinom-Zelllinie), K562 (Leukämie-Zelllinie) mit Chlorgoldsäure (einer biokompatiblen molekularen Au(III)-Spezies) in mikromolaren Konzentrationen inkubiert wurden und AuNCs von diesen Zellen spontan biosynthetisiert werden Zeilen [57]. Das Phänomen trat jedoch nicht bei der nicht-krebsartigen Zelllinie L02 (menschliche embryonale Leberzellen) auf, die als Kontrollen verwendet wurde. Im Ergebnis kann das oben genannte Verfahren als neues Verfahren zur in-vivo-Selbst-Bio-Bildgebung von Tumoren unterstellt werden. Weitere Trypsin-stabilisierte Gold-Nanocluster (Try-AuNCs) mit Nahinfrarot-Fluoreszenz wurden von Liu et al. synthetisiert. für doppelte Zwecke; Eine der Anwendungen umfasst die Biosensorik von Heparin, die auf dem Oberflächenplasmonen-verstärkten Energietransfer (SPEET) basiert, und eine andere umfasst Folsäure (FA)-modifizierte Try-AuNCs für die In-vivo-Krebsfluoreszenzbildgebung (Abb. 3). Der SPEET-Modus und die In-vivo-Krebsbildgebung mit hoher Targeting-Fähigkeit von Try-AuNCs zeigten ein immenses Potenzial als multifunktionale Biomaterialien für biosensorische Biomoleküle [58].

Nahinfrarot-fluoreszierende Try-AuNCs als oberflächenplasmonenverstärkter Energietransfer-Biosensor und In-vivo-Krebsbildgebungs-Biosonde [58]

Von den o-chinonhaltigen Liganden ist bekannt, dass sie mit Eisen(III) (Fe ³⁺ )-Ionen [59, 60]. Daher wurden die AuNCs mit Dopachinon als Liganden von Ho et al. entwickelt und evaluiert. zur Erfassung von Fe ³⁺ basierend auf einem Mechanismus der Komplexbildung zwischen Fe ³⁺ Ionen und o-Chinon-Einheit von Dopachinon in Lösung. Die Studien ergaben, dass durch Aggregation von AuNCs in Gegenwart von Fe ³⁺ . ein großer Komplex mit Abmessungen von mehr als 500 nm gebildet wird Ionen. Somit können AuNCs zum Nachweis von Fe ³⁺ . verwendet werden Ionen in Wasser und anderen Flüssigkeiten [61].

Von sauren funktionellen Gruppen wird berichtet, dass sie einen stabilen Komplex mit Metallionen und Biothiolen bilden; in ähnlicher Weise wurde angenommen, dass 11-Mercaptoundecansäure-konjugierte Gold-Nanocluster (MUA-AuNCs) Hg ²⁺ . wahrnehmen Ionen in Lösungen und Bithiolen, die als eine der sensorischen Anwendungen von AuNCs angesehen werden können [62, 63]. Die Fluoreszenzintensität von MUA-AuNCs im Komplex mit Hg ²⁺ Ionen ist in Abb. 4 [64] dargestellt. Darüber hinaus ist der Komplex von Hg ²⁺ -Thiol soll stabiler sein als Hg ²⁺ -COOH-Komplex [65]. Daher wurde ein Komplex von MUA-AuNCs zum Nachweis von Bithiolen verwendet, der weiter als eine weitere Anwendung zur Erkennung von Metallionen in verschiedenen Lösungen angesehen werden kann [64].

a Fluoreszenzintensität von MUA-AuNCs in Abwesenheit von 170 μM Hg ²⁺ . b Agglomeration von Hg ²⁺ mit COOH-Gruppe von MUA-AuNCs in Gegenwart von 170 μM Hg ²⁺ . c Fluoreszenzintensität nach Zugabe von 10 mM Cystein zur Probe in B [64]

Die Vancomycin-stabilisierten Goldnanocluster (Van-AuNCs) wurden von Yu et al. zum Nachweis von Fe ³⁺ in Leitungswasser, Seewasser, Flusswasser und Meerwasser als eine seiner Anwendungen in der Umweltprobenanalyse [66]. Chitosan-funktionalisierte Gold-Nanocluster (AuNCs@Chi) wurden hergestellt und für die Verwendung als Nachweismaterial für Schwefelwasserstoff (H₂ S) unter Verwendung des Förster-Resonanz-Energie-Transfer-(FRET)-Mechanismus [67]. Der Grund für die Forscher, H₂ . nachzuweisen S ist, dass Schwefelwasserstoff an vielen biologischen Prozessen beteiligt ist, darunter Vasodilatation [68, 69], Entzündungshemmung [70, 71] und Neurotransmission [72].

Liuet al. legte einen Grundstein für die Synthese von Glutathion (GSH)-stabilisierten Goldnanoclustern (GSH-AuNCs) mit hoher Selektivität, schneller Reaktion und ausgezeichneter Photostabilität, die zum Nachweis und zur Detektion von Lysin und Cystein (Aminosäuren) genutzt wurden [73] . In jüngster Zeit wurde von Yu et al. unter Verwendung von Goldnanoclustern mit Glutathion (AuNCs@GSH). Die Anordnung erwies sich als hochselektiv für die Aminosäure Cystein, die in Zukunft zur Diagnose von Cystein-bedingten Erkrankungen eingesetzt werden könnte [74]. Die Cystein-reichen Protein-templatierten AuNCs wurden unter Verwendung von Silber(I)-Ionen hergestellt. Keratin ist ein Cystein-reiches Strukturprotein, das reichlich in Haaren, Wolle, Federn usw. vorkommt. Daher wurden auf Silberionen basierende keratintemplatierte AuNCs synthetisiert und auf ihre sensorische Anwendung von Quecksilberionen (Hg ²⁺ ) [75]. Basierend auf Dual-Emission Carbon Dots-Gold Nanoclustern (C-AuNCs), funktionalisiert mit Dithiothreitol (DTT), einem ratiometrischen Fluoreszenzsensor zum empfindlichen Nachweis von Quecksilberionen (Hg ²⁺⁾ in Wasserproben wurde kürzlich berichtet [76]. Die beiden oben genannten Anwendungen von AuNCs können für die Überwachung der Wasserqualität von großer Bedeutung sein. Mit Cyclodextrin versehene AuNCs wurden zum Nachweis von Kobalt-Ionen (Co ²⁺ ) und fluoreszenzbasiertes selektives und sensitives Co ²⁺ . anzeigen Ionensensorik. Während der Messung von Co ²⁺ . wurde auch eine zelluläre Internalisierung von AuNCs beobachtet Ionen [77].

Kürzlich wurden ultrakleine AuNCs, die mit biokompatiblen Oberflächenliganden von GSH konjugiert sind, als metabolisierbare und effiziente Radiosensibilisatoren für die Krebsbestrahlung synthetisiert [78]. Die ultrakleinen Nanokonstrukte von GSH-AuNCs haben attraktive Eigenschaften gezeigt, darunter eine starke Strahlentherapieverstärkung vom Au-Kern und eine gute Biokompatibilität von der Oberflächenbeschichtung GSH. Darüber hinaus wurden die GSH-AuNCs aufgrund der verbesserten verbesserten Permeabilität und Retentionswirkung bevorzugt im Tumor akkumuliert, was zu einer starken Verstärkung für die Krebsbestrahlung führt als die von viel größeren Goldnanopartikeln. Die verbesserte Strahlentherapie ist darauf zurückzuführen, dass die durch den photoelektrischen Effekt und die Compton-Streuung des Au₂₅ . verursachten DNA-Schäden Nanocluster. Die bemerkenswerte Verringerung des Volumens und des Gewichts des U14-Tumors wurde durch die Verwendung der GSH-AuNCs als Radiosensibilisator erreicht. Darüber hinaus können die GSH-AuNCs nach der Behandlung effizient von der Niere eliminiert werden, wodurch mögliche Nebenwirkungen aufgrund der Ansammlung von Au₂₅ . minimiert werden Nanocluster in den Tiermodellen.

Polymer-konjugierte AuNCs

Polymere haben sich auch als wichtige Liganden für die Herstellung von AuNCs in biomedizinischen Anwendungen erwiesen. AuNCs wurden beispielsweise durch Verkappen mit mehrzähnigen thioetherterminierten Poly(methacrylsäure)(PTMP-PMAA)-Liganden hergestellt, die sich als hoch photostabile Kandidaten erwiesen und zur Markierung der normalen (einkernige Nabelschnurblutzellen; CBMC) und hämatopoetischen Zellen verwendet wurden (K562-Krebszellen) (Abb. 5) [79]. Aus den Ergebnissen ging hervor, dass Krebszellen diese Moleküle in einem viel größeren Ausmaß aufgenommen haben als normale Zellen [80]. Es wurde berichtet [81], dass Goldnanopartikel für reifere Zellen wie Granulozyten und Lymphozyten, die Teil des hämatopoetischen Systems sind, leicht durchdringbar sind. In ähnlicher Weise können AuNCs auch bei der selektiven Markierung, Bildgebung und zielgerichteten Wirkstoffabgabe im hämatopoetischen System und verwandten Krebsarten wie chronischer myeloischer Leukämie eingesetzt werden.

Markierung von normalen und Krebszellen mit AuNCs und Quantenpunkten (QDs) [79]

Aldeeket al. entwarfen fluoreszierende Polyethylenglycol- und Zwitterionen-funktionalisierte Gold-Nanocluster unter Verwendung von zweizähnigen Liganden aus Liponsäure-Ankergruppen, die entweder mit einer kurzkettigen Poly(ethylenglycol)- oder einer Zwitterion-Gruppe verbunden waren [82]. Um die Rolle dieser Nanocluster in der Biologie zu bestimmen, wurden verschiedene Tests wie pH-abhängige Stabilität und Stabilität in Gegenwart von überschüssigem Salz durchgeführt. Die Hypothese des Autors zeigt, dass diese Tests für die Verwendung dieser AuNCs als fluoreszierende Plattformen für die Bildgebung und Sensorik in der Biologie von Bedeutung sind. In dem Bericht wird weiter beschrieben, dass verschiedene biologische Anomalien mit dem pH-Wert zusammenhängen und somit einen Hinweis auf das Fortschreiten mehrerer Krankheiten wie Krebsmetastasen, chronische Müdigkeit und Depressionen geben können [83, 84]. Von diesen Clustern wird auch angenommen, dass sie das physikalische Verhalten von Proteinen und Nukleinsäuren steuern [85,86,87]. Einer der zusätzlichen Vorteile dieser Cluster ist ihre Verwendung in der In-vivo-(Tiefgewebe-)Bildgebung. Chenet al. entwickelten ein pH-abhängiges amphiphiles Polymersystem mit lumineszierenden AuNCs, die sich als photostabil und biokompatibel in Form von Nanokompositen für diagnostische Aktivitäten erwiesen, die den Nachweis und die Therapie von Folat-überexprimierenden Krebszellen umfassen [88]. Lumineszierende AuNCs wurden mit amphiphilem Copolymer (Poly(DBAM-co-NASco-HEMA) (PDNH)) zurückgehalten, um L-nAuNCs/FA-modifiziertes PDNH (oder L-AuNCs/FA-PDNH)-Nanokomposit zu bilden. Darüber hinaus wurde der hydrophobe Wirkstoff Paclitaxel mit L-AuNCs/FA-PDNH aufgebaut und kann somit sowohl für die Bildgebung als auch für die Behandlung von Krebs verwendet werden (Abb. 6).

Herstellung von L-AuNCs/FA-PDNH-Nanokomposit für Bildgebung und Therapie [88]

Polykationen-funktionalisierte wasserlösliche Polyethylenimin-Gold-Nanocluster (PEI-AuNCs) wurden für geeignete und sichere Gentherapieanwendungen zusammen mit der Zellbildgebung entworfen und synthetisiert [89]. Aufgrund der faszinierenden optischen Eigenschaften von PEI-AuNCs werden diese Cluster als vielversprechender Kandidat für die Biobildgebung beschrieben, was durch die Inkubation von Krebszelllinien (HepG2) mit PEI-AuNCs bestätigt wurde und eine bemerkenswerte Photolumineszenz und eine starke intensive rote Fluoreszenz der Zellen zeigten. Gold-Nanocluster, geschützt durch Ovalbumin (fluoreszierende Sonde), verbunden mit Folsäure (Zielligand) (FA-Ova-AuNCs) und einem Homopolymer N -Acryloxysuccinimid als Linker wird von Qiao et al. und wurde zur Erkennung von Krebs durch bildgebende Darstellung von Krebszellen verwendet (Abb. 7). Da Folsäurerezeptoren in HeLa-Zellen überexprimiert werden, wird angenommen, dass Hela-Zellen FA-Ova-AuNCs aufnehmen. In dieser Arbeit wurde die spezifische Färbung von HeLa-Zellen durch FA-Ova-AuNCs gezeigt [90].

Schema der Bildung von FA-Ova-AuNCs für die Bildgebung von Krebszellen [90]

Für die Anwendung in der Detektion wurde ein hoch phosphoreszierender molekularer Gold(I)-Cluster in einem makroporösen Polymerfilm entwickelt und für den Nachweis von Cyanid durch kolorimetrische Detektionstechnik synthetisiert. Die Gold-Nanocluster können zum Nachweis von Cyanid-Ionen in Rotwein, Kaffee, Saft und Erde verwendet werden. Da Cyanid extrem giftig und gefährlich ist und zum Tod führen kann [91], mussten hochselektive, empfindliche und kostengünstige Sensoren gefunden werden, die helfen können, den Cyanidgehalt in Umwelt, Wasser und Lebensmitteln zu bestimmen [92] . Dieser Gold-Nanocluster kann also als Segen wirken, der dazu beitragen kann, eine Reihe von Leben zu retten [93].

Biomakromolekül-konjugierte AuNCs

Biomakromoleküle mit Thiolgruppen wurden auch als häufig verwendete Liganden verwendet, um AuNCs in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen herzustellen. Kürzlich wurden Transferrin (Tf)-funktionalisierte Gold-Nanocluster (Tf-AuNCs)/Graphenoxid (GO)-Nanokomposit (Tf-AuNCs/GO) als einschaltbare Nahinfrarot(NIR)-Fluoreszenzsonde hergestellt, die für Bioimaging verwendet werden kann von Krebszellen und Kleintieren [94]. Die Fähigkeit der NIR-Fluoreszenzsonde zur Abbildung des Tf-Rezeptors (TfR) auf Krebszellen wurde unter Verwendung von zwei verschiedenen Krebszelllinien, dh Hela (hohes Expressionsniveau von TfR) und HepG-2 (niedriges Expressionsniveau) und einer normalen Mauszelllinie evaluiert (3T3) mit unterschiedlichen TfR-Werten, wie in Abb. 8 gezeigt. Die Fluoreszenzsonde wurde offensichtlich nur von Hela-Zellen aufgenommen und nach 4 Stunden Inkubation wurde eine merkliche Fluoreszenz beobachtet.

Herstellung der Tf-AuNCs/GO-Konjugation als einschaltbare NIR-Fluoreszenzsonde für die Biobildgebung in Krebszellen mit TfR-Überexpression [94]

Sahooet al. haben eine schnelle einstufige grüne Synthese (2 min) von hoch leuchtenden AuNCs auf DNA entwickelt, die einen einzigen Heiz- und Kühlzyklus wie bei der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) verwenden. Es wurde festgestellt, dass die Intensität der Lumineszenz-Nanocluster mit der Anzahl der DNA zunimmt, was eine einfache Möglichkeit zur Quantifizierung von DNA bietet (Abb. 9). Als leistungsstarke Fluoreszenzsonde für die DNA-Quantifizierung wird die Fähigkeit von AuNCs in zwei verschiedenen Krebszelllinien gezeigt, darunter HeLa und A549 [95]. Es wurde festgestellt, dass die Bildung von AuNCs durch die Menge der Vorstufen beeinflusst wird (HAuCl₄ ) in der Synthese verwendet. Die Intensität der Lumineszenzemissionen und die Quantenergebnisse von Nanoclustern werden anhand der auf verschiedenen Goldmengen gebildeten Clusterdimensionen gesehen. Die AuNCs wurden aus verschiedenen Basenpaaren hergestellt, die aus A, T, G und C bestanden, und erzeugten dieselbe Lumineszenz für verschiedene Basenpaarzusammensetzungen und dieselben Sequenzlängen. Darüber hinaus bietet die Identifizierung der Emissionsintensitätsabhängigkeit von Nanoclustern von DNA-Mengen eine einzigartige Testmethode. Eine Analyse der Genamplifikation und der relativen Expression kann erhalten werden. Darüber hinaus unterstreicht die Biokompatibilität von AuNCs ihre Verwendung als Sonde im Vergleich zu den traditionellen zytotoxischen Eigenschaften von Farbstoffen. Die quantitative Analyse des Genexpressionsniveaus in verschiedenen Krebszelllinien kann verwendet werden, um eine einfache, tragbare und kostengünstige Ausrüstung als Alternative zu einer komplizierten, leistungsstarken und teuren PCR-Energiemaschine zu demonstrieren. Darüber hinaus ermöglicht dieses Tool durch die Verwendung lumineszierender AuNCs als signalerzeugende Agentien eine reverse Transkriptase-PCR und die Array-basierte Analyse mehrerer Gene/Proteine ​​gleichzeitig mit schaltbaren Haltern und speziell entwickelter Software. Es wurden Geräte und Ansätze entwickelt, um mit Apoptose in HeLa-Krebszellen assoziierte Genprofile zu bewerten und auch die Expression von Glutathion-S . zu messen -Transferase (GST)-Protein und GST-markierter humaner Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierender Faktor (GSThGMCSF) rekombinantes Protein, extrahiert aus Escherichia coli [96].

Die Methode zur Synthese lumineszierender AuNCs durch Emulation der PCR-Bedingung [95]

Die Hochgeschwindigkeitspräparation biokompatibler signalerzeugender Agenzien von AuNCs in DNA und Proteinen ermöglicht einen qualitativen Nachweis. Darüber hinaus bietet es synthetische Methoden von AuNCs als gemeinsame Sonden für DNA- und Proteinstudien (in Flüssigkeiten sowie Proben auf Membranen), PCR-Amplikon-Analysen und membranbasierte Forschungen in einem einzigen Gerät. Das Gerät ist in der Lage, eine PCR-Amplifikationseffizienz von 95 % im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Geräten zu liefern. Am wichtigsten ist, dass die Materialien alle umweltfreundlich sind. Wenn man die Vorteile nutzt, können integrierte Werkzeuge und Ansätze eine neuartige Anwendung auf bestehende Techniken unter Einbeziehung von Nanotechnologie und Biologie schaffen.

Nguyenet al. entwickeln Doppelliganden von stabilisierenden AuNCs und stellen AuNCs/Graphen-Nanokomplex als „anschaltende“ Fluoreszenzsonde her, um Matrix-bezogenen Matrix-Metalloproteinase-9-Krebs zu erkennen [97]. Für die biomedizinische Anwendung von AuNCs wurde eine reibungslose, einstufige Methode unter Verwendung von Peptiden und Mercaptoundecansäure als Co-Templatliganden untersucht. Das Peptid mit Metalloproteinase-9-Spaltungsstelle dient als Stabilisator und auch als Targeting-Ligand für die Enzymerkennung. Bei Enzymen erzeugt das AuNCs/Graphen-Nanomaterial aufgrund der hervorragenden Löscheigenschaften und des vernachlässigbaren Hintergrunds von Graphenoxid eine starke „Einschalt“-Fluoreszenzreaktion, die stark mit den Enzymkonzentrationen korreliert. Die Nachweisgrenze des Nanomaterials liegt bei 0,15 nM für Enzym. Das fluoreszierende Nanomaterial wurde erfolgreich für den Nachweis von „Turn-on“-Metalloproteinase-9, die von MCF-7-Krebszellen sezerniert wird, mit hoher Sensitivität und Selektivität demonstriert. Darüber hinaus bieten die fluoreszierenden AuNCs im Vergleich zu früheren Studien eine erhebliche Reduzierung von Zeit, Kosten und sensorischer Komplexität. Die Plattform hat auch ein großes Potenzial für den Nachweis verschiedener biologischer Moleküle in verschiedenen Bereichen, einschließlich der Umwelt- und Analyseforschung, gezeigt. In ähnlicher Weise haben Song et al. entwickeln die markierungsfreie, sensitive und einfache Methode zum Nachweis von Proteinkinasen basierend auf der selektiven Aggregation von phosphorylierten Gold-Nanocluster-Peptiden (AuNCs-Peptiden), die durch die Koordination von Zr-Ionen induziert wird [98]. Die AuNCs wurden von Peptiden ohne ein starkes Reduktionsmittel hergestellt, das eine Störung der Peptide verhindert. Eine Studie zur markierungsfreien, grünen, empfindlichen und einfachen Fluoreszenz unter Verwendung der AuNC-Peptide zur Messung der Aktivität der Proteinkinase CK2 wurde entwickelt. Verglichen mit dem kürzlich etablierten Kinase-Fluoreszenztest hat die Verwendung von AuNC-Peptiden mehrere wichtige Vorteile, einschließlich markierungsfreier, grüner und einfacher experimenteller Verfahren.

Selvaprakashet al. entwickeln AuNCs unter Verwendung von kostengünstigen Hühnereiweißproteinen (AuNCs@ew) als Einschaltsensor, um phosphathaltige Metaboliten wie Adenosin-50-triphosphat (ATP) und Pyrophosphat (PPi) nachzuweisen [99]. Es wurde ein kostengünstiger und unkomplizierter Ansatz zur Herstellung fluoreszierender AuNC-Sonden für phosphathaltige Moleküle wie ATP und PPi erhalten. Durch Zugabe von billigem Eiweiß mit Tetrachlorgoldsäure kann AuNCs@ew leicht durch Mikrowellenerhitzung synthetisiert werden. In dieser Arbeit wird AuNCs@ew durch sorgfältige Charakterisierung hauptsächlich von AuNCs@ovalbumin dominiert. Da Ovalbumin ein Glykoprotein ist und reichlich Glycinliganden enthält, wurde die Möglichkeit der Verwendung von AuNCs@ew als Fluoreszenzsonden für ConA, das die Glykanbindungsstelle enthält, in Selvaprakashs Arbeit erfolgreich nachgewiesen.

Wuet al. verwenden Rinderserumalbumin (BSA) und GSH, um Gold-Nanocluster (BSA/GSH-AuNCs) mit Anregung und Emissionen bei 330 nm bzw. 650 nm zu synthetisieren [100]. Bei diesem Ansatz dienen BSA und GSH in erster Linie als Begrenzungs- bzw. Reduktionsmittel. Mithilfe von GSH werden nur 30 μM BSA benötigt, um photostabile BSA/GSH-AuNCs zu synthetisieren. Durch den Einsatz von GSH ist der Einsatz großer Mengen teurer Proteine ​​wie BSA und Transferrin für die Entwicklung fluoreszierender Proteine/GSH-AuNCs nicht mehr notwendig. Diese Strategie bietet einen kostengünstigen Ansatz für die Synthese von Protein-AuNCs und vereinfacht auch die Verfeinerung der etablierten AuNCs. Wuet al. fand auch heraus, dass durch NO₂ . ausgelöstes Quenching ⁻ bei pH 3,0 war effizient und spezifisch. Mit hoher Salztoleranz, Empfindlichkeit und Selektivität haben BSA/GSH-AuNCs ein großes Potenzial für die Messung von kompliziertem NO₂ Proben. Cao et al. untersuchen pH-induzierte Fluoreszenzänderungen von AuNCs@BSA und entsprechende Konformationsänderungen von Ligandenproteinen durch Fluoreszenz-, Circulardichroismus (CD) und IR-Spektralmessungen. In dieser Arbeit durchläuft BSA in AuNCs@BSA identifizierbare Konformationsänderungen auf der Ebene der Sekundär- und Tertiärstrukturen. CD- und IR-Ergebnisse interpretieren eine signifikante Änderung gegenüber der zweiten Struktur bei extremer Säure und Alkali, wo unregelmäßigere Strukturen erhalten werden [101]. Der Unterschied der sekundären Strukturänderungstrends zwischen AuNCs@BSA und dem ursprünglichen BSA wurde gezeigt. Der extrem alkalische Zustand (pH 11,43) induziert eine Änderung von der Exposition gegenüber der vergrabenen Helix. Darüber hinaus deutet die große Tryptophan-Fluoreszenzlücke zwischen AuNCs@BSA und dem ursprünglichen BSA darauf hin, dass die Goldkerne in der Nähe von Tryptophan im BSA leben. Diese Studie legt den Grundstein für das Verständnis der Verhaltenskonformation von Ligandenproteinen in konjugierten AuNCs.

Ghosh et al. untersuchen die Wirkung von AuNCs auf CD und enzymatische Aktivität von α-Chymotrypsin (ChT) (gegen Substrathydrolyse, N -succinyl-l-phenylalanin-p-nitroanilid) [102]. Das CD-Spektrum zeigt, dass ChT bei der Bindung an AuNCs vollständig exponiert ist und eine Elliptizität von fast null erzeugt. Die ChT-beschichteten AuNCs zeigen praktisch keine enzymatische Aktivität. Das zusätzliche GSH oder oxidierte GSH stellt die Enzymaktivität a ChT um 30–45% wieder her. Die Aktivität von ChT geht an der Bindungsoberfläche von AuNCs irreversibel verloren. Diese verlorene Aktivität kann wiederhergestellt werden, wenn ChT AuNCs schließt, die mit GSH oder oxidiertem GSH behandelt wurden. In der Zelle kann die Enzymaktivität durch GSH wiederbelebt werden, wie in dieser Arbeit gezeigt. Da Krebszellen durch erhöhte Glutathionspiegel gekennzeichnet sind, gibt es Unterschiede in der Absorption von enzymgefütterten Goldgruppen zwischen Krebszellen und normalen Zellen.

Die neuartige Technik der fluoreszenzgeführten Chirurgie hat Einzug in den chirurgischen Prozess gehalten, um dem Operateur die Entscheidung zu erleichtern, ob das Gewebe während der Operation reseziert oder erhalten werden muss [103]. Diese Errungenschaften könnten einen Paradigmenwechsel in der Krebschirurgie bewirken und das Behandlungsergebnis deutlich verbessern. Jüngste Forschungsfortschritte auf diesem Gebiet konzentrierten sich auf die Verwendung von fluoreszierenden AuNCs, die mit Diatrizoesäure und zielspezifischem AS1411-Aptamer konjugiert sind, als fluoreszenzgesteuerte Sonde zur präzisen Führung während der Tumorgeweberesektion. In-vivo-Experimente haben gezeigt, dass die Tumorlokalisation bei CL1-5-Tumor-tragenden Mäusen aus dem klaren CT-Bild unter Verwendung der AuNC-Konjugate als Kontrastmittel für die molekulare Bildgebung beobachtet wurde. Noch wichtiger ist, dass die deutlich sichtbare orange-rote Fluoreszenz von AuNC-Konjugaten genutzt wurde, um die Resektion des CL1-5-Tumors durch intraoperative Fluoreszenzsteuerung zu unterstützen. Die starke Fluoreszenzverstärkung des resezierten Tumors basiert auf Daten des In-vivo-Imaging-Systems, um das erfolgreiche molekulare Targeting mit fluoreszierenden AuNC-Konjugaten zu beweisen. Diese Arbeit hat große Vorteile bei der Verwendung zielspezifischer fluoreszierender AuNC-Konjugate in vivo gezeigt, die im Vergleich zu den meisten organischen derzeit verwendeten Kontrastmittel. Darüber hinaus hat diese Arbeit ein fortschrittliches Konzept im Bereich der biomedizinischen Bildgebung und Therapeutika mit funktionalisierten AuNCs hervorgebracht.

Schlussfolgerungen

Insgesamt haben wir einen kleinen Überblick über die jüngsten Fortschritte bei fluoreszierenden AuNCs gegeben, die mit kleinen Molekülen, Polymeren und Biomakromolekülen für Anwendungen in der Biobildgebung, Detektion und Therapie hergestellt wurden (Tabelle 1). Diese Arbeiten haben gezeigt, dass fluoreszierende AuNCs aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie ausgezeichneter Biokompatibilität, hoher Photostabilität und einfacher Oberflächenmodifizierung vielversprechende Fluoreszenzsonden sein können. Obwohl AuNCs in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen nachgewiesen wurden, sind ihre Fluoreszenzquantenausbeuten (QYs) immer noch gering (normalerweise weniger als 20 %). Die erste Herausforderung zur Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten von AuNCs konzentriert sich auf die Herstellung von AuNCs mit hoher Fluoreszenz-QY. With low fluorescence QY, the synthesis of AuNCs with uniform size will be an alternative way to improve their fluorescence QY. Furthermore, with the uniform size, fluorescent AuNCs with a narrow emission spectrum will increase their benefit in biomedical applications. The second challenge for AuNCs is the control of ligand on their surface because the chemical and physical properties of AuNCs can be significantly affected by their surface modification. Therefore, the theoretical and practical studies of AuNCs are still needed to have a better understanding of their structure, optical characteristic, and physicochemical property. Especially, for physicochemical property, recent studies have proven that AuNCs are potential fluorescent probes for biosensing, bioimaging, and cancer therapy. Accordingly, to realize the biomedical applications, we still have a lot of works to push the biomedical applications of AuNCs in imaging, detection, and therapy. Overall, with the great efforts, we believe that AuNCs will be served as a significant fluorescent probe in biomedical application in the near future.

Abkürzungen

AuNCs:

Gold nanoclusters

BSA:

Rinderserumalbumin

CBMC:

Cord blood mononuclear cells

CD:

Circular dichroism

Chi:

Chitosan

ChT:

Chymotrypsin

DHLA:

Dihydrolipoic acid

DPA:

D-penicillamine

DTT:

Dithiothreitol

FA:

Folic acid

FLIM:

Fluorescence lifetime imaging

FRET:

Förster-Resonanz-Energieübertragung

GSH:

Glutathione

GST:

Glutathione-S -transferase

MUA:

11-Mercaptoundecanoic acid

Ova:

Ovalbumin

PCR:

Polymerase chain reaction

PDNH:

Poly(DBAM-co-NASco-HEMA)

PEI:

Polyethyleneimine

PPi:

Pyrophosphate

PTMP-PMAA:

Multidentate thioether-terminated poly(methacrylic acid)

SPEET:

Surface plasmon-enhanced energy transfer

Tf:

Transferrin

Try:

Trypsin

VAN:

Vancomycin