Fotoluminescente sondes met hoge biocompatibiliteit, kwantumopbrengst en multifotonabsorptieprestaties zijn van groot belang in biomedische beeldvorming, verwacht een verbeterde penetratiediepte en ruimtelijke resolutie te bereiken. Volgens een nieuw rapport dat is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang door J. Kwon en een team van onderzoekers in de interdisciplinaire afdelingen Chemie, Biomateriaalwetenschap en Cogno-Mechantronics Engineering in Korea en China. Quantum dots zijn lichtgevende halfgeleiderkristallen op nanometerschaal met unieke chemische en fysische eigenschappen in verhouding tot hun structuur en samenstelling.

De synthetische QD's in de huidige studie kunnen excitatie-eigenschappen van twee en drie fotonen vertonen bij golflengten van 800 en 1800 nm met een hoge kwantumopbrengst (40 procent) voor beeldvorming in het tweede venster. De materialen waren ook biocompatibel en geverifieerd door Kwon et al. toen ze poly(ethyleenglycol)-geconjugeerde QD's koppelden aan menselijke epidermale groeifactorreceptor 2 (HER2) -antilichamen voor in vitro en in vivo beeldvorming met twee fotonen. De wetenschappers hebben met succes de oppervlakken in beeld gebracht op een diepte tot 500 µm van het huidoppervlak met behulp van een niet-lineaire femtoseconde laser met een excitatiegolflengte van 800 nm. De bevindingen kunnen een nieuw pad openen om biocompatibele FeSe QD's te gebruiken voor beeldvorming van multifotonweefsel tijdens ziektediagnose.

Overgangsmetaalchalcogeniden zijn aantrekkelijk in een reeks onderzoeksgebieden in de nanowetenschap met toepassingen als magnetische halfgeleiders, supergeleiders, fotovoltaïsche, elektrokatalysatoren, sensoren en kwantumdots. Gelaagde materialen op ijzerbasis zijn veelbelovende kandidaten voor supergeleiders met een lage toxiciteit en lage kosten, met onverwacht hoge supergeleidende overgangstemperatuur. IJzer-chalcogenidematerialen kunnen fluorescerende nanohalfgeleiders worden wanneer hun afmetingen tot nul worden teruggebracht. Deze hebben unieke opto-elektronische eigenschappen die relevant zijn voor biologische beeldvorming en conversie van zonne-energie. Fluorescerende biomedische beeldvorming met halfgeleidende nanokristallen is een veelbelovende detectietechniek vanwege de hoge fotostabiliteit en afstembaarheid van de nanokristallen tijdens absorptie- en emissiespectra in vergelijking met conventionele organische kleurstoffen. QD's kunnen ook multifoton-geëxciteerde fotoluminescentie (PL) vertonen, waarbij een luminofoor tegelijkertijd meer dan twee fotonen kan absorberen via een virtuele toestand om zichtbaar licht uit te zenden.

Het fenomeen kan een grotere penetratiediepte mogelijk maken voor verminderde autofluorescentie en verstrooiing van weefsel met voordelen voor in situ biomedische fluorescentiebeeldvorming tijdens kankerchirurgie. Wetenschappers beschouwen multifotonenmicroscopie (MPM) daarom als een niet-invasieve, in leven, hulpmiddel voor beeldvorming van diep weefsel. In de huidige studie, Kwon et al. werden gemotiveerd door eerder werk om biocompatibele QD's met twee- en drie-foton-luminescerende eigenschappen te synthetiseren met behulp van ijzer (Fe) en selenium (Se) -elementen. In het algemeen, de twee (Fe- en Se-precursoren) komen van nature voor in het menselijk lichaam en vertonen een lage toxiciteit in nanodeeltjesvorm. Het onderzoeksteam testte de specificiteit van tumorcellen in vitro met gehumaniseerde monoklonale HER2 (humane epidermale groeifactorreceptor 2) antilichaam-geconjugeerde ijzerselenide (FeSe) quantum dots (anti-HER2-QD's). Voor de in vitro experimenten, ze gebruikten een HER2-overexpressie MCF-7 (Michigan Cancer Foundation) xenotransplantaatmodel (transplantaten van een andere donorsoort) van borstkankercellijn. Vervolgens voerden ze in vivo MPM (multiphoton microscopie) beeldvorming uit in een levend xenograft-model van menselijke borsttumor.

Om de in water oplosbare FeSe QD's te ontwikkelen, de wetenschappers gebruikten een synthetische strategie in één pot. Ze vormden QD's van ongeveer 3,4 ± 0,3 nm groot en observeerden ze met behulp van helderveldtransmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Met behulp van TEM- en elektronendiffractiepatronen met hoge resolutie van QD's, ze observeerden het vlak van tetragonaal FeSe. De wetenschappers gebruikten structurele analyse met een röntgendiffractiespectrometer (GIXRD) en röntgenfoto-elektronspectroscopie om de morfologie van FeSe QD's nauwgezet te bewijzen. Zeta-potentiaaltests toonden aan dat FeSe QD's oplosten in gedeïoniseerd water en in 0,01 M en 0,1 M fosfaatbuffer (PBS) zoutoplossing. Toen Kwon et al. volgde ze na vijf dagen met een digitale camera en fluorescentiemicroscopie, de QD's aggregeerden niet of verschilden in fluorescentie. De bandgap van FeSe QD's benaderde 2,44 eV van het ultraviolette tot zichtbare (UV-Vis) spectrum.

Kwon et al. onderzocht de fotoluminescentie (PL) eigenschappen van FeSe QD's bij 25 ° C om een ​​levensduur van 3,23 nanoseconden (ns) te observeren. Ze merkten een twee-foton (2PL) en drie-foton (3PL) aangeslagen PL, gevolgd door representatieve fluorescentiemicroscopische beelden van MCF27-cellen gekleurd met FeSe QD's van 2PL en 3PL. Deze multifoton-excitatie-eigenschap is opmerkelijk voor bio-imaging met een langere golflengte die een maximale weefseldiepte kan doordringen met verminderde fototoxiciteit, waargenomen binnen het "gouden venster" tijdens beeldvorming van hersenweefsel.

Het onderzoeksteam testte eerst de QD-invloed op de levensvatbaarheid van cellen voordat FeSe QD's werden toegepast op bio-imaging-experimenten. Ze gebruikten verschillende cellijnen die waren gekweekt met verschillende concentraties FeSe QD's bij verschillende kweekduur en waargenomen uitstekende levensvatbaarheid na zeven dagen, met> 75 procent cellevensvatbaarheid. Met behulp van fluorescentiemicroscopische beelden van de celculturen, Kwon et al. registreerde de superieure biocompatibiliteit van FeSe QD's, waar de kwantumstippen de celgroei niet verstoorden. Om niet-specifieke binding tijdens de montage verder te minimaliseren, de wetenschappers hebben FeSe QD's ingekapseld met poly (ethyleenglycol) (PEG) vóór conjugatie met HER2-antilichamen om anti-HER2-PEG-QD's te ontwikkelen.

Het team testte de niet-specifieke opname en selectiviteit van de conjugaten tijdens het richten op menselijke borstkankercellen via propidiumjodidekleuring. De anti-HER2-PEG-QD's waren specifiek gericht op de HER2-receptoren, wat aangeeft dat het mogelijk is om gePEGyleerde QD's als beeldvormende middelen in vivo te gebruiken. De fysiologisch stabiele moleculen behielden hun optische eigenschappen gedurende zeven dagen in serum en in een verscheidenheid aan bufferoplossingen. De FeSe QD's waren zeer fotostabiel tijdens excitatie met twee fotonen met extra eigenschappen die geschikt zijn voor biologische beeldvorming en het langdurig volgen van gerichte cellen.

De studie bood een nieuw perspectief voor de diagnose van borstkanker. Borstkanker is de op één na grootste doodsoorzaak door kanker bij vrouwen, met aanzienlijke herhalingspercentages, waarbij minimaal invasieve chirurgie met behulp van detectie- en beeldvormingstechnieken cruciaal is om de ziekte te identificeren. Het onderzoeksteam heeft een in vivo MPM (multiphoton microscopie) beeldvormingsmethode opgezet met intraveneuze injectie van anti-HER2-PEG-QD's in een MCF xenograft diermodel. Vervolgens stelden ze een subcutaan xenograft-muismodel van borstkanker op door MCF7-cellen en MCF/HER2-cellen in de flank van muizen te injecteren. Na vier weken, wanneer het tumorvolume 200 mm . bereikte ³ , de wetenschappers injecteerden 100 µL anti-HER2-PEG-QD's en observeerden de FeSe QD's als een magenta signaal. Vervolgens verkregen ze met regelmatige tussenpozen 2PL-signalen op verschillende diepten in het tumorgebied. Het signaal van de tweede harmonische generatie (SHG) leek blauw om collageen in het oppervlakkige gebied weer te geven en de wetenschappers onderscheidden het PL-signaal van QD's in de buurt van de borstkankercellen.

Op deze manier, J. Kwon en collega's synthetiseerden biocompatibele FeSe QD's met een sterke levensvatbaarheid van de cellen bij verhoogde QD-concentraties. Het team gebruikte QD's tijdens fluorescentiebeeldvorming met twee en drie fotonen en met multiphoton-beeldvorming op een diepte van maximaal 500 m om tumorcellen te bewaken met een niet-lineaire femtoseconde laser in levende dieren in vivo. De gecombineerde biocompatibele FeSe QD's en multiphoton-beeldvorming kunnen een nieuwe methode openen om niet-invasieve in-situ biobeeldvorming bij levende onderwerpen te realiseren.

© 2019 Wetenschap X Netwerk