Photothermal and photoacoustic performances of atomically precise Au103S(p-MBT)42 nanoclusters
Cette étude rapporte la synthèse et la caractérisation de nanoclusters d'Au103S(p-MBT)42 atomiquement précis, qui présentent des propriétés photothermiques et photoacoustiques uniques à l'état moléculaire dans la fenêtre du proche infrarouge, permettant leur application efficace en tant qu'agents de contraste hydrosolubles pour l'imagerie biologique après PEGylation.
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Imaginez que vous essayez de cuisiner un gâteau, mais qu'au lieu d'utiliser un four géant et désordonné, vous voulez utiliser un emporte-pièce minuscule et parfaitement formé qui tient exactement dans votre main. Dans le monde de la science, c'est la différence entre les matériaux volumineux et encombrants et ceux qui sont « atomiquement précis ». Pendant longtemps, les scientifiques ont utilisé des nanoparticules d'or — de minuscules grains d'or — pour transformer la lumière en chaleur. Voyez ces gros grains comme une foule de personnes sautant toutes de haut en bas en même même temps ; leur mouvement collectif crée une onde d'énergie appelée « résonance plasmonique de surface », ce qui est excellent pour chauffer les choses. Mais ces foules sont un peu désordonnées ; chaque grain est légèrement différent en taille et en forme, ce qui rend difficile la prédiction exacte de leur comportement.
Entrez dans la scène le nanocluster d'or. Si les gros grains sont une foule chaotique, un nanoclster est une troupe de danseurs parfaitement chorégraphiée où chaque danseur (atome) est à un endroit spécifique, et tout le groupe agit plutôt comme une seule et même molécule géante que comme un morceau de métal. Cette précision permet aux scientifiques d'accorder leurs propriétés comme un instrument de musique. La grande question que se posent les chercheurs est la suivante : ces petits danseurs moléculaires précis peuvent-ils être aussi bons que les foules désordonnées pour transformer la lumière en chaleur (et en son) ? S'ils le peuvent, cela ouvre la porte à une imagerie médicale incroyablement précise et à des thérapies ciblées, car nous pouvons les concevoir atome par atome pour qu'ils soient parfaits pour la tâche.
Cet article présente un tout nouveau membre de la famille des nanoclusters d'or : une structure super-précise appelée Au103S(p-MBT)42. Les chercheurs ont construit cette minuscule structure comme un ensemble de Legos moléculaires, créant un cœur qui ressemble à une longue tige coiffée d'une coquille en forme de couronne, le tout enveloppé dans une couche protectrice de molécules organiques. Ce qui rend ce cluster spécifique spécial, c'est qu'il n'est pas seulement un petit morceau de métal ; il se comporte plutôt comme une molécule complexe possédant ses propres niveaux d'énergie uniques. L'équipe a découvert que malgré le fait qu'il soit légèrement plus grand que 2 nanomètres (ce qui reste incroyablement petit), il ne se comporte pas comme un métal typique. Au lieu de l'effet de « foule qui saute », il possède des niveaux d'énergie distincts par paliers qui lui permettent d'absorber la lumière et de la transformer en chaleur avec une efficacité impressionnante.
Lorsqu'ils ont testé ce nouveau cluster avec un laser, il s'est chauffé rapidement. Sous une lumière rouge spécifique (690 nm), il a converti 51,4 % de l'énergie lumineuse en chaleur. C'est énorme ! Mais les scientifiques ne s'en sont pas arrêtés là. Ils ont réalisé que pour que ce cluster soit utile à l'intérieur du corps humain, il devait se dissoudre dans l'eau (puisque nos corps sont principalement composés d'eau), mais la version originale était huileuse et ne se mélangeait pas. Ils ont donc enveloppé le cluster dans un revêtement spécial, hydrophile, appelé DSPE-PEG2000. C'était comme mettre un gilet de sauvetage sur le cluster. Étonnamment, ce revêtement n'a pas seulement rendu le cluster soluble dans l'eau ; il l'a en fait rendu encore meilleur pour transformer la lumière en chaleur, augmentant l'efficacité à 66,8 %.
L'article a également révélé que cette génération de chaleur crée un effet secondaire intéressant : le son. Lorsque le cluster chauffe rapidement sous l'effet d'une impulsion laser, il se dilate et crée un petit « pop » ou une onde sonore, appelée signal photoacoustique. Les chercheurs ont montré que ces clusters solubles dans l'eau pouvaient servir d'agent de contraste, faisant briller les cellules sur une caméra photoacoustique. Ils ont testé cela sur trois types différents de cellules cancéreuses humaines (glioblastome, cancer du sein et cancer du col de l'utérus). Les clusters ont été absorbés par les cellules et les ont rendues clairement visibles sur les images, les cellules cancéreuses du col de l'utérus (HeLa) présentant les signaux les plus brillants. Crucialement, les clusters étaient sûrs ; les cellules ne sont pas mortes ou n'ont pas été rendues malades après avoir été exposées à eux.
Les auteurs suggèrent que la raison pour laquelle ce cluster fonctionne si bien est que ses électrons se relaxent d'une manière très spécifique et non radiative — ce qui signifie qu'ils rejettent leur énergie sous forme de chaleur plutôt que de briller sous forme de lumière. Ce comportement est différent de celui des grosses nanoparticules d'or et est dicté par la structure unique, de type moléculaire, du cluster. En prouvant que ces clusters de haute précision peuvent être des chauffages et des générateurs de sons efficaces, l'article suggère une nouvelle voie pour créer de meilleurs outils d'imagerie médicale, où nous pourrons voir profondément à l'intérieur du corps avec une grande clarté en utilisant la lumière et le son.
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