Photothermal and photoacoustic performances of atomically precise Au103S(p-MBT)42 nanoclusters
Questo studio riporta la sintesi e la caratterizzazione di nanocluster di Au103S(p-MBT)42 atomicamente precisi, i quali esibiscono proprietà fototermiche e fotoacustiche uniche allo stato molecolare nella finestra del vicino infrarosso, consentendo la loro applicazione efficace come agenti di contrasto idrosolubili per l'imaging biologico dopo PEGilazione.
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Immagina di voler preparare una torta, ma invece di usare un forno gigante e disordinoso, vuoi usare una minuscola stampella per biscotti, perfettamente sagomata, che si adatta esattamente alla tua mano. Nel mondo della scienza, questa è la differenza tra materiali grandi e goffi e quelli "atomicamente precisi". Per molto tempo, gli scienziati hanno usato le nanoparticelle d'oro — minuscoli granelli d'oro — per trasformare la luce in calore. Pensa a questi grandi granelli come a una folla di persone che saltano tutte su e giù contemporaneamente; il loro movimento collettivo crea un'onda di energia chiamata "risonanza plasmonica di superficie", che è ottima per riscaldare le cose. Ma queste folle sono un po' disordinate; ogni granello è leggermente diverso per dimensione e forma, rendendo difficile prevedere esattamente come si comporteranno.
Entra in scena il nanocluster d'oro. Se i grandi granelli sono una folla caotica, un nanocluster è una compagnia di danza perfettamente coreografata dove ogni singolo ballerino (atomo) si trova in un punto specifico, e l'intero gruppo agisce più come una singola, gigantesca molecola che come un pezzo di metallo. Questa precisione permette agli scienziati di sintonizzare le loro proprietà come uno strumento musicale. La grande domanda che i ricercatori si pongono è: questi minuscoli e precisi ballerini molecolari possono essere altrettanto bravi a trasformare la luce in calore (e suono) quanto le folle disordinate? Se ci riescono, si apre la porta a un imaging medico incredibilmente nitido e a terapie mirate, perché possiamo progettarli atomo per atomo per essere perfetti per il compito richiesto.
Questo articolo introduce un nuovo membro della famiglia dei nanocluster d'oro: una struttura super-precisa chiamata Au103S(p-MBT)42. I ricercatori hanno costruito questa minuscola struttura come un set Lego molecolare, creando un nucleo che assomiglia a una lunga asta sormontata da un guscio simile a una corona, il tutto avvolto in uno strato protettivo di molecole organiche. Ciò che rende speciale questo specifico cluster è che non è solo un piccolo pezzo di metallo; si comporta più come una molecola complessa con i propri livelli di energia unici. Il team ha scoperto che, nonostante sia leggermente più grande di 2 nanometri (che è comunque incredibilmente piccolo), non agisce come un tipico metallo. Invece dell'effetto della "folla che salta", possiede distinti livelli di energia a gradini che gli permettono di assorbire la luce e trasformarla in calore con un'efficienza impressionante.
Quando hanno testato questo nuovo cluster con un laser, si è scaldato velocemente. Sotto una specifica luce rossa (690 nm), ha convertito il 51,4% dell'energia luminosa in calore. È tanto! Ma gli scienziati non si sono fermati qui. Si sono resi conto che, affinché questo cluster fosse utile all'interno del corpo umano, doveva sciogliersi in acqua (poiché i nostri corpi sono composti principalmente da acqua), ma la versione originale era oleosa e non si sarebbe mescolata. Così, hanno avvolto il cluster in un rivestimento speciale, che ama l'acqua, chiamato DSPE-PEG2000. Questo è stato come mettere un giubbotto di salvataggio al cluster. Sorprendentemente, questo rivestimento non ha solo reso il cluster solubile in acqua; lo ha reso ancora più bravo a trasformare la luce in calore, aumentandone l'efficienza al 66,8%.
Il articolo ha anche scoperto che questa generazione di calore crea un effetto collaterale interessante: il suono. Quando il cluster si scalda rapidamente a seguito di un impulso laser, si espande e crea un piccolo "pop" o un'onda sonora, nota come segnale fotoacustico. I ricercatori hanno dimostrato che questi cluster solubili in acqua possono agire come agente di contrasto, facendo illuminare le cellule su una telecamera fotoacustica. Hanno testato questo fenomeno su tre diversi tipi di cellule tumorali umane (glioblastoma, cancro al seno e cancro alla cervice). I cluster sono stati assorbiti dalle cellule e le hanno rese chiaramente visibili nelle immagini, con le cellule del cancro alla cervice (HeLa) che mostravano i segnali più luminosi. Fondamentalmente, i cluster erano sicuri; le cellule non sono morte né si sono ammalate dopo l'esposizione a essi.
Gli autori suggeriscono che il motivo per cui questo cluster funziona così bene è che i suoi elettroni si rilassano in un modo molto specifico, non radiativo — il che significa che scaricano la loro energia sotto forma di calore piuttosto che brillare come luce. Questo comportamento è diverso da quello delle grandi nanoparticelle d'oro ed è guidato dalla struttura unica, di tipo molecolare, del cluster. Dimostrando che questi cluster ad alta precisione possono essere efficienti generatori di calore e di suono, l'articolo suggerisce una nuova strada per creare strumenti migliori per l'imaging medico, dove possiamo vedere profondamente all'interno del corpo con alta chiarezza utilizzando luce e suono.
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