Die Bioaktivität der meisten Nahinfrarot-II-Fluorophore (NIRII). sind begrenzt, wodurch das Erreichen einer starken Fluoreszenz und hoher katalytischer Aktivitäten aufgrund des Mangels an freien Elektronen bei der Methode im Widerspruch steht.
Um diese Herausforderung zu meistern, entwickelten Huizhen Ma und ein Forschungsteam in den Bereichen translationale Medizin, Neurotechnik, Physik und Materialien an der Universität Tianjin in China atomar präzise Goldcluster mit starker Nahinfrarot-II-Fluoreszenz, um mithilfe von Atomtechnik starke enzymmimetische Aktivitäten zu zeigen , um aktive Kupfer-Einzelatomstellen zu bilden.
Diese Gold-Kupfer-Cluster (Au21Cu1) zeigten im Vergleich zu Goldclustern allein eine stärkere antioxidative Wirkung mit einer 90-fachen Katalase-ähnlichen und einer 3-fach höheren Superoxiddismutase-ähnlichen Aktivität. Diese Cluster können durch die Niere beseitigt werden, um Cisplatin-induzierte Nierenschäden innerhalb eines Zeitfensters von 20–120 Minuten zu überwachen und den Prozess in 3D zu visualisieren Nahinfrarot-Lichtblattmikroskopie.
Die Cluster verhinderten in einem Mausmodell oxidativen Stress und Entzündungen in der Niere und im Gehirn, die bei der Behandlung mit dem Krebsmedikament Cisplatin als Nebenwirkungen auftraten. Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Überwachung der pathologischen Entwicklung von oxidativem Stress und Entzündungen in Echtzeit
Die Methode der Nahinfrarot-II-Bildgebung (NIR-II) bietet eine hohe Gewebeeindringtiefe und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zur Überwachung der Pathogenese und pathologische Entwicklung von Krebs mit Anwendungen in den Neurowissenschaften. Der biokatalytische molekulare Nahinfrarot-II-Wirkstoff eignet sich zur Echtzeitüberwachung pathologischer Prozesse und Molekulare Behandlungsmechanismen.
Die meisten durch oxidativen Stress verursachten Erkrankungen erfordern ein frühzeitiges Eingreifen zur Überwachung pathologische Entwicklung in Echtzeit. Biologen verlassen sich bisher auf nicht-invasive Bildgebungsmethoden wie z Computertomographie Und Magnetresonanztomographie um eine präzise Diagnose und Echtzeitanalyse zu erreichen.
Oxidativer Stress und entzündungsbedingte Pathologien kommen in Kliniken jedoch häufig vor und erfordern eine Überwachung und Intervention in Echtzeit. Darüber hinaus verursachen einige Chemotherapeutika während der medizinischen Behandlung häufig Verletzungen des normalen Gewebes. Zum Beispiel die Krebsmedikament Cisplatin kann DNA vernetzen und oxidativen Stress und Entzündungen auslösen, was zu Neurotoxizität und Nephrotoxizität führt.
Eine durch Cisplatin verursachte akute Nierenschädigung ist eine häufige Nebenwirkung, die innerhalb weniger Stunden oder Tage zu einer plötzlichen Verschlechterung der Nierenfunktion führen kann. Akute Nierenschäden müssen in Echtzeit überwacht werden, um eine frühzeitige Diagnose und ein frühzeitiges Eingreifen zu ermöglichen und oxidativem Stress und akuten Entzündungen vorzubeugen.
Es ist wünschenswert, biokatalytische molekulare NIR-II-Wirkstoffe für die Echtzeitüberwachung zu entwickeln, um gleichzeitig die Hemmung von oxidativem Stress und frühen Entzündungen zu erreichen. In dieser Arbeit haben Ma et al. entwickelte atomare Präzisions-Goldcluster mit NIR-II-Emersion und bioaktiver Enzymmimikry, um oxidativen Stress und Entzündungen in der verletzten Niere und im Gehirn zu hemmen.
Dotierung von Goldclustern
Das Team stellte Goldcluster (Au22) her und reinigte sie entsprechend früheren Berichten, um eine stabile Struktur zu schaffen, die sie anhand untersuchten Transmissionselektronenmikroskopie um eine ultrakleine Größe zu offenbaren.
Dies ermöglichte eine effiziente Clearance während der Nierenfiltration. Die Goldcluster zeigten eine ausgezeichnete Photostabilität und zeigten eine wohldefinierte atomare Präzisionstechnik, Wasserlöslichkeit und eine stabile Struktur für weitere Anwendungen geeignet.
Das Team befasste sich auch mit der Atomtechnik, um Goldcluster mit verschiedenen anderen metallischen Elementen zu modifizieren, um optische Absorptionsspektren der dotierten Cluster zu erhalten. Die Ergebnisse zeigten, dass Gold-Kupfer-Cluster eine gute Homogenität und Streuung aufweisen, was mit Gold-Clustern allein übereinstimmt.
Enzymatische Eigenschaften von Goldclustern
Die Gold-Kupfer-Cluster mit einem einzelnen aktiven Zentrum eines Kupferatoms zeigten eine hohe katalytische Aktivität. Die Forscher untersuchten außerdem die Absorptionskapazität reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies auf den Molekülen. Die katalytische Aktivität der dotierten Cluster war 90-mal höher als die des reinen Goldes allein.
Diese Arbeit beleuchtete auch erstmals im Detail die Auswirkungen von Clustern mit NIR-II-Eigenschaften spielt eine Schlüsselrolle in den Lebenswissenschaften. Die biotechnologisch hergestellten bioaktiven NIR-II-Moleküle stellten auch eine dringende und wichtige Plattform zum Verständnis des Mechanismus dar. Ma et al. verfolgten diese Experimente mit Dichtefunktionaltheorieberechnungen von Goldclustern.
Überwachung der Niere in Echtzeit
Als nächstes untersuchten die Wissenschaftler den Einfluss von Goldclustern auf die Echtzeit-Nierenüberwachung, um Nierenschäden bei Mäusen vor der klinischen Diagnose zu untersuchen. Um dies zu erreichen, verabreichten sie Mäusen das Krebsmedikament Cisplatin per Injektion. Die Ergebnisse zeigten eine schwere Beeinträchtigung der Nierenfunktion und Auswirkungen auf das Nervensystem bei der Cisplatin-Injektion, wobei die Filterwirkung der Glomeruli schwächer wurde und sich Goldcluster in der Niere ansammelten.
Das Team dirigierte Zytotoxizitätstests durch Überwachung den Bereich der enzymatischen biologischen Aktivität der Cluster zu bestimmen proximale tubuläre Zellen und Maus-Mikroglia. Die Ergebnisse zeigten die Fähigkeit der Cluster, oxidativen Stress zu regulieren und bei hohen Konzentrationen günstige biologische Aktivitäten ohne Toxizität zu induzieren.
Ma und Kollegen untersuchten die Regulierung von oxidativem Stress und Entzündungen, die durch Cisplatin hervorgerufen werden. Cisplatin ist zwar ein Krebsmedikament, weist jedoch im Hinblick auf Nephrotoxizität und ischämische Schädigung starke Nebenwirkungen auf. Der Zusammenhang mit schweren reaktiven Sauerstoffspezies und Entzündungen führt zu Mortalität und Komorbiditäten im Gehirn.
Durch Monitoring lässt sich dies bereits im Vorfeld diagnostizieren Serumkreatinin Und Blutharnstoffstickstoff; klinische Manifestationen der Ansammlung stickstoffhaltiger Abfälle, die wirksame Hinweise auf die Nierenausscheidungsfunktion liefern.
Ausblick
Auf diese Weise haben Huizhen Ma und Kollegen die atomare Technik von Gold-Kupfer-Clustern detailliert beschrieben, bei denen ein einzelnes Kupferatom eine ultrahohe enzymatische Mimikry ermöglichte. Die antioxidative Aktivität der Goldcluster wurde durch die Einführung von Kupfer erhöht und die biologischen Experimente zeigten die Fähigkeit, sowohl Oxidationsstress als auch Entzündungen in der Nieren-Hirn-Achse während einer Nierenerkrankung zu hemmen.
Die Cluster durchliefen auch eine wirksame renale Clearance und zeigten bei hoher Dosis keine Toxizität, um eine Verbindung mit effizienter Biosicherheit und Multifunktionalität bereitzustellen, gepaart mit Nahinfrarot-II-Fluoreszenz. Die Goldcluster zeigten großes Potenzial für Echtzeitbildgebung und Frühintervention bei akuten Nierenschäden mit vielversprechenden Auswirkungen vom Labor auf die klinische Umsetzung.
Mehr Informationen:
Huizhen Ma et al., Bioaktive NIR-II-Goldcluster für die dreidimensionale Bildgebung und die Hemmung akuter Entzündungen, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh7828
Peng Pei et al., Röntgenaktivierte persistente Lumineszenz-Nanomaterialien für die NIR-II-Bildgebung, Natur-Nanotechnologie (2021). DOI: 10.1038/s41565-021-00922-3
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