Sondas fotoluminiscentes con alta biocompatibilidad, El rendimiento cuántico y el rendimiento de la absorción multifotónica son de gran interés en las imágenes biomédicas, Se espera que logre una profundidad de penetración y una resolución espacial mejoradas. Se informa que los puntos cuánticos (QD) de seleniuro de hierro (FeSe) cumplen con estos criterios según un nuevo informe publicado en Avances de la ciencia por J. Kwon y un equipo de investigadores en los departamentos interdisciplinarios de Química, Ciencia de Biomateriales e Ingeniería Cogno-Mecánica en Corea y China. Los puntos cuánticos son cristales semiconductores luminiscentes a escala nanométrica con propiedades químicas y físicas únicas en relación con su estructura y composición.

Los QD sintéticos en el presente estudio pueden exhibir propiedades de excitación de dos y tres fotones a longitudes de onda de 800 y 1800 nm con un alto rendimiento cuántico (40 por ciento) para imágenes de segunda ventana. Los materiales también fueron biocompatibles y verificados por Kwon et al. cuando unieron QD conjugados con poli (etilenglicol) con anticuerpos del receptor 2 del factor de crecimiento epidérmico humano (HER2) para la obtención de imágenes de dos fotones in vitro e in vivo. Los científicos lograron obtener imágenes de las superficies a una profundidad de hasta 500 µm de la superficie de la piel utilizando un láser de femtosegundo no lineal a una longitud de onda de excitación de 800 nm. Los hallazgos pueden abrir un nuevo camino para utilizar FeSe QD biocompatibles para la obtención de imágenes de tejidos multifotónicos durante el diagnóstico de enfermedades.

Los calcogenuros de metales de transición son atractivos en una variedad de áreas de investigación en nanociencia con aplicaciones como semiconductores magnéticos, superconductores, fotovoltaica, electrocatalizadores, sensores y puntos cuánticos. Los materiales en capas a base de hierro son candidatos superconductores prometedores con baja toxicidad y costo, con una temperatura de transición superconductora inesperadamente alta. Los materiales de calcogenuro de hierro pueden convertirse en nanosemiconductores fluorescentes cuando sus dimensiones se reducen a cero. Estos tienen propiedades optoelectrónicas únicas relevantes en imágenes biológicas y conversión de energía solar. Las imágenes biomédicas fluorescentes con nanocristales semiconductores son una técnica de detección prometedora debido a la alta fotoestabilidad y sintonización de los nanocristales durante los espectros de absorción y emisión en comparación con los tintes orgánicos convencionales. Los QD también pueden exhibir fotoluminiscencia (PL) excitada por multifotones, donde un luminóforo puede absorber simultáneamente más de dos fotones a través de un estado virtual para emitir luz visible.

El fenómeno puede permitir una mayor profundidad de penetración para reducir la autofluorescencia y la dispersión del tejido con beneficios para las imágenes de fluorescencia biomédica in situ durante la cirugía del cáncer. Por lo tanto, los científicos ven la microscopía multifotónica (MPM) como un método no invasivo, en vivo, herramienta de imágenes de tejido profundo. En el presente estudio, Kwon y col. fueron motivados por trabajos anteriores para sintetizar QD biocompatibles con propiedades luminiscentes de dos y tres fotones utilizando elementos de hierro (Fe) y selenio (Se). En general, los dos (precursores de Fe y Se) ocurren naturalmente en el cuerpo humano y exhiben baja toxicidad en forma de nanopartículas. El equipo de investigación probó la especificidad dirigida a células tumorales in vitro con anticuerpos monoclonales humanizados HER2 (receptor 2 del factor de crecimiento epidérmico humano), puntos cuánticos de seleniuro de hierro conjugado (FeSe) (anti-HER2-QD). Para los experimentos in vitro, utilizaron un modelo de xenoinjerto MCF-7 (Michigan Cancer Foundation) sobreexpresado en HER2 (injertos de una especie donante diferente) de la línea celular de cáncer de mama. Luego llevaron a cabo imágenes de MPM (microscopía multifotónica) in vivo dentro de un modelo de xenoinjerto vivo de tumor de mama humano.

Para desarrollar las QD de FeSe solubles en agua, los científicos utilizaron una estrategia sintética de un solo recipiente. Formaron QD de aproximadamente 3,4 ± 0,3 nm de tamaño y los observaron utilizando microscopía electrónica de transmisión de campo brillante (TEM). Usando TEM de alta resolución y patrones de difracción de electrones de QD, observaron el plano de FeSe tetragonal. Los científicos utilizaron análisis estructural con un espectrómetro de difracción de rayos X de incidencia rasante (GIXRD) y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X para probar meticulosamente la morfología de las QD de FeSe. Las pruebas de potencial Zeta mostraron que FeSe QD se disolvió en agua desionizada y en solución salina tampón fosfato (PBS) 0,01 M y 0,1 M. Cuando Kwon et al. los monitoreó usando una cámara digital y microscopía fluorescente después de cinco días, las QD no se agregaron ni difirieron en fluorescencia. La banda prohibida de FeSe QD se aproximó a 2,44 eV desde el espectro ultravioleta a visible (UV-Vis).

Kwon y col. exploró las propiedades de fotoluminiscencia (PL) de FeSe QD a 25 grados C para observar una vida útil de 3,23 nanosegundos (ns). Observaron un PL excitado de dos fotones (2PL) y tres fotones (3PL), seguido de imágenes microscópicas de fluorescencia representativas de células MCF27 teñidas con FeSe QD de 2PL y 3PL. Esta propiedad de excitación multifotónica es notable por la obtención de imágenes biológicas con una longitud de onda más larga que puede penetrar una profundidad máxima de tejido con una fototoxicidad reducida. observado dentro de la "ventana dorada" durante la obtención de imágenes del tejido cerebral.

El equipo de investigación primero probó la influencia de QD en la viabilidad celular antes de aplicar FeSe QD a experimentos de bioimagen. Utilizaron diferentes líneas celulares cultivadas con diversas concentraciones de FeSe QD en varias duraciones de cultivo y observaron una excelente viabilidad a los siete días. con> 75 por ciento de viabilidad celular. Usando imágenes microscópicas de fluorescencia de los cultivos celulares, Kwon y col. registró la biocompatibilidad superior de FeSe QD, donde los puntos cuánticos no interfirieron con el crecimiento celular. Para minimizar aún más la unión inespecífica durante el montaje, los científicos encapsularon FeSe QD con poli (etilenglicol) (PEG) antes de la conjugación con anticuerpos HER2 para desarrollar anti-HER2-PEG-QD.

El equipo probó la captación inespecífica y la selectividad de los conjugados durante la selección de células de cáncer de mama humano a través de la tinción con yoduro de propidio. Los anti-HER2-PEG-QD se dirigieron específicamente a los receptores HER2, lo que indica la posibilidad de utilizar QD PEGilados como agentes de formación de imágenes in vivo. Las moléculas fisiológicamente estables mantuvieron sus propiedades ópticas durante siete días en suero y en una variedad de soluciones tampón. Los QD de FeSe fueron altamente fotoestables durante la excitación de dos fotones con propiedades adicionales adecuadas para la obtención de imágenes biológicas y el seguimiento a largo plazo de las células objetivo.

El estudio ofreció una nueva perspectiva para el diagnóstico de cáncer de mama. El cáncer de mama es la segunda causa de muerte por cáncer entre las mujeres, con tasas de recurrencia significativas, donde la cirugía mínimamente invasiva con la ayuda de técnicas de detección e imagen son cruciales para identificar la enfermedad. El equipo de investigación estableció un método de obtención de imágenes MPM (microscopía multifotónica) in vivo con inyección intravenosa de anti-HER2-PEG-QD en un modelo animal de xenoinjerto de MCF. Luego establecieron un modelo de cáncer de mama de xenoinjerto subcutáneo de cáncer de mama inyectando células MCF7 y células MCF / HER2 en el costado de los ratones. Después de cuatro semanas, cuando el volumen del tumor alcanzó 200 mm ³ , los científicos inyectaron 100 µL de anti-HER2-PEG-QD y observaron los QD de FeSe como una señal magenta. Luego obtuvieron señales 2PL a diferentes profundidades en el área del tumor a intervalos regulares. La señal de la segunda generación armónica (SHG) parecía azul para representar el colágeno en el área superficial y los científicos distinguieron la señal PL de los QD cerca de las células del cáncer de mama.

De este modo, J. Kwon y sus colegas sintetizaron FeSe QD biocompatibles con una fuerte viabilidad celular a concentraciones aumentadas de QD. El equipo utilizó QD durante las imágenes de fluorescencia de dos y tres fotones y con imágenes multifotónicas a una profundidad de hasta 500 µm para monitorear las células tumorales con un láser de femtosegundo no lineal en animales vivos in vivo. Las QD de FeSe combinadas biocompatibles y las imágenes multifotónicas pueden abrir un nuevo método para realizar bioimágenes in situ no invasivas en sujetos vivos.

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