Applications photothermiques des nanoparticules

Introduction aux propriétés photothermiques des nanoparticules

Les thérapies photothermiques utilisent des agents photosensibilisants pour convertir la lumière appliquée en chaleur, la libération d'énergie provoquant des dommages localisés aux cellules ciblées ou d'autres effets thérapeutiques.

Les nanoparticules plasmoniques sont des candidats uniques pour les agents photosensibilisants, car les propriétés optiques des particules peuvent être largement ajustées en contrôlant la taille et la forme des particules, ce qui permet d'adapter les formulations pour absorber efficacement la lumière à des longueurs d'onde spécifiques et convertir la lumière en chaleur. L'exposition d'un laser dans une solution de nanotiges d'or entraîne une augmentation rapide de la température de la solution, par exemple lorsque les photons sont absorbés par les nanotiges et convertis en chaleur qui est transférée au fluide environnant.

Pour les applications in vivo, la lumière proche infrarouge (NIR) est souvent utilisée pour les thérapies photothermiques : les tissus biologiques sont relativement transparents dans certaines parties du NIR, permettant à la lumière de pénétrer profondément sans être absorbée et sans causer de dommages à l'environnement. tissu. Les propriétés optiques des nanoparticules peuvent être ajustées pour se chevaucher avec ces régions biotransparentes afin d'absorber la lumière NIR appliquée. La figure ci-dessous montre comment la réponse optique de différents types de nanoparticules peut être ajustée dans la fenêtre biotransparente pour absorber la lumière NIR.

La chaleur générée par l’effet photothermique est hautement localisée dans la zone autour de la nanoparticule, provoquant des dommages ciblés aux cellules environnantes. Les surfaces des nanoparticules peuvent être passivées avec du poly(éthylène glycol) (PEG) biologiquement inerte ou peuvent être fonctionnalisées avec des anticorps ou d'autres molécules de ciblage pour se lier sélectivement aux cellules.

nanoComposix propose une bibliothèque complète de nanoparticules plasmoniques qui peuvent être fabriquées dans les conditions de qualité ISO 13485:2016 et GMP/QSR pour produire des matériaux biocompatibles adaptés aux essais cliniques et à une utilisation commerciale.

Résumé des nanoparticules d'or et d'argent disponibles auprès de nanoComposix et exemples de domaines d'application*

Particule Taille (nm) Plage de longueurs d'onde du pic Plasmon (nm) Domaines d'application
Sphérique en or 5–100 500–600 Thérapie photothermique topique/injectable
Nanorods d'or 5–25 600–1100 Thérapie photothermique topique/injectable, essais biologiques, imagerie, administration de médicaments et de gènes
Nanocoches d'or 145–195 660–980 Thérapie photothermique topique/injectable, détection, administration de médicaments et de gènes
Nanoplaques d'argent‡ 40–150 500–1300 Thérapie photothermique topique, détection moléculaire

* Les nanoparticules du catalogue de nanoComposix sont destinées uniquement à la recherche. Pour les exigences en matière de nanoparticules conformes aux BPF ou au QSR, veuillez nous contacter .
† diamètre hydrodynamique mesuré par diffusion dynamique de la lumière (DLS)
‡ diamètre total mesuré par microscopie électronique à transmission (TEM)

Lisez ci-dessous les directives sur la sélection d'une nanoparticule pour votre application et des exemples de nanoparticules utilisées pour les thérapies photothermiques et les applications de nanochauffage.

Les références

  1. Cui, Ximin et coll. "Nanomatériaux photothermiques : un puissant convertisseur lumière-chaleur." Chemical Reviews, 2023, 123(11), 6891-6952.

Directives de sélection des nanoparticules

La sélection du type de nanoparticules et de la chimie de surface pour les applications photothermiques dépend de divers facteurs, par exemple si les particules seront utilisées pour des thérapies topiques ou injectables, pour des applications de nanochauffage ou d'autres utilisations in vitro. D'autres considérations incluent la formulation à utiliser pour le stockage et la livraison, l'environnement auquel les particules seront exposées pendant l'utilisation et les propriétés optiques souhaitées en combinaison avec la source d'éclairage.

Les nanoparticules d'or et d'argent sont généralement sélectionnées pour les applications photothermiques en raison de leur capacité à faire varier de manière contrôlable les propriétés optiques dans les régions visibles et proches infrarouges (NIR) du spectre pour se chevaucher avec les longueurs d'onde laser courantes en modifiant la taille et la forme des particules. La figure ci-dessous montre la plage sur laquelle la résonance plasmonique de différents nanomatériaux peut être ajustée.

L'environnement auquel les particules seront exposées est une considération importante pour maintenir la stabilité des particules et leurs propriétés optiques sur une période de temps requise. Les nanoparticules à base d'or sont généralement plus inertes dans une gamme plus large de conditions de solution que les nanoparticules à base d'argent. Les particules d'argent peuvent s'attaquer rapidement lorsqu'elles sont exposées à du sel ou à des environnements à faible pH, entraînant des modifications indésirables des propriétés optiques des particules ou la libération d'ions d'argent libres si des revêtements autour des particules ne sont pas utilisés pour améliorer la stabilité. Pour ces raisons, les nanomatériaux d'argent sont généralement sélectionnés pour des applications topiques, tandis que les nanomatériaux d'or peuvent être utilisés pour des traitements injectables et topiques.

En plus du réglage global de la longueur d’onde de résonance du plasmon en fonction de la morphologie et de la composition, les réponses de diffusion et d’absorption des particules en fonction de la longueur d’onde peuvent également être ajustées. La figure de gauche ci-dessous montre l'extinction totale (diffusion + absorption) mesurée pour une solution de nanocoquilles d'or. La figure de droite montre l' extinction calculée pour une solution de nanocoquilles d'or , ainsi que les composants calculés de diffusion et d'absorption qui constituent l'extinction totale.

Dans les applications photothermiques, la composante d'absorption des propriétés optiques contribue à la conversion de l'énergie lumineuse en énergie thermique. La contribution de la diffusion peut aider à distribuer l’énergie lumineuse dans une région, augmentant ainsi efficacement la longueur du trajet de la lumière à travers un échantillon et offrant davantage de possibilités d’absorption. Nous pouvons aider à affiner les propriétés optiques des nanoparticules afin d’augmenter l’efficacité dans des applications particulières.

La mise en œuvre de nanoparticules pour des applications photothermiques nécessite la sélection non seulement de la taille, de la forme et du type de métal appropriés des particules, mais également de la chimie de surface et des ligands de ciblage appropriés. Chez nanoComposix, nous pouvons modifier la surface de nombreuses nanoparticules avec des groupes fonctionnels spécifiques, des polymères biocompatibles, des revêtements inorganiques et des biomolécules (protéines, anticorps, oligonucléotides). Le tableau ci-dessous résume certaines des modifications de surface les plus courantes utilisées par nanoComposix pour les applications photothermiques.

Les ligands du polyéthylène glycol (PEG) offrent un degré élevé de biocompatibilité, peuvent améliorer la stabilité dans des environnements riches en sel et réduire les interactions non spécifiques. Les ligands PEG peuvent être liés de manière covalente à la surface métallique pour produire des revêtements stables.
Les coques de silice agissent comme une barrière partielle entre la particule centrale et l'environnement, assurant la compatibilité avec une large gamme de solvants et améliorant la stabilité thermique. La surface de la silice est facilement modifiée pour introduire des groupes fonctionnels ou des polymères sur la surface ou pour attacher des biomolécules ciblées.
Les anticorps, peptides, oligos et autres biomolécules de ciblage peuvent être attachés à de nombreuses surfaces de nanoparticules métalliques par physisorption (conjugaison passive) ou par liaisons covalentes (chimie EDC/NHS, réactifs click ou autres méthodes de couplage).

Exemples de thérapies photothermiques et d'applications

L'hyperthermie basée sur les nanoparticules est une approche thérapeutique dans laquelle les nanoparticules sont administrées localement ou systémiquement, puis activées par une source d'énergie externe pour générer de la chaleur, provoquant des dommages sélectifs aux cellules ou tissus tumoraux voisins. En association avec la chirurgie, la radiothérapie ou la chimiothérapie, l'hyperthermie est un traitement adjuvant efficace contre le cancer.

L’utilisation de nanoparticules métalliques peut offrir certains avantages par rapport aux approches conventionnelles. La passivation de nanoparticules métalliques avec des surfaces biocompatibles telles que le polyéthylène glycol (PEG) peut atteindre de longs temps de circulation, permettant l'accumulation de particules dans les tumeurs via l'effet de perméabilité et de rétention améliorées (EPR), ou en fonctionnalisant les particules avec des molécules ciblant le cancer. L’or étant inerte et non réactif avec les tissus biologiques, la toxicité des nanoparticules d’or suscite moins d’inquiétudes que celle de certains autres agents thérapeutiques, bien que des essais cliniques et des études soient en cours pour continuer à comprendre les risques potentiels. De plus, la section efficace d’absorption des nanoparticules peut être d’un ordre de grandeur supérieure à celle des molécules de colorant organique pouvant être utilisées pour l’absorption, augmentant ainsi l’efficacité des particules à absorber la lumière et à la convertir en chaleur.

Les références

  • Hirsch, Léon R. et coll. "Thérapie thermique proche infrarouge médiée par Nanoshell des tumeurs sous guidage par résonance magnétique." Actes de l'Académie nationale des sciences, 2003, 100(23), 13549-13554.
  • Riley, Rachel S. et Emily S. Day. "Thérapie photothermique médiée par les nanoparticules d'or : applications et opportunités pour le traitement multimodal du cancer." Revues interdisciplinaires Wiley : Nanomédecine et nanobiotechnologie, 2017, 9(4), e1449.
  • Mendes, Rita et coll. "Amélioration photothermique de la chimiothérapie dans le cancer du sein par irradiation visible de nanoparticules d'or." Rapports scientifiques, 2017, 7(1), 10872.
  • Singh, Priyanka et coll. "Nanoparticules d'or dans le diagnostic et la thérapeutique du cancer humain." Journal international des sciences moléculaires, 2018, 19(7), 1979.
  • Chatterjee, Dev Kumar, Parmeswaran Diagaradjane et Sunil Krishnan. "Hyperthermie médiée par les nanoparticules dans le traitement du cancer." Délivrance thérapeutique, 2011, 2(8), 1001-1014.

Les nanoparticules peuvent être fonctionnalisées et chargées d'ingrédients pharmaceutiques actifs (API), agissant comme des nanoporteurs prometteurs pour l'administration ciblée de médicaments ou de gènes. La charge utile de tels systèmes peut être libérée à l’emplacement désigné grâce à la génération de chaleur plasmonique après irradiation par un rayonnement proche infrarouge (NIR), permettant ainsi un autre format de thérapie photothermique. Avec la capacité d'être décoré et/ou chargé avec une variété de composés, notamment la doxorubicine, l'acide hyaluronique, le folate, des polymères (polyéthylène glycol, poly(N-isopropylacrylamide), des protéines (ovalbumine, biotine) et de l'ADN et de l'ARN (siARN et shARN). , les nanoparticules d'or constituent une plate-forme polyvalente pour la délivrance de cargaisons thérapeutiques.

Les références

  1. Liu, Ji et coll. "Nanorodes d'or recouvertes d'une coque de silice mésoporeuse comme système d'administration de médicaments pour une libération activée par la lumière proche infrarouge à distance et une photothérapie potentielle." Petit, 2015, 11(19), 2323-2332.
  2. Kawano, Takahito et al. "Nanorodes d'or recouvertes de gel PNIPAM pour une administration ciblée répondant à un laser proche infrarouge." Chimie bioconjuguée, 2009, 20(2), 209-212.

Les nanoparticules d'or et d'argent ont été utilisées dans des thérapies photothermiques ciblant le traitement du cancer de la peau et d'autres affections cutanées telles que la rosacée et l'acné, ainsi que dans d'autres applications dermatologiques liées à l'épilation ou à la liposuccion. Pour les applications topiques, des nanoparticules à base d'or et d'argent peuvent être utilisées, tandis que les particules à base d'or ne sont généralement utilisées que pour des applications in vivo.

Des formulations topiques contenant des nanoparticules d’or ou d’argent ont été utilisées de manière similaire pour traiter l’acné et améliorer l’efficacité de l’épilation au laser. Dans les deux applications, un gel contenant des nanoparticules à absorption optique ajustée est appliqué sur la peau et l’énergie ultrasonique est utilisée pour chasser les particules dans les pores. Le chauffage des nanoparticules dans les pores peut provoquer un échauffement ciblé et des dommages à la glande sébacée afin de réduire la production de sébum qui peut provoquer de l'acné ou peut de la même manière causer des dommages au follicule pour l'élimination des poils indésirables. La fonctionnalisation de surface, la taille et la composition des nanoparticules sont critiques pour obtenir une pénétration efficace dans les pores et pour l'efficacité du traitement.

Il a également été démontré que l’échauffement local provoqué par les nanoparticules d’or injectées dans les tissus adipeux améliore l’efficacité des procédures de liposuccion, avec le potentiel d’améliorer le temps de récupération du patient.

Les références

  1. Paithankar, Dilip et coll. "Livraison par ultrasons de nanocoquilles de silice-or pour la photothermolyse des glandes sébacées chez l'homme : la nanotechnologie du laboratoire à la clinique." Journal of Controlled Release, 2015, 206, 30-36.
  2. Friedman, Néthanel et coll. "Les propriétés physiques des nanoparticules d'or affectent la pénétration cutanée via les follicules pileux." Nanomédecine : Nanotechnologie, biologie et médecine, 2021, 36, 102414.
  3. Sheng, Wangzhong et coll. "Une étude en simple aveugle évaluant l'efficacité de la liposuccion photothermique assistée par nanoparticules d'or dans un modèle de tissu humain ex vivo." Journal de chirurgie esthétique, 2018, 38(11), 1213-1224.

La cryoconservation permet de conserver au fil du temps des cellules et des tissus viables dans un état congelé et vitrifié (vitreux). Lors de la transition entre les températures biologiques et les températures cryogéniques, la formation de glace à l’intérieur des cellules est généralement mortelle : les vitesses de refroidissement et de chauffage doivent être suffisamment rapides pour éviter la formation de cristaux de glace. Bien que l’injection d’agents cryoprotecteurs puisse réduire la formation de glace, des approches supplémentaires peuvent être nécessaires pour augmenter le taux de réussite de la cryoconservation.

Un exemple de cas où des approches supplémentaires sont nécessaires est la préservation d’embryons aquatiques relativement gros, par exemple pour la banque génétique d’embryons destinés à la recherche ou à l’aquaculture. Une collaboration entre nanoComposix et le professeur John Bischof de l'Université du Minnesota a montré que les nanorodes d'or peuvent être utilisées avec succès comme plate-forme pour la cryoconservation des embryons de poisson zèbre, où leur grande taille limite l'application d'un chauffage par convection externe pendant le processus de réchauffement. L’injection de nanotiges d’or biocompatibles dans les embryons avant la congélation a permis à un laser externe de chauffer rapidement les embryons congelés de l’intérieur, augmentant ainsi considérablement le taux de survie et produisant des embryons qui se développeront en poissons adultes normaux.

Cette technologie a de vastes implications en tant que plate-forme technologique permettant de préserver le matériel génétique de nombreux systèmes vertébrés et non vertébrés. et peut être adapté à des cellules plus grandes et à des systèmes tissulaires de petite taille. La capacité de préserver ce matériel génétique constituera un outil important pour préserver la biodiversité de la planète tout en maintenant d’importants modèles de recherche génétique.

Les références

  1. Khosla, Kanav et coll. "Le réchauffement des embryons induit par des nanorodes d'or à partir de l'état cryogénique améliore la viabilité." ACS Nano, 2017, 11(8), 7869-7878.
  2. Daly, Jonathan et coll. "Cryoconservation réussie des larves de coraux grâce à la vitrification et au réchauffement laser." Rapports scientifiques, 2018, 8(1), 15714.

Alors que le chauffage des nanoparticules peut être utilisé pour induire sélectivement des dommages localisés aux tissus voisins pour des applications d'hyperthermie, les nanoparticules plasmoniques peuvent également être utilisées pour le chauffage en masse in situ de dispersions de particules. Cette propriété peut être utilisée, par exemple, pour surmonter le temps de thermocyclage relativement lent qui peut limiter le débit des techniques conventionnelles de réaction en chaîne par polymérase (PCR) qui utilisent des blocs chauffants volumineux. Il a été démontré que la PCR réalisée en combinaison avec l’irradiation LED ou laser de solutions de nanoparticules réduit considérablement le temps associé à chaque étape de chauffage, améliorant ainsi le taux d’amplification de l’ADN. L'incorporation de nanoparticules dans les étapes d'amplification et autres tests peut améliorer la portabilité et augmenter le débit d'une variété d'applications au point d'intervention.

Les références

  1. Blumenfeld, Nicole R. et coll. "Réaction en chaîne par polymérase quantitative de transcriptase inverse multiplexée utilisant des nanoparticules plasmoniques pour le diagnostic COVID-19 au point de service." Nanotechnologie naturelle, 2022, 17(9), 984-992.
  2. Cheong, Jiyong et coll. "Détection rapide de l'ARN du SRAS-CoV-2 via l'intégration du thermocyclage plasmonique et de la détection de fluorescence dans un appareil portable." Génie biomédical naturel, 2020, 4(12), 1159-1167.

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