Nanohíbridos luminescentes emissores de luz vermelha para aplicações em imageamento celular e nanotermometria

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Data

2024-04-15

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Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

Sondas luminescentes emissoras de luz vermelha a base de íons európio (Eu3+) têm sido essenciais na compreensão de bioprocessos a nível intracelular por permitirem o imageamento e a coleta de informações fisiológicas do ambiente em que estão, como por exemplo, a temperatura. Neste contexto, complexos -dicetonatos de Eu3+, especialmente os de tta (2-tenoiltrifluoroacetona) e dbm (dibenzoilmetano), são fortes candidatos no desenvolvimento de biosondas e termômetros luminescentes. Mas, a bioaplicação desses complexos é, muitas vezes, limitada pela baixa solubilidade e baixo rendimento quântico de emissão em água, além da danosa radiação ultravioleta ser a fonte de excitação preferencial. Embora os problemas de solubilidade serem contornados pela imobilização dos complexos em nanopartículas que contenham carga de superfície, ainda é necessário intensificar as propriedades fotofísicas de emissão desses materiais e utilizar excitações de menor energia que não prejudiquem as células. Neste trabalho, complexos de európio foram ancorados na superfície de três diferentes nanoestruturas esféricas, todas elas contendo uma superfície externa de sílica, são elas (i) nanopartículas de sílica densa (NPS); (ii) nanoestruturas núcleo@casca do tipo Ag@SiO2 e; (iii) UCNP@SiO2 (UCNP = nanopartículas de conversão ascendente de luz, ou upconversion) visando aplicações em bioimagem e sensoriamento de temperatura. Primeiro, NPS de 50 e 170 nm decoradas com complexos de tta e dbm foram desenvolvidas através de três abordagens experimentais resultando em híbridos com estruturas similares, mas com diferentes cargas de superfície. Testados como agentes de contrate no imageamento de células cancerígenas de fígado tipo Huh-7.5, os híbridos de tta apresentaram as melhores propriedades espectroscópicas e os resultados mostraram uma dependência tanto da carga de superfície quanto do tamanho dos híbridos com a toxicidade, internalização e perfil de marcação citoplasmática das células. O segundo estudo foi baseado no uso de estruturas plasmônicas Ag@SiO2 objetivando intensificar as propriedades de emissão dos complexos para produção de sondas mais eficientes. Para isso, um longo estudo de síntese e caracterização da AgNp e seu recobrimento com sílica (Ag@SiO2) foi desenvolvido. Os resultados mostraram que a prata intensificou em até 15 vezes a emissão da luz vermelha com maior pureza de cor quando comparado aos híbridos contendo apenas NPS, mas que esta intensificação foi dependente da espessura da casca de sílica, do comprimento de onda de excitação e do solvente que as partículas foram suspensas. Apesar da intensificação, acima de 50 g/mL o híbrido plasmônico é ligeiramente mais tóxico do que os mímicos de NPS, mas em baixas dosagens, não causa danos para as células Huh-7.5, marcando a região citoplasmática. O terceiro estudo mostrou que os complexos foram sensibilizados por radiação infravermelha de baixa energia (980 nm) de maneira indireta através da transferência de energia predominantemente radiativa dos fótons UV emitidos pelas UCNPs (LiYbF4:Tm@LiYF4) . A combinação sinérgica de componentes downshifting e upconversion, além de resultar em uma biosonda interessante para ensaios de bioimagem, deu origem a três nanotermômetros luminescentes de um ou dois centros com altos valores de sensibilidade térmica relativa (Sr > 1%∙°C-1) na faixa de temperatura fisiológica (15-50°C). Desta forma, neste trabalho apresentamos os potenciais e as limitações de dois novos sistemas híbridos luminescentes que podem atenuar problemas convencionais encontrados em ensaios de bioimageamento e termometria, através da intensificação da luminescência por efeito plasmônico ou uso de excitação por conversão ascendente.
Europium (Eu3+)-based red-light luminescent probes have been essential in the comprehension of bioprocesses at an intracellular level as they allow the imaging and gathering of physiological information from the surround environment, such as the temperature. In this context, Eu3+ -diketonate complexes, especially those of tta (2-thenoyltrifluoroacetone) and dbm (dibenzoylmethane), are strong candidates for the development of bioprobes and luminescent thermometers. However, their bioapplication is often limited by the low solubility and low quantum yield of emission in water, besides the dangerous ultraviolet radiation is normally used as excitation source. Although solubility problems can be overcome by immobilizing the complexes in nanoparticles containing charged surfaces, it is still necessary to intensify the photophysical emission properties of these materials and lower the energy excitation to protect the biological environment. Herein, europium complexes were covalently grafted on the surface of three different spherical nanostructures, all of them containing an external silica surface, they are (i) dense silica nanoparticles (SNP); (ii) core@shell nanostructures of the type Ag@SiO2 and; (iii) UCNP@SiO2 (UCNP = upconversion nanoparticles) aiming applications in bioimaging and temperature sensing. First, 50 and 170 nm SNP grafted with tta and dbm complexes were developed through three experimental approaches resulting in hybrids with similar structures but different surface charges. Because of their best spectroscopic properties, tta-hybrids were tested as contracting agents in the imaging of Huh-7.5 liver cancer cells and the results showed a dependence of both the surface charge and the size of the hybrids on their toxicity, internalization, and cytoplasmic cell labeling profile. The second study was based on the use of Ag@SiO2 plasmonic structures aiming the intensification of the emission properties of the complexes to produce more efficient bioprobes. For that, a long study of the syntheses and characterization of AgNp and its coating with silica (Ag@SiO2) was developed. The results showed that AgNP enhanced up to 15-fold the red-light emission with higher color purity when compared to NPS-based hybrids, but such intensification was dependent on the silica shell thickness, the excitation wavelength, and the solvent in which the particles were suspended. Despite the enhancement, at concentrations above 50 µg/mL, the plasmonic hybrid was slightly more toxic than the NPS mimics, but, at lower doses it did not damage the Huh-7.5 cells and labels the cytoplasmic region. Finally, the third study showed that the complexes were indirectly sensitized by low-energy infrared radiation (980 nm) through the predominantly radiative energy transfer of UV photons emitted by UCNPs (LiYbF4:Tm@LiYF4) . Moreover, resulting in an interesting bioprobe for bioimaging assays, the synergistic combination of downshifting and upconversion components gave rise to three luminescent nanothermometers of one or two centers with high relative thermal sensitivity values (Sr > 1%∙°C-1) within the physiological temperature range (15-50°C). Therefore, here, we highlight potentials and limitations of two new luminescent hybrid systems that can overcome conventional issues found in bioimaging and thermometry assays, through the intensification of the luminescence by plasmonic effect or the use of excitation by upconvertion.

Descrição

Palavras-chave

Európio, SPR (ressonância plasmônica de superfície), Agentes de contrastes (diagnóstico por imagem), Termômetro e termometria, Fotoluminescência, Europium, SPR (surface plasmon resonance), Sontrast agents (diagnostic imaging), Thermometers and thermometry, Photoluminescence

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