Biomarcadores para bioimagem, detecção e fotoativação na área de terapia fotodinâmica

Nanosensibilizadores com emissão por upconversion de longa duração sob excitação de infravermelho próximo (NIR) oferecem vantagens únicas em termos de ruído de fundo reduzido e detecção de sinal prolongada para terapias de tecido profundo de câncer.

Aqui no projeto, demonstramos um mecanismo sistemático de migração de energia para atingir emissão de upconversion do Mn2+ de longa duração na rede multicamadas núcleo-casca-casca de nanopartículas de upconversion (NPs) NaGdF4:Yb3+,Tm3+,Ca2+/NaGdF4:Yb3+,Ca2+/NaGdF4:Mn2+, via de transferência de energia entre íons intermetálicos Yb3+→Tm3+→Gd3+→ Mn2+.

Além disso, um design racional de nanosensibilizador foi alcançado pela incorporação de íons Er3+ na camada intermediária de NPs multicamadas, que foi subsequentemente conjugado com o sensibilizador Rosa-Bengala para permitir o aprimoramento na geração de oxigênio molecular singleto (1O2) sob excitação de um laser no infravermelho próximo de 980 nm.

Uma emissão intensa de energia mais alta na região visível UV-azul do Tm3+ foi alcançada pela otimização da quantidade de Ca2+ nas NPs, seguida pela migração de energia subsequente para o íon Mn2+ incorporado na camada externa. Os íons Mn2+ foram estrategicamente dopados na camada externa dos NPs para alavancar as atividades catalíticas do Mn2+ para decomposição de H2O2 e diminuir a transferência de energia reversa para o íon Tm3+. Portanto, essa abordagem resultou em um tempo vida longa do íon Mn2+ (∼34 ms), atribuída à transição 4T1g → 6A1g proibida por spin dentro da configuração 3d5.

Além disso, o nanosensibilizador demonstrou alta geração de 1O2 (∼0,39 μM) mesmo em uma concentração muito baixa (5 μg/mL) sob uma potência de laser de 2mW cm−2. As atividades catalíticas semelhantes à hidrogenase de Mn2+ exibiram produção significativa de oxigênio por meio da decomposição de H2O2. Portanto, essas descobertas podem contribuir para o desenvolvimento de nanosensibilizadores multifuncionais convenientes para bioimagem multimodal e recursos terapêuticos, incluindo geração eficiente de 1O2 e decomposição catalítica de H2O2 (encontrado em excesso em um ambiente tumoral) em oxigênio para aliviar a hipóxia.

Um outro subprojeto contempla o desenvolvimento de nanopartículas de conversão ascendente de energia (UCNPs) baseadas em Ln3+ têm propriedades ópticas exclusivas que as tornam atraentes para uma ampla variedade de aplicações biomédicas. Entre os diferentes materiais de conversão ascendente (UC), o β-NaYbF4:Tm3+ destaca-se por ter uma seção transversal de absorção elevada, atribuída à alta concentração de íons Yb3+, resultando em forte emissão de luminescência UC (UCL) ultravioleta (UV) e visível (Vis), com alto brilho. No entanto, a concentração elevada de Yb3+ também favorece a perda de energia devido à migração de energia (EM) para a superfície, portanto, é necessária uma camada inativa para proteger as nanopartículas de NaYbF4:Tm3+, formar uma estrutura núcleo/casca e evitar esse processo deletério.

No entanto, a obtenção de uma estrutura núcleo/casca com um revestimento suficientemente espesso continua sendo um desafio, principalmente porque uma grande quantidade de precursor de casca geralmente leva a perdas no controle do tamanho e da morfologia das nanopartículas e, por outro lado, porque a maioria das estratégias de síntese de NPs núcleo/casca são geralmente muito complicadas e exigem um controle rigoroso dos parâmetros de síntese. Aqui, relatamos a síntese de UCNPs com estrutura núcleo/casca NaYbF4:Tm3+@NaYF4 com espessuras de casca que variam de 1,4 nm a 5,9 nm (Figura P). Variando a quantidade de pequenas nanopartículas sacrificiais de NaYF4 injetadas na mistura de reação que contém as NPs centrais de NaYbF4:Tm3+ sintetizadas in-situ previamente (aproximadamente 27 nm), controlamos a espessura do invólucro de forma eficaz sem precisar de um controle rigoroso dos parâmetros de injeção.

Essas UCNPs apresentaram forte emissão, alto rendimento quântico (de até quase 6%) e tempo de vida ultralongo de UCL (de até quase 1,5 ms), dependendo da espessura da casca, representando um avanço na síntese reproduzível de UCNPs com alta eficiência de UC. Após a modificação da superfície com ácido poliacrílico (PAA), as NPs demonstraram excelente dispersão e estabilidade coloidal em água, tampão PBS e meio de cultura. Elas também apresentaram citotoxicidade relativamente baixa em fibroblastos NIH-3T3, com aproximadamente 93% e 87% de viabilidade em concentrações de 500 e 2500 μg mL-1, respectivamente. A bioimagem baseada na UCL das linhas celulares de câncer de mama MBA-MD-231 tratadas com essas nanopartículas modificadas na superfície mostrou internalização bem-sucedida, destacando seu potencial para aplicações de bioimagem.

Outro subprojeto trata de um sensor bio-óptico Layer-by-Layer inovador, que foi desenvolvido para a detecção de bactérias Escherichia coli (E. coli). Este sensor inovador utiliza nanopartículas NaYF4:Yb3+/Er3+ (UCNPs) de upconversion que foram modificadas com cisteína (UCNPs@Cys) e anticorpos E. coli (UCNPs@Cys-Ab). O sistema de detecção óptica empregou filmes Layer-by-Layer (LbL) de UCNPs, aproveitando a emissão de nanopartículas de terras raras para detectar a presença ou ausência de E. coli.

A incorporação de Ab na nanopartícula UCNPs@Cys foi confirmada por meio de imagens SEM-EDS, resultando na formação de micropartículas UCNPs@Cys-Ab agregadas com um diâmetro aproximado de 2 μm. Para analisar melhor a capacidade de detecção, a Análise de Componentes Principais (PCA) foi empregada para examinar as diferenças entre os sensores UCNPs@Cys e UCNPs@Cys-Ab. Os resultados indicaram que a incorporação de anticorpos ao sistema óptico aumentou significativamente a sensibilidade do sensor. Essa melhoria foi evidente na faixa de detecção expandida, que abrangeu de 2 × 103–106 UFC/mL, e no valor notavelmente baixo do limite de detecção (LOD) de 34 UFC/mL. Essas descobertas destacam o amplo potencial do UCNPs@Cys-Ab como um sensor. Além disso, foi demonstrado que a sensibilidade aprimorada do sensor e a ampla faixa de detecção o tornam uma ferramenta inestimável para garantir o bem-estar das comunidades, permitindo o gerenciamento eficaz de potenciais contaminações por E. coli.

Também diferentes sistemas vêm sendo aplicados em resíduos farmacêuticos que são cada vez mais detectados em águas residuais e superficiais, e mesmo em baixas concentrações, podem comprometer a qualidade da água. A cobre-cisteamina (Cu-Cys) suportada em celulose bacteriana surge como um catalisador promissor para a remoção desses resíduos. Este material luminescente e fotossensibilizante pode ser ativado por luz UV, micro-ondas, raios X e ultrassom, aumentando a geração de espécies reativas em sistemas catalíticos para a degradação de contaminantes.

Para facilitar a recuperação do material e reduzir a lixiviação de cobre, Cu-Cys foi imobilizada em celulose bacteriana, que oferece alta área superficial, estabilidade química e capacidade de dispersar partículas metálicas. Este estudo demonstrou um desempenho catalítico robusto de Cu-Cys acoplado à celulose bacteriana no processo Fenton, removendo simultaneamente os antibióticos sulfametazina e sulfadiazina em efluente urbano previamente tratado.

O material sintetizado apresentou pureza de fase e difratograma de DRX similar ao reportado na literatura. Imagens de MEV revelaram uma distribuição uniforme das partículas de Cu-Cys nas fibras de celulose, contribuindo para a estabilidade do material durante os experimentos de degradação. A aplicação desses materiais no processo Fenton em água purificada mostrou que, após 60 minutos de reação no pH natural da solução (pH 8,1) e no escuro, ambos os antibióticos foram completamente removidos.

Experimentos em efluente urbano pré-tratado indicaram uma remoção de 97,5% dos antibióticos. A análise de espectroscopia de fotoelétrons de raios X mostrou a presença de sítios superficiais de Cu(II) e Cu(I), que contribuíram para a geração de espécies reativas de oxigênio. Também indicou um aumento no teor de Cu(I) após o uso, o que favoreceu o processo de degradação dos antibióticos. Esses resultados destacam a estabilidade e eficiência catalítica de Cu-Cys suportado em celulose bacteriana, tornando-o um candidato promissor para a degradação de contaminantes emergentes em águas residuárias.