Nanoestrellas de oro recubiertas con PEG: Agente de contraste seguro y de alto contraste para tomografía computarizada con aclaramiento renal rápido

Resumen

Las nanobolas de oro están emergiendo como herramientas transformadoras para diagnóstico de enfermedades en tomografía computarizada (TC). Comparadas con agentes de yodo de molécula pequeña, las nanopartículas ofrecen detección in vivo superior debido a su mayor área superficial y propiedades fisicoquímicas ajustables. Aquí reportamos la síntesis de nanoestrellas de oro funcionalizadas con polietilenglicol (PEG) (AuNS@PEG) que exhiben alto coeficiente de absorción de masa de rayos X, tamaño ultrapequeño, aclaramiento metabólico eficiente y excelente biocompatibilidad. Escaneos TC in vivo confirman que AuNS@PEG proporcionan mejora robusta de contraste, posicionándolas como prometedor agente de contraste de próxima generación.

Introducción

La última década ha visto avances rápidos en tecnología de nanopartículas (NP) para aplicaciones biomédicas, impulsados por materiales diversos y altas relaciones superficie/volumen. Las NPs de oro (Au), en particular, son apreciadas por su química inerte, biocompatibilidad y alto número atómico, haciéndolas ideales para atenuación de rayos X. Los medios de contraste yodados convencionales —moléculas orgánicas pequeñas como ácido diatrizoico (DTA) e iohexol (Omnipaque)— proporcionan ventanas de imagen cortas y conllevan riesgo de nefrotoxicidad, especialmente en pacientes con función renal comprometida. Los agentes basados en nanopartículas pueden extender el tiempo de imagen, reducir nefrotoxicidad y mejorar eficiencia de contraste, como lo demuestran nanomateriales Au y Ag en estudios recientes.

La nanoestructuración del oro en forma de estrella aumenta el área superficial efectiva, amplificando la atenuación de rayos X por unidad de masa. La funcionalización con PEG mejora además la dispersibilidad acuosa, reduce la adsorción de proteínas y facilita el aclaramiento renal, abordando retos clave de toxicidad y biodistribución de nanopartículas.

Métodos

Todos los protocolos experimentales fueron aprobados por el Comité Regional de Ética, Universidad Médica de Jinzhou, Provincia de Liaoning, China.

Materiales e instrumentos

Los reactivos se obtuvieron de Sigma-Aldrich (St. Louis, MO) y se usaron tal como se recibieron salvo indicación contraria. Los AuNS@PEG se caracterizaron por microscopía electrónica de transmisión (TEM), espectroscopía dispersiva de energía de rayos X (EDX), espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), espectroscopía UV-vis, dispersión dinámica de luz (DLS) y ensayos de viabilidad MTT.

Síntesis de nanopartículas AuNS@PEG

El crecimiento mediado por semillas produjo semillas de Au de 10 nm mediante reducción de HAuCl₄ en agua, seguida de inyección de oleilamina y purificación subsiguiente. Las nanoestrellas de Au (~50 nm) se crecieron mezclando AgNO₃ y ácido ascórbico con una solución de semillas de oro, luego se pasivaron con PEG tiolado (6 kDa) en exceso. Los AuNS@PEG finales se purificaron por centrifugación/redispersión repetida y se almacenaron en agua.

Cultivo celular y exposición

Neuroglia de médula espinal de rata primaria se cultivaron en DMEM suplementado con 10 % SFB, 100 U mL⁻¹ penicilina y 100 µg mL⁻¹ estreptomicina. Las células se expusieron a AuNS@PEG (50–1000 ppm) durante 2 h; los controles recibieron solo medio.

Animales y tratamiento

Ratas Sprague-Dawley macho (180–200 g) se mantuvieron en condiciones estándar. Se establecieron dos grupos: control (inyección intravenosa de PBS) y prueba (200 µg mL⁻¹ AuNS@PEG). Tras la inyección, las ratas se monitorizaron y sacrificaron en puntos temporales específicos para recolección de tejidos.

Ensayo de viabilidad celular

Neuroglia se sembraron a 1 × 10⁴ células mL⁻¹ en placas de 96 pozos y trataron con AuNS@PEG (0–1000 ppm). Tras 24 h, un ensayo MTT cuantificó la actividad metabólica; la absorbancia se leyó a 490 nm.

Citometría de flujo

La apoptosis se evaluó usando tinción annexin V-APC/7-AAD tras 2 h de exposición a AuNS@PEG, seguido de análisis en BD FACSCanto II.

Imagenología TC

TC in vivo se realizó en escáner GE de 128 filas (120 kV, 100 mA, espesor de corte 0,625 mm). Las imágenes se adquirieron pre-inyección y a 0,5, 1, 2, 6 y 24 h post-inyección.

Análisis histológico

Corazón, hígado, riñón, bazo, pulmón e intestino se fijaron, seccionaron y tiñeron con H&E para evaluación morfológica.

Evaluación de función renal

Suero BUN, creatinina, β₂-MG y CO₂ se midieron antes y 24 h tras la inyección para evaluar nefrotoxicidad.

Análisis estadístico

Los datos se presentan como media ± DE. ANOVA de una vía con prueba post-hoc Tukey (p < 0,05) se usó para evaluar significancia.

Resultados y discusión

Síntesis y caracterización de nanopartículas AuNS@PEG

Las imágenes TEM (Fig. 1a) confirman morfología uniforme en forma de estrella con diámetro promedio de ~50 nm. EDX (Fig. 1c) y XPS (Fig. 1b) verifican la presencia de Au y PEG en la superficie de la nanopartícula, confirmando la funcionalización exitosa.

Valor TC de nanopartículas AuNS@PEG

AuNS@PEG exhiben mayor atenuación TC que yodo a concentraciones equivalentes (Fig. 2a). La relación lineal entre valor TC (HU) y concentración de Au (Fig. 2b) demuestra contraste de imagen predecible.

Ensayo de citotoxicidad

Los ensayos MTT muestran >90 % viabilidad celular a 1000 ppm, sin citotoxicidad significativa hasta 200 ppm (Fig. 3a). La citometría de flujo confirma apoptosis despreciable en todas las concentraciones probadas (Fig. 3b).

Imagenología TC in vivo y biodistribución

La inyección intravenosa (200 ppm) produjo clara realce renal, con valores pico HU en riñón aumentando de 95 a 464 HU en 2 h (Fig. 4). Escaneos TC subsiguientes muestran aclaramiento progresivo, con visualización completa de vejiga a 24 h, confirmando excreción renal eficiente.

Tinción H&E

Histología de corazón, hígado, bazo, pulmón, riñón e intestino tras 24 h reveló ninguna patología discernible ni nanopartículas residuales (Fig. 5).

Estudio de función renal de nanopartículas AuNS@PEG

Marcadores séricos (BUN, creatinina, β₂-MG, CO₂) medidos 24 h post-inyección mostraron cambios no significativos comparados con la línea base, indicando ninguna alteración renal (Tabla 1).

Conclusiones

Nanoestrellas de oro recubiertas con PEG de ~50 nm de diámetro exhiben alta atenuación de rayos X, excelente biocompatibilidad y rápido aclaramiento renal. Su perfil de seguridad favorable y rendimiento de contraste superior las convierten en fuertes candidatas para imagenología TC clínica, ofreciendo alternativa más segura a agentes yodados.