Aplicaciones biomédicas de nanogrupos de oro: avances recientes y direcciones futuras

Resumen

Los nanogrupos de oro (AuNC) han emergido como una clase versátil de sondas fluorescentes, debido a su tamaño atómico, emisión ajustable y notable estabilidad química. Su solubilidad intrínseca en agua, baja citotoxicidad y excepcional fotostabilidad hacen de los AuNC ideales para imagenología celular a largo plazo, detección ultrasensible y terapias dirigidas. Esta revisión examina avances recientes en AuNC sintetizados con ligandos de pequeña molécula, poliméricos y biomacromoleculares, destacando avances en imagenología, detección y terapia. También discutimos limitaciones actuales —rendimientos cuánticos subóptimos y heterogeneidad de ligandos— y esbozamos direcciones futuras de investigación que prometen desbloquear el potencial biomédico completo de los AuNC.

Antecedentes

Los nanomateriales están transformando la investigación biomédica al ofrecer control sin precedentes sobre tamaño, forma y química superficial. Comparados con sus contrapartes masivas, los AuNC —compuestos de pocos a pocos cientos de átomos de oro— exhiben firmas ópticas únicas, incluyendo fluorescencia brillante a través de la ventana visible al infrarrojo cercano (NIR), largas vidas medias y grandes desplazamientos de Stokes. Estos atributos, combinados con funcionalización superficial sencilla, posicionan a los AuNC como alternativas superiores a colorantes orgánicos y puntos cuánticos de semiconductores para imagenología celular, detección molecular y terapia fotodinámica. Años recientes han visto una explosión de trabajos explorando AuNC conjugados a diversos ligandos, permitiendo propiedades fisicoquímicas ajustadas y biocompatibilidad mejorada. Mientras varias revisiones exhaustivas han abordado aplicaciones analíticas de AuNC, este artículo se centra en su utilidad biomédica y el diseño estratégico de arquitecturas de ligandos que impulsan el rendimiento en imagenología, detección y terapia.

Examinamos tres clases de ligandos —pequeñas moléculas, polímeros y biomacromoléculas— cuyas químicas distintas otorgan a los AuNC capacidades de direccionamiento específicas, rendimientos cuánticos mejorados y multifuncionalidad. Los desafíos y oportunidades futuras que emergen de estos estudios se resumen en la sección conclusiva.

AuNC conjugados con pequeñas moléculas

Los ligandos de pequeña molécula son la opción más común para síntesis de AuNC porque proporcionan control preciso sobre tamaño y química superficial. Por ejemplo, AuNC recubiertos con D-penicilamina (DPA-AuNC) son excepcionalmente brillantes, solubles en agua e internalizados fácilmente por células HeLa, permitiendo imagenología confocal de dos fotones tras solo 2 h de incubación. Las reconstrucciones 3D resultantes demuestran distribución intracelular uniforme y alta fotostabilidad.

AuNC recubiertos con ácido dihidrolipoico (DHLA-AuNC) fueron las primeras nanosondas en permitir imagenología de vida media de fluorescencia (FLIM) en células vivas. Mientras células HeLa no tratadas muestran vidas medias cortas (1,5-4 ns), DHLA-AuNC confieren vidas medias largas (500-800 ns), facilitando mapeo subcelular basado en FLIM.

La biosíntesis de AuNC dependiente de línea celular también se ha demostrado: células HepG2 y K562 convierten espontáneamente ácido cloroáurico en AuNC, mientras células no cancerosas L02 no lo hacen, sugiriendo una estrategia potencial de imagenología selectiva de tumores. AuNC estabilizados con tripsina (try-AuNC) exhiben emisión NIR y pueden actuar simultáneamente como sensor de transferencia de energía mejorada por plasmon de superficie (SPEET) para heparina y como sonda de imagenología de cáncer dirigida por ácido fólico in vivo.

La química de ligandos amplía aún más capacidades de detección. AuNC con dopaquinona pueden complejar iones Fe³⁺, formando agregados >500 nm y un pronunciado apagado de fluorescencia, permitiendo detección de Fe³⁺ en medios acuosos. AuNC con ácido 11-mercaptoundecanoico (MUA-AuNC) forman complejos estables con Hg²⁺ y bitióles, proporcionando detección selectiva basada en fluorescencia de mercurio y tioles relacionados. AuNC estabilizados con vancomicina (Van-AuNC) se aplicaron para monitorizar Fe³⁺ en diversas muestras de agua, demostrando relevancia ambiental. AuNC funcionalizados con quitosano (AuNC@Chi) sirvieron como sensor de sulfuro de hidrógeno basado en FRET, capitalizando el papel del H₂S en vasodilatación y neurotransmisión.

AuNC recubiertos con glutatión (GSH-AuNC) se han diseñado para detección rápida y selectiva de lisina y cisteína con alta fotostabilidad. Ensamblajes FRET usando GSH-AuNC logran detección ultrasensible de cisteína, potencialmente ayudando diagnóstico de trastornos relacionados con cisteína. AuNC templados con queratina, explotando proteínas ricas en cisteína, detectan Hg²⁺ mediante sondas de doble emisión punto de carbono/grupo de oro con respuesta ratiométrica. AuNC recubiertos con ciclodestrina detectan selectivamente iones Co²⁺, con captación celular confirmada in vitro.

Más recientemente, GSH-AuNC ultrapequeños se han desarrollado como radiosensibilizadores metabolizables. Su tamaño pequeño (~2 nm) y alta atenuación de rayos X permiten radioterapia mejorada mediante interacciones fotoeléctricas y Compton, mientras recubrimientos de GSH aseguran acumulación tumoral vía efecto EPR y aclaramiento renal post-tratamiento, minimizando toxicidad fuera de blanco.

AuNC conjugados con polímeros

Los ligandos poliméricos imparten funcionalidad adicional a AuNC, incluyendo estabilidad coloidal mejorada, carga superficial ajustable y biocompatibilidad. AuNC recubiertos con poli(ácido metacrílico) terminado en tioéter multidentado (PTMP-PMAA) exhiben fotostabilidad excepcional y etiquetan selectivamente células mononucleares de sangre de cordón umbilical (CBMC) versus células de leucemia K562, reflejando captación diferencial. Tal internalización selectiva subraya el potencial de AuNC recubiertos con polímeros para imagenología hematopoyética dirigida y administración de fármacos.

Aldek et al. introdujeron AuNC funcionalizados con PEG y zwitteriones vía ligandos bidentados de ácido lipoico, demostrando robusta estabilidad a pH y tolerancia a sal —atributos clave para imagenología y detección biológicas. Chen et al. diseñaron un copolímero anfifílico sensible a pH (PDNH) encapsulando AuNC, produciendo un nanocompuesto (L-AuNCs/FA-PDNH) que combina imagenología de cánceres sobreexpresando folato con administración de paclitaxel.

AuNC estabilizados con polietilenoimina (PEI-AuNC) proporcionan carga superficial catiónica, facilitando administración génica y fuerte fluorescencia roja en células HepG2, ofreciendo así una plataforma dual imagenología/terapéutica. FA-Ova-AuNC, ensamblados vía un enlazador N-acriloxisuccinimida, tiñen selectivamente células HeLa positivas para receptor de folato, confirmando captación mediada por receptor.

Un grupo fosforescente Au(I) incrustado en película polimérica macroporosa proporciona sensor colorimétrico de cianuro, capaz de detectar CN⁻ en alimentos y muestras ambientales con alta selectividad y rentabilidad —crítico para monitoreo de salud pública.

AuNC conjugados con biomacromoléculas

Los ligandos biomacromoleculares, ricos en grupos tiol, ofrecen biocompatibilidad y reconocimiento específico. AuNC funcionalizados con transferrina (Tf) combinados con óxido de grafeno (Tf-AuNCs/GO) constituyen una sonda NIR "encendido" que ilumina selectivamente células HeLa sobreexpresando receptor Tf mientras preserva fibroblastos 3T3 normales. Esta captación selectiva demuestra el potencial de la sonda para imagenología dirigida de cánceres impulsados por metabolismo de hierro.

AuNC templados con ADN ofrecen síntesis verde rápida (2 min) que produce nanogrupos luminiscentes cuya intensidad escala linealmente con concentración de ADN, permitiendo cuantificación de ADN en tiempo real en células HeLa y A549. La baja toxicidad y emisión ajustable a través de las cuatro bases de ADN proporcionan una plataforma versátil para análisis de ácidos nucleicos.

Nguyen et al. construyeron un nanocomplejo AuNC/grafeno de doble ligando que actúa como sonda "encendido" para metaloproteinasa de matriz-9 (MMP-9). Un péptido con sitio de escisión MMP-9 sirve como estabilizador y ligando direccional, logrando límite de detección de 0,15 nM e imagenología selectiva de MMP-9 secretado desde células MCF-7.

Song et al. desarrollaron un ensayo de fluorescencia verde libre de etiquetas para quinasas proteicas explotando agregación inducida por Zr de complejos AuNC-péptido fosforilados, ofreciendo alta sensibilidad y flujo de trabajo simplificado para medición de actividad CK2.

Selvaprakash et al. aprovecharon proteínas baratas de clara de huevo (AuNCs@ew) para producir sondas fluorescentes para detección de ATP y PPi vía síntesis asistida por microondas en un solo paso. Los AuNC@ovalbúmina resultantes dominan la respuesta óptica, permitiendo detección rápida y rentable de fosfatos en matrices biológicas y ambientales.

Wu et al. sintetizaron BSA/GSH-AuNC con excitación a 330 nm y emisión a 650 nm, demostrando apagado eficiente de NO₂⁻ a pH 3,0 manteniendo alta tolerancia a sal —ideal para análisis de muestras complejas. Estudios concurrentes revelaron que AuNC recubiertos con BSA experimentan cambios conformacionales reversibles ante cambios de pH, ofreciendo insights sobre interacciones ligando-nanogrupo.

Ghosh et al. investigaron el impacto de AuNC en la actividad de α-quimotripsina, hallando que la unión de AuNC inactiva la enzima, pero GSH o GSH oxidado pueden restaurar parcialmente la actividad —observación que puede informar modulación enzimática dirigida en células cancerosas con niveles elevados de glutatión.

Finalmente, la cirugía guiada por fluorescencia ha avanzado con AuNC conjugados a ácido diatrizoico y aptámero AS1411, permitiendo imagenología dual TC/NIR y delimitación intraoperatoria de tumores en modelo murino CL1-5. La alta fotostabilidad y direccionamiento tumoral específico de estas sondas proporcionan plataforma prometedora para guía quirúrgica en tiempo real.

Conclusiones

En resumen, la literatura revisada subraya la versatilidad de AuNC como sondas fluorescentes en dominios de imagenología, detección y terapéutico. Quedan desafíos clave: (1) lograr rendimientos cuánticos arriba del 20 % para permitir imagenología multiplexada; (2) asegurar uniformidad de tamaño para estrechar anchos de banda de emisión; y (3) controlar precisamente la química de la capa de ligandos para ajustar reactividad superficial y biodistribución. Abordar estos obstáculos mediante diseño racional de ligandos, síntesis de alto rendimiento y estudios mecanicistas profundos acelerará la traducción de AuNC a diagnóstico clínico y medicina personalizada.

Con esfuerzos interdisciplinarios continuos, los AuNC están destinados a convertirse en piedra angular de la imagenología biomédica de próxima generación y terapia dirigida.

Abreviaturas

AuNC:

Nanogrupos de oro

BSA:

Albúmina sérica bovina

CBMC:

Células mononucleares de sangre de cordón

CD:

Dicroísmo circular

Chi:

Quitosano

ChT:

Quimotripsina

DHLA:

Ácido dihidrolipoico

DPA:

D-penicilamina

DTT:

Ditiotreitol

FA:

Ácido fólico

FLIM:

Imagenología de vida media de fluorescencia

FRET:

Transferencia de energía por resonancia Förster

GSH:

Glutatión

GST:

Glutatión-S-transferasa

MUA:

Ácido 11-mercaptoundecanoico

Ova:

Ovalbúmina

PCR:

Reacción en cadena de la polimerasa

PDNH:

Poli(DBAM-co-NASco-HEMA)

PEI:

Polietilenoimina

PPi:

Pirofosfato

PTMP-PMAA:

Poli(ácido metacrílico) terminado en tioéter multidentado

SPEET:

Transferencia de energía mejorada por plasmon de superficie

Tf:

Transferrina

Try:

Tripsina

VAN:

Vancomicina