Aplicações Biomédicas de Nanoclusters de Ouro: Avanços Recentes e Direções Futuras

Resumo

Nanoclusters de ouro (AuNCs) emergiram como uma classe versátil de sondas fluorescentes, devido ao seu tamanho atômico, emissão ajustável e notável estabilidade química. Sua solubilidade inerente em água, baixa citotoxicidade e excepcional fotostabilidade tornam AuNCs ideais para imagem celular de longo prazo, detecção ultrasensível e terapêutica direcionada. Esta revisão examina avanços recentes em AuNCs sintetizados com ligantes de pequenas moléculas, poliméricos e biomacromoleculares, destacando avanços em imagem, sensoriamento e terapia. Também discutimos limitações atuais — como rendimentos quânticos subótimos e heterogeneidade de ligantes — e delineamos direções futuras de pesquisa que prometem desbloquear todo o potencial biomédico dos AuNCs.

Introdução

Nanomateriais estão remodelando a pesquisa biomédica ao oferecer controle sem precedentes sobre tamanho, forma e química de superfície. Em comparação com contrapartes em massa, AuNCs — compostos de alguns a algumas centenas de átomos de ouro — exibem assinaturas ópticas únicas, incluindo fluorescência brilhante do visível ao infravermelho próximo (NIR), longos tempos de vida e grandes deslocamentos de Stokes. Estes atributos, combinados com funcionalização de superfície facilitada, posicionam AuNCs como alternativas superiores a corantes orgânicos e pontos quânticos de semicondutores para imagem celular, sensoriamento molecular e terapia fotodinâmica. Anos recentes viram explosão de trabalhos explorando AuNCs conjugados a diversos ligantes, permitindo propriedades físico-químicas personalizadas e biocompatibilidade aprimorada. Embora várias revisões abrangentes tenham abordado aplicações analíticas de AuNCs, este artigo foca em sua utilidade biomédica e no desenho estratégico de arquiteturas de ligantes que impulsionam desempenho em imagem, detecção e terapia.

Examinamos três classes de ligantes — pequenas moléculas, polímeros e biomacromoléculas — cujas químicas distintas conferem aos AuNCs capacidades de direcionamento específicas, rendimentos quânticos melhorados e multifuncionalidade. Os desafios e oportunidades futuras que emergem destes estudos são resumidos na seção final.

AuNCs Conjugados a Pequenas Moléculas

Ligantes de pequenas moléculas são a escolha mais comum para síntese de AuNCs porque fornecem controle preciso sobre tamanho e química de superfície. Por exemplo, AuNCs revestidos com D‑penicilamina (DPA‑AuNCs) são excepcionalmente brilhantes, solúveis em água e prontamente internalizados por células HeLa, permitindo imagem confocal de dois fótons após apenas 2 h de incubação. As reconstruções 3‑D resultantes demonstram distribuição intracelular uniforme e alta fotostabilidade.

a Imagem confocal de células HeLa após 2 h de incubação com DPA‑AuNCs (verde). b Reconstrução 3‑D mostrando internalização uniforme.

AuNCs revestidos com ácido diidrolipoico (DHLA‑AuNCs) foram as primeiras nanopartículas a permitir imagem de tempo de vida de fluorescência (FLIM) em células vivas. Enquanto células HeLa não tratadas exibem tempos de vida curtos (1,5–4 ns), DHLA‑AuNCs conferem tempos de vida longos (500–800 ns), facilitando mapeamento subcelular baseado em FLIM.

Imagens de intensidade (a, c) e FLIM (b, d) de células HeLa antes (a, b) e depois (c, d) de incubação com DHLA‑AuNCs. Barras de escala = 10 µm.

Biossíntese de AuNCs dependente de linhagem celular também foi demonstrada: células HepG2 e K562 convertem espontaneamente ácido cloroáurico em AuNCs, enquanto células não cancerosas L02 não o fazem, sugerindo estratégia potencial de imagem seletiva de tumores. AuNCs estabilizados por tripsina (try‑AuNCs) exibem emissão NIR e podem atuar simultaneamente como sensor de transferência de energia aprimorada por plasmon de superfície (SPEET) para heparina e como sonda de imagem de câncer direcionada por ácido fólico.

try‑AuNCs: biossensor NIR de dupla função e bioprova de imagem de câncer in vivo.

Química de ligante expande ainda mais capacidades de sensoriamento. AuNCs com dopaquinona complexam íons Fe³⁺, levando a agregados >500 nm e quenching pronunciado de fluorescência, permitindo detecção de Fe³⁺ em meio aquoso. AuNCs com ácido 11-mercaptoundecanoico (MUA‑AuNCs) formam complexos estáveis com Hg²⁺ e bitióis, fornecendo sensoriamento seletivo baseado em fluorescência de mercúrio e tióis relacionados. AuNCs estabilizados por vancomicina (Van‑AuNCs) foram aplicados para monitorar Fe³⁺ em diversas amostras de água, demonstrando relevância ambiental. AuNCs funcionalizados com quitosana (AuNCs@Chi) serviram como sensor de sulfeto de hidrogênio baseado em FRET, capitalizando o papel do H₂S em vasodilatação e neurotransmissão.

AuNCs revestidos com glutationa (GSH‑AuNCs) foram projetados para detecção rápida e seletiva de lisina e cisteína com alta fotostabilidade. Montagens FRET usando GSH‑AuNCs alcançam sensoriamento ultrasensível de cisteína, potencialmente auxiliando diagnóstico de distúrbios relacionados à cisteína. AuNCs templateados por queratina, explorando proteínas ricas em cisteína, detectam Hg²⁺ via sondas de duplo emissor ponto de carbono/cluster de ouro com resposta ratiométrica. AuNCs revestidos com ciclodextrina detectam seletivamente íons Co²⁺, com captação celular confirmada in vitro.

Mais recentemente, GSH‑AuNCs ultrasmall foram desenvolvidos como radiossensibilizadores metabolizáveis. Seu tamanho pequeno (~2 nm) e alta atenuação de raios‑X permitem radioterapia aprimorada através de interações fotoelétricas e Compton, enquanto revestimentos de GSH garantem acúmulo tumoral via efeito EPR e depuração renal pós‑tratamento, minimizando toxicidade off‑target.

AuNCs Conjugados a Polímeros

Ligantes poliméricos conferem funcionalidade adicional aos AuNCs, incluindo estabilidade coloidal melhorada, carga de superfície ajustável e biocompatibilidade. AuNCs revestidos com polimetacrilato terminado em tioéter multidentado (PTMP‑PMAA) exibem fotostabilidade excepcional e rotulam seletivamente células mononucleares de sangue de cordão (CBMCs) versus células de leucemia K562, refletindo internalização diferencial. Tal internalização seletiva ressalta o potencial de AuNCs revestidos por polímeros para imagem hematopoiética direcionada e liberação de fármacos.

Rotulagem de células normais (CBMCs) e cancerígenas (K562) com PTMP‑PMAA‑AuNCs versus pontos quânticos.

Aldek et al. introduziram AuNCs funcionalizados com PEG e zwitterion via ligantes bidentados de ácido lipóico, demonstrando robusta estabilidade a pH e tolerância a sal — atributos chave para imagem e sensoriamento biológico. Chen et al. desenharam um copolímero anfifílico responsivo a pH (PDNH) encapsulando AuNCs, resultando em nanocompósito (L‑AuNCs/FA‑PDNH) que combina imagem de cânceres superexpressando folato com liberação de paclitaxel.

Fabricação de nanocompósito L‑AuNCs/FA‑PDNH para dupla imagem e terapia com paclitaxel.

AuNCs estabilizados por polietilenimina (PEI‑AuNCs) fornecem carga de superfície catiônica, facilitando entrega gênica e forte fluorescência vermelha em células HepG2, oferecendo plataforma dual imagem/terapêutica. FA‑Ova‑AuNCs, montados via linker N‑acriloxissuccinimida, coram seletivamente células HeLa positivas para receptor de folato, confirmando captação mediada por receptor.

Esquema para síntese de FA‑Ova‑AuNC e imagem de células HeLa.

Um cluster Au(I) altamente fosforescente embutido em filme polimérico macroporoso fornece sensor colorimétrico de cianeto, capaz de detectar CN⁻ em amostras de alimentos e ambientais com alta seletividade e custo‑efetividade — crítico para monitoramento de saúde pública.

AuNCs Conjugados a Biomoléculas

Ligantes biomacromoleculares, ricos em grupos tiol, oferecem biocompatibilidade e reconhecimento específico. AuNCs funcionalizados com transferrina (Tf) combinados com óxido de grafeno (Tf‑AuNCs/GO) constituem uma sonda NIR "turn‑on" que ilumina seletivamente células HeLa superexpressando receptor de Tf, poupando fibroblastos 3T3 normais. Esta captação seletiva demonstra o potencial da sonda para imagem direcionada de cânceres impulsionados por metabolismo de ferro.

Sonda Tf‑AuNCs/GO para imagem de células HeLa positivas para TfR após 4 h de incubação.

AuNCs templateados por DNA oferecem síntese verde rápida (2 min) que produz nanoclusters luminescentes cuja intensidade escala linearmente com concentração de DNA, permitindo quantificação de DNA em tempo real em células HeLa e A549. A baixa toxicidade e emissão ajustável em todas as quatro bases de DNA fornecem plataforma versátil para análise de ácidos nucleicos.

Nguyen et al. construíram nanocomplexo AuNC/grafeno de duplo ligante que atua como sonda "turn‑on" para metaloproteinase de matriz‑9 (MMP‑9). Um peptídeo contendo sítio de clivagem de MMP‑9 serve como estabilizador e ligante direcionador, alcançando limite de detecção de 0,15 nM e imagem seletiva de MMP‑9 secretado por células MCF‑7.

Song et al. desenvolveram ensaio de fluorescência verde sem marcador para quinases proteicas explorando agregação induzida por Zr de complexos AuNC‑peptídeo fosforilado, oferecendo alta sensibilidade e fluxo de trabalho simplificado para medição de atividade de CK2.

Selvaprakash et al. aproveitaram proteínas baratas de clara de ovo (AuNCs@ew) para produzir sondas fluorescentes para detecção de ATP e PPi via síntese de passo único assistida por micro-ondas. Os AuNCs@ovalbumina resultantes dominam a resposta óptica, permitindo sensoriamento rápido e custo‑efetivo de fosfato em matrizes biológicas e ambientais.

Wu et al. sintetizaram BSA/GSH‑AuNCs com excitação a 330 nm e emissão a 650 nm, demonstrando quenching eficiente de NO₂⁻ a pH 3,0 mantendo alta tolerância a sal — ideal para análise de amostras complexas. Estudos concomitantes revelaram que AuNCs revestidos com BSA sofrem mudanças conformacionais reversíveis com mudanças de pH, oferecendo insights sobre interações ligante‑nanocluster.

Ghosh et al. investigaram impacto de AuNCs na atividade de α‑quimotripsina, encontrando que ligação de AuNCs inativa a enzima, mas GSH ou GSH oxidado podem restaurar parcialmente a atividade — observação que pode informar modulação enzimática direcionada em células cancerosas com níveis elevados de glutationa.

Finalmente, cirurgia guiada por fluorescência avançou com AuNCs conjugados a ácido diatrizoico e aptâmero AS1411, permitindo dupla imagem CT/NIR e delimitação intraoperatória de tumor em modelo murino CL1‑5. A alta fotostabilidade e direcionamento tumor‑específico destas sondas fornecem plataforma promissora para orientação cirúrgica em tempo real.

Conclusões

Em resumo, a literatura revisada ressalta a versatilidade de AuNCs como sondas fluorescentes nos domínios de imagem, sensoriamento e terapêutico. Desafios-chave permanecem: (1) alcançar rendimentos quânticos acima de 20% para permitir imagem multiplexada; (2) garantir uniformidade de tamanho para estreitar larguras de banda de emissão; e (3) controlar precisamente a química da camada de ligante para personalizar reatividade de superfície e biodistribuição. Endereçar estes obstáculos através de desenho racional de ligantes, síntese de alto rendimento e estudos mecanísticos aprofundados acelerará a tradução de AuNCs para diagnóstico clínico e medicina personalizada.

Com esforços interdisciplinares contínuos, AuNCs estão preparados para se tornar pedra angular de imagem biomédica de próxima geração e terapia direcionada.

Abreviações

AuNCs:

Nanoclusters de ouro

BSA:

Albumina sérica bovina

CBMC:

Células mononucleares de sangue de cordão

CD:

Dicroísmo circular

Chi:

Quitosana

ChT:

Quimotripsina

DHLA:

Ácido diidrolipoico

DPA:

D‑penicilamina

DTT:

Ditiotreitol

FA:

Ácido fólico

FLIM:

Imagem de tempo de vida de fluorescência

FRET:

Transferência de energia de ressonância de Förster

GSH:

Glutationa

GST:

Glutationa‑S‑transferase

MUA:

Ácido 11-mercaptoundecanoico

Ova:

Ovalbumina

PCR:

Reação em cadeia da polimerase

PDNH:

Poli(DBAM‑co‑NAS‑co‑HEMA)

PEI:

Polietilenimina

PPi:

Pirofosfato

PTMP‑PMAA:

Polimetacrilato terminado em tioéter multidentado

SPEET:

Transferência de energia aprimorada por plasmon de superfície

Tf:

Transferrina

Try:

Tripsina

VAN:

Vancomicina