Synergic thermo- and pH-sensitive hybrid microgels with self-assembled fluorescent dyes and ultrasmall gold nanoparticles for intracellular raman sensing, photoacoustic imaging and photothermal therapy
Auto-assemblage de microgels, de sondes fluorescentes et de nanoparticules d'or pour des applications biomédicales
Abstract
The design of smart hydrogel particles doped with plasmonic nanoparticles has attracted great in-terest in recent years due to their promising outlook in nanomedicine as therapeutic systems and bioimag-ing agents. Nanocomposite microgels were found particularly interesting as contrast agents for photoacoustic imaging (PAI), an emerging noninvasive and inexpensive bio-imaging modality, with promising prospects for cancer theranostics. Microgels can act as protective carriers to incorporate photoacoustic im-aging contrast agents thanks to their high loading capacity, biocompatibility and stimuli-responsive proper-ties. Plasmonic nanoparticles (NPs) are promising candidates for PAI contrast agents due to their outstanding optical properties based on localized surface plasmon (LSP). However, the synthesis of hybrid materials based on microgels doped with plasmonic NPs is a challenging task with the necessity to control sever-al features, such as particle sizes and doping levels in order to tailor their final properties in relation to the targeted application. To meet this challenge, we have developed in this PhD work an innovative modular strategy to achieve the rational design of well-defined and densely filled hybrid particles. It is based on the step-by-step self-assembly of the different building blocks, including microgels, dyes and gold nanoparticles and the tuning of nanoparticle loading within the polymer matrix through successive incubation steps, leading to densely filled microgels. A polymer matrix made of copolymers of oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate and methacrylic acid was chosen to provide a polyanionic building block with swelling/deswelling response, pH- and thermo-sensitive behavior, desirable colloidal stability and biodegradability. Three different dyes were loaded within the microgels: rhodamine 6G (R6G), methylene blue (MB) and cyanine 7.5 (Cy), resulting in microparticles with optical emission extending from the visible to the NIR range. Gold NPs (Au NPs) coated with citrates were selected as the plasmonic building blocks due to their outstanding optical properties, based on the collective oscillations of free electrons at the particle surface, resulting in so-called localized surface plasmon resonances (LSPR). Upon light excitation of LSPR, a strong electromagnetic field enhancement is produced at the NP surface, leading to a wide range of applications in the fields of biology and chemistry, including surface enhanced Raman spectroscopy (SERS), bioimaging and sensing. In addition, Au NPs are able to convert the absorbed light into heat through non-radiative energy dissipation, making them valuable light-to-heat plasmonic converters for biomedical hyperthermia and PAI contrast agents. The characterization of the final hybrid networks using complementary techniques, such as UV-vis absorption, fluorescence, Raman, photoacoustic imaging, transmission electron microscopy and dynamic light scattering revealed that they uniquely combine the properties of hydrogel particles, including high loading capacity and stimuli-responsive behavior, the photoluminescent properties of dyes (rhodamine 6G, methylene blue and cyanine 7.5) and the features of gold nanoparticles assembly. Once the system was characterized, the potential of the final hybrid networks for biomedical science was assessed through photothermal experiments, photoacoustic and Raman imaging as well as cell viability assays. Interestingly, pH and temperature stimuli could be used to induce the shrinkage of the smart hybrid microgels resulting in Au NPs aggregation, plasmon coupling and improved absorption in the NIR region. Therefore, the final hybrid networks not only combine the remarkable features of each component but also display synergetic properties that open promising prospects for a broad range of bio-medical applications.
Les particules d'hydrogels stimulables dopées avec des nanoparticules (NPs) plasmoniques suscitent un grand intérêt dans la communauté scientifique en raison de leurs perspectives prometteuses dans le domaine de la nanomédecine, notamment en tant qu'agents de contraste pour l'imagerie photoacoustique, une technique d'imagerie non invasive et à faible coût, offrant de grandes potentialités pour des applications théranostiques dans le cadre du cancer. Les NPs plasmoniques se comportent comme des agents de contraste d'imagerie photoacoustique en raison de leurs propriétés optiques remarquables basées sur les plasmons de surface localisés (LSP). Les microgels agissent comme des vecteurs protecteurs pour véhiculer dans l'organisme les agents de contraste. Cependant, la synthèse de ces matériaux hybrides est une tâche difficile avec la nécessité de contrôler un grand nombre de paramètres, dont la taille des NPs piégées et leur niveau de dopage afin d'ajuster les propriétés finales des matériaux. Pour répondre à ce défi, nous avons développé dans le cadre de ce travail de thèse une approche modulable innovante permettant de réaliser la conception de particules hybrides bien définies et densément chargées en NPs. Cette approche est basée sur l'assemblage étape par étape des différentes entités, i.e. microgels , sondes fluorescentes et NPs d'or (Au NPs) et sur l'ajustement du niveau d'imprégnation des Au NPs au sein des matrices polymères via des étapes successives d'incubation. Le choix de la matrice polymère s'est porté sur un copolymère d'oligo(éthylène glycol) méthyléther méthacrylate et d'acide méthacrylique conduisant à la formation d'un microgels polyanionique avec un comportement pH- et thermosensible, une excellente stabilité colloïdale et des propriétés de biodégradabilité. Trois types de sondes fluorescences ont été internalisées dans les microgels préalablement formés : la rhodamine 6G (R6G), le bleu de méthylene (MB) et la cyanine 7.5 (Cy), conduisant à des microparticules présentant un spectre d'émission optique s'étendant depuis le visible jusqu'au proche infrarouge. Le choix des NPs plasmoniques s'est porté sur des NPs d'or recouvertes de citrates en raison de leurs propriétés optiques remarquables. L'excitation lumineuse des LSP produit une forte amplification du champ électrique local à la surface des Au NPs, offrant des perspectives sans précédent pour différentes applications, dont notamment la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS), la bioimagerie et le diagnostic. De plus, les Au NPs sont ca-pables de convertir la lumière absorbée en chaleur via une dissipation d'énergie non radiative, ce qui en fait des nanosources de chaleur uniques pour l'imagerie photoacoustique et le traitement des cancers par hyperthermie. La caractérisation des particules hybrides obtenues a été menée à l'aide d'un grand nombre de techniques complémentaires, incluant la spectroscopie UV-visible, la fluorescence, le Raman, l'imagerie photoacoustique, la microscopie électronique à transmission et la diffusion dynamique de la lumière. Les résultats obtenus ont montré que les nanocomposites produits combinent (i) les propriétés des microgels, telles qu'une forte capacité de charge et un caractère pH- et thermo-sensible, (ii) les propriétés photoluminescentes des sondes fluorescentes et les caractéristiques des Au NPs. L'intérêt de ces objets pour des appli-cations biomédicales a ensuite été évalué en menant des expériences photo-thermiques, photo-acoustiques et de l'imagerie Raman ainsi que des tests de viabilité cellulaire. De façon intéressante, des stimuli basés sur le pH et la température ont pu être utilisés afin d'induire la rétractation des microgels hybrides conduisant à l'agrégation des Au NPs au sein de la matrice polymère, ce qui s'est traduit par une augmentation de l'absorption optique dans le proche infrarouge, ouvrant ainsi des opportunités uniques dans le domaine biomédical.
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