PEG修饰金纳米星：用于CT成像的安全高对比度造影剂，具快速肾清除特性

摘要

金纳米探针正成为计算机断层扫描(CT)疾病诊断的变革性工具。与小分子碘造影剂相比，纳米颗粒因更大表面积和可调理化性质提供更优体内检测。本文报道聚乙二醇(PEG)功能化金纳米星(AuNS@PEG)合成，其表现出高X射线质量吸收系数、超小尺寸、高效代谢清除和优良生物相容性。体内CT扫描证实AuNS@PEG提供稳健对比度增强，定位其为有前景的下一代造影剂。

背景

过去十年纳米颗粒(NP)技术在生物医学应用中快速发展，得益于多样材料和高表面体积比。金(Au) NP因惰性化学、生物相容性和高原子序数，成为X射线衰减理想材料。传统碘造影剂——如泛酸(DTA)和碘海醇(Omnipaque)等小分子有机物——提供短暂成像窗口，且有肾毒性风险，尤其肾功能受损患者。纳米颗粒基造影剂可延长成像时间、降低肾毒性、提高对比效率，Au和Ag纳米材料近期研究已证实。

将金纳米结构化为星形增加有效表面积，放大单位质量X射线衰减。PEG修饰进一步改善水分散性、减少蛋白吸附、促进肾清除，解决纳米颗粒毒性和生物分布关键挑战。

方法

所有实验方案经锦州医科大学地区伦理委员会批准(辽宁省，中国)。

材料与仪器

试剂购自Sigma-Aldrich(St. Louis, MO)，除非特别说明均直接使用。AuNS@PEG经透射电镜(TEM)、能谱(EDX)、X射线光电子能谱(XPS)、UV-vis光谱、动态光散射(DLS)和MTT活力测定表征。

Au纳米星/PEG(AuNS@PEG)纳米颗粒合成

种子介导生长法制备10 nm Au种子：水中还原HAuCl₄，注入油胺后纯化。混合AgNO₃和抗坏血酸与金种子溶液生长Au纳米星(~50 nm)，再用过量硫化PEG(6 kDa)钝化。最终AuNS@PEG经反复离心/重分散纯化，水中保存。

细胞培养与暴露

大鼠脊髓神经胶质细胞原代培养于含10% FBS、100 U/mL青霉素、100 µg/mL链霉素的DMEM中。细胞暴露于AuNS@PEG(50–1000 ppm)2 h；对照组仅培养基。

动物与处理

雄性Sprague-Dawley大鼠(180–200 g)标准条件饲养。分对照组(尾静脉注射PBS)和实验组(200 µg/mL AuNS@PEG)。注射后监测大鼠，在特定时间点处死取组织。

细胞活力测定

神经胶质细胞以1×10⁴ cells/mL接种96孔板，处理AuNS@PEG(0–1000 ppm)。24 h后MTT法测定代谢活性，490 nm读取吸光度。

流式细胞术

暴露AuNS@PEG 2 h后用Annexin V-APC/7-AAD染色检测凋亡，BD FACSCanto II分析。

CT成像

128排GE扫描仪(120 kV, 100 mA, 层厚0.625 mm)行体内CT。注射前及注射后0.5、1、2、6、24 h采集影像。

组织学分析

心、肝、肾、脾、肺、肠固定、切片、H&E染色评估形态。

肾功能评估

注射前及24 h后测血清BUN、肌酐、β₂-MG、CO₂评估肾毒性。

统计分析

数据以均值±SD表示。单因素方差分析配合Tukey事后检验(p<0.05)评估显著性。

结果与讨论

AuNS@PEG纳米颗粒合成与表征

TEM图像(图1a)证实均匀星形形貌，平均直径~50 nm。EDX(图1c)和XPS(图1b)谱验证纳米颗粒表面Au和PEG存在，确认成功功能化。

AuNS@PEG纳米颗粒CT值

AuNS@PEG在等浓度下CT衰减高于碘(图2a)。CT值(HU)与Au浓度线性关系(图2b)显示可预测成像对比度。

细胞毒性测定

MTT测定显示1000 ppm下细胞活力>90%，200 ppm以内无显著细胞毒性(图3a)。流式细胞术证实所有测试浓度凋亡可忽略(图3b)。

体内CT成像与生物分布

静脉注射(200 ppm)产生清晰肾脏增强，肾脏峰值HU从95升至464 HU(2 h内，图4)。后续CT扫描显示渐进清除，24 h膀胱清晰显影，确认高效肾排泄。

H&E染色

24 h后心、肝、脾、肺、肾、肠组织切片H&E染色未见明显病理改变或残留纳米颗粒(图5)。

AuNS@PEG纳米颗粒肾功能研究

注射24 h后血清指标(BUN、肌酐、β₂-MG、CO₂)与基线无显著差异，表明无肾损伤(表1)。

结论

直径~50 nm PEG包覆金纳米星表现出高X射线衰减、优良生物相容性和快速肾清除。其良好安全性和卓越对比度性能使其成为临床CT成像有力候选者，提供比碘造影剂更安全的替代方案。