Bioimaging

PENDAHULUAN

Perkembangan ilmu kedokteran yang diiringi dengan perkembangan ilmu teknologi dan fisika telah menfasilitasi paramedik dengan berbagai macam alat bantu untuk menggambarkan keadaan dalam tubuh pasien tanpa harus melakukan pembukaan dan pembedahan untuk dilakukan biopsi.  Kemajuan terbaru dari bio-imaging dalam diagnosis dan pengobatan penyakit telah menciptakan manfaat yang luar biasa untuk proses biologi dan kedokteran. Salah satu alasan utamanya adalah karena sederhana,cepat,sensitif,dan biayanya yang relatif rendah. (Yao el al, 2012)

Gambar 1. Contoh Kemajuan Imaging System dalam Dunia Medis

Penciteraan atau bioimaging saat ini merupakan metode yang menjadi ujung tombak pemeriksaan untuk kasus-kasus yang tidak kasat mata. Medical imaging, atau umumnya disebut radiologi, merupakan pengambilan gambar dari bagian tubuh manusia yang digunakan untuk keperluan medis. Untuk diagnosa penyakit seperti kanker dan penyakit jantung diperlukan pencitraan atau bioimaging yang handal. Belakangan ini pendekatan dengan didasarkan nanoteknologi telah menunjukkan hasil yang menjanjikan. (Hemmer, 2012).

Luminesensi merupakan peristiwa penyerapan energi radiasi yang diikuti dengan terjadinya pancaran cahaya tampak dari suatu bahan. Peristiwa ini terjadi karena adanya elektron elektron yang menyerap energi radiasi dan berpindah ke orbit yang lebih tinggi, sehingga bahan berada dalam keadaan tereksitasi. Ada dua peristiwa luminesensi, yaitu fluoresensi dan fosforesensi (Delcado,1995). Fluoresensi adalah pancaran cahaya spontan, dimana pancarannya akan berakhir jika proses eksitasi yang terjadi pada bahan juga berakhir. Emisi cahaya terjadi karena proses absorpsi cahaya oleh atom yang mengakibatkan keadaan atom tereksitasi. Keadaaan atom yang tereksitasi akan kembali keadaan semula dengan melepaskan energi yang berupa cahaya atau deeksitasi ( Carrol, 1994).

 

Gambar 2. Struktur Fluorescence

Fluoresensi terjadi ketika molekul tereksitasi kembali ke keadaan dasar dengan melepaskan energi melalui emisi foton. Karena beberapa dari energi yang diperoleh selama eksitasi diubah menjadi panas, foton yang dipancarkan memiliki lebih rendah energi dari yang diserap. Hal ini menjelaskan perbedaan panjang gelombang yang disebutkan yang juga dikenal sebagai pergeseran Stokes ( Vonesch, 2006). Sedang pada peristiwa fosforesensi, pancaran cahayanya berakhir beberapa saat setelah proses eksitasi pada bahan berakhir. Bahan yang mampu memperlihatkan gejala ini disebut fosfor. Pemancaran kembali sinar oleh molekul yang telah menyerap energi sinar dalam waktu yang relatif lebih lama (10-4 detik). Jika penyinaran kemudian dihentikan, pemancaran kembali masih dapat berlangsung. Fosforesensi berasal dari transisi antara tingkat-tingkat energi elektronik triplet ke singlet dalam suatu molekul. (Delcado,1995)

Pada hakikatnya, semua logam dapat digunakan untuk aplikasi biomedik tetapi pada dosis yang berbeda tergantung pada beberapa parameter seperti aplikasi, keseimbangan antara risiko dan manfaat, kinetika degradasi, biodistribusi, akumulasi dalam jaringan dan organ dan ekskresi dari tubuh dan sebagainya. Logam yang paling tepat adalah Ca, Mg, Zn, Fe, Ti, Zr dengan perkiraan toksisitas antara lain:

Metode dalam aplikasi biomedik ini lebih lanjut diperluas ke micro luminescent lain dan nanopartikel lantanida (Tb, La, Tm, atau Y) menggunakan terephthalate MOFs. MOFs (Metal Organic Frrameworks) merupakan koordinasi polimer atau jaringan koordinasi yang merupakan kelas hibrida yang dibentuk dengan menyusun ion logam dan ligan polidentat yang biasanya dalam kondisi ringan. (Rocca et al, 2011). Sintesis cukup berhasil, dengan reaksi yang cepat, lancar dan Metode ramah lingkungan, yang baru-baru ini telah diterapkan untuk sintesis mikro dan nano MOFs. sintesis ini dibantu oleh hidro / solvothermal, yang merupakan metode yang efisien, homogen dan lebih cepat untuk persiapan nanopartikel. untuk memperoleh hasil yang memiliki kecepatan tinggi dalammengontrol ukuran partikel, adalah mensintesis microwave iradiasi solvothermal. (Horcajada et al,2012)

Upconversion luminescence (UCL) adalah proses yang unik dimana oleh gelombang kontinu (CW) foton energi rendah (panjang gelombang tinggi) diubah menjadi foton energi yang lebih tinggi (panjang gelombang lebih pendek). Emisi UCL dihasilkan dengan menyerap dua atau lebih energi eksitasi CW foton dan melepaskan satu energi tinggi emisi foton. Untuk mencapai emisi UCL efektif, materi harus memiliki energi yang rendah dan memiliki masa hidup yang lebih lama. (Auzel,2004)

Dalam beberapa dekade terakhir, nanophosphors upconversion berbasis lantanida (UCNPs) telah dianggap sebagai generasi baru untuk aplikasi photoluminescent bioimaging karena keuntungan yang unik. UCL bioimaging tidak memberikan fluoresensi otomatis dari sampel, karena sifat UCL di bawah CW 980 nm, penggunaan Yb3+/ Tm3+ co-doped UCNPs yang dieksitasi dengan NIR pada 980 nm dan emisi 800 nm menawarkan tingkat kerusakan yang rendah pada sampel, sehingga digunakan dalam aplikasi bioimaging in vivo. (Liu et al, 2014) .Upconversion adalah proses optik yang melibatkan konversi foton energi rendah menjadi foton energi yang lebih tinggi. Metode sintesis ini biasanya seperti dekomposisi termal, reaksi hidrotermal, dan sintesis cairan ion. Perbedaan utama antara nanopartikel upconversion dan Nanomaterials lainnya adalah bahwa mereka dapat memancarkan cahaya tampak di bawah sinar inframerah dekat. (Chen et al, 2012)

Ion lantanida memiliki tingkat energi yang berlimpah dengan masa hidup yang relatif panjang yang berasal dari transisi f-f intra konfigurasional. Secara khusus, Er3+, HO3+,dan Tm3+, yang memiliki tangga seperti tingkat energi. Namun, Er3+, HO3+, dan Tm3+ memiliki penyerapan yang rendah. (Li et al, 2010). Ion-ion Lantanida seperti Yb³⁺ dengan emisi di 980 nm, adalah logam yang baik untuk memperoleh emisi NIR (Near Infrared) yang sangat efisien. Emisi dari lantanid (III) trivalen ion-ion kebanyakan datang dari alihan dwikutub elektrik antara subkulit 4f. Orbital 4f dilindungi dari keadaan sekitarnya oleh orbital 5s and 5p, dan pengaruh hostmedia di transisi-transisi optis dalam bentuk 4f juga rendah ( Jhiao Chen, 2012).

DISKUSI

1.      Gambaran Umum UCNPs

Kebanyakan bahan fluorescent memancarkan cahaya dengan proses downconversion (memancarkan energi yang lebih rendah  dalam energi iradiasi tinggi). Meskipun penggunaan molekul pewarna organik konvensional atau quantum dot (QD) berbasis biomarker telah mencapai kemajuan yang signifikan dalam deteksi real-time dan bioimaging, namun mereka masih memiliki kelemahan. Bahan-bahan fluorescent umumnya senang dengan ultraviolet (UV) atau terlihat cahaya, yang dapat menyebabkan autofluorescence dan photodamage sampel biologis, sehingga rasionya rendah dan sensitivitas terbatas signal-to-noise. Keterbatasan ini mendorong pengembangan tipe baru berkualitas tinggi dan Nanomaterials dikenal sebagai upconversion Nanomaterials (UCNPs). UCNPs ini biasanya terdiri dari host anorganik yang diolah dengan ion LN3 +. Mereka menunjukkan biokompatibilitas yang baik dan sitotoksisitas umumnya rendah, dan sebenarnya non-sitotoksik terhadap berbagai sel baris Selain itu, modifikasi permukaan dengan ligan rekayasa,ligan tarik , Permukaan polimerisasi, self-assembly atau teknologi perakitan lapis demi lapis , memperluas bidang aplikasi mereka. Permukaan dimodifikasi oleh silika adalah yang paling populer, pendekatan umum, dan praktis. Protein, DNA, makromolekul biologis lainnya dapat dengan mudah dikaitkan dengan UCNPs. Secara khusus, properti unik UCNPs 'memancarkan cahaya tampak di bawah NIR iradiasi membuatnya baik untuk bioimaging in vivo dan in vitro.

UCNPs memenuhi semua persyaratan karena penetrasi yang lebih dalam (mampu mengkonversi NIR cahaya menjadi cahaya tampak), toksisitas rendah, stabilitas yang lebih tinggi, dan modifikasi permukaan lebih mudah. UCNPs digunakan dalam PDT biasanya dilapisi dengan shell, yang memiliki fungsi: (1) doping matriks untuk fotosensitizer; (2) target khusus pada sel tumor; dan (3) UCNPs stabilisasi. NaYF4: Yb / Er UCN adalah salah satu UCNPs yang digunakan paling umum di PDT karena efisiensi UC tinggi.

2.      Lantanida berbasis UCNPs Sebagai Material untuk Bioimaging

Gold Nanorods da kuantum dot telah banyak digunakan untuk bioimaging

(Huang et al, 2009;. Medintz et al, 2005; Wang et al, 2010d, 2012). Namun, gold nanorods tidak mampu digunakan dalam bioimaging jaringan dalam

karena sinyalnya semakin lemah, bersama dengan kontras rendah dan auto fluorescence (Qian et al., 2010a). Meskipun kuantum dot menunjukkan kecerahan yang lebih besar, dan band misi sempit (Xing dan Rao, 2008), ada kekhawatiran tentang sitotoksisitas mereka. (Chatterjee et al., 2008). UCNPs ln-doped yang photostable terhadap

photobleaching dan memancarkan cahaya (Yu et al, 2009). Selain itu,tidak adanya auto fluorescence (Idris et al., 2009) dan pada jaringan dalam

hasilnya akan meningkat setelah dieksitasi dengan NIR (Chatterjee et al., 2008) memungkinkan untuk bioimaging in vitro dan in vivo (Chatterjee et al, 2010;. Mader et al., 2010). Sebagai perbandingan, keuntungan dan kerugian dari bahan-bahan dan bahan lain yang digunakan untuk bioimaging tercantum dalam Tabel 3.

NaYF4: Yb, nanopartikel Er disuntik di bawah kulit perut dan punggung tikus yang dibius. Setelah eksitasi NIR, pendaran dari UCNPs Ln-doped dapat diamati dengan jelas bahkan ketika nanopartikel berada ~ 10 mm di bawah kulit, yang jauh lebih dalam dari itu dengan kuantum titik sebagai probe bioimaging

Zhang menunjukkan desain baru untuk PDT berdasarkan UCNPs untuk pengobatan sel kanker kandung kemih. UCNPs dilapisi dengan lapisan shell silika mesopori, dimana fotosensitizer yang diolah. Antibodi, yang memiliki antigen spesifik yang diekspresikan pada permukaan target sel, yang terikat secara kovalen pada permukaan kulit silika. Karena spektrum tumpang tindih antara 'absorbansi dan UCNPs' fotosensitizer emisi, UCNPs fotosensitizer-doped dapat menghasilkan ¹O2 bawah iradiasi NIR dan selanjutnya membunuh sel target.

3.      Sintesis Nanophosphors Upconversion

2.1. Sintesis langsung dari nanophosphors upconversion hidrofilik

Untuk menyederhanakan prosedur reaksi dan mengurangi pasca perawatan, telah dikembangkan beberapa langkah strategies untuk sintesis mempersiapkan UCNPs yang larut dalam air, termasuk rute hidrotermal dibantu oleh ligan koperasi biner, dan rute hidrotermal mikroemulsi.

1. Reaksi hidrotermal dibantu oleh ligan koperasi biner

Reaksi hidrotermal dibantu oleh ligan koperasi biner (Skema 1) sebagai strategi untuk memperoleh UCNPs yang larut dalam air dan permukaan yang difungsikan. Asam 6-Aminohexanoat dan poli (etilena glycol) bis (karboksimetil) eter telah digunakan sebagai co-ligan untuk membantu oleat untuk mengontrol permukaan UCNPs. Misalnya, dengan hati-hati mengendalikan jumlah poli (ethyleneglycol) bis (karboksimetil) eter, hidrofilik NaYF4: Yb3 +, Er3 + nanopartikel dari ukuran kecil (~8 nm) dapat disintesis . Ion lantanida radioaktif dapat digunakan dalam prosedur sintetis ini untuk membuat UCNPs  multifunctional.

2.  Strategi hidrotermal mikroemulsi

Baru-baru ini, strategi hidrotermal mikroemulsi telah dimanfaatkan lebih jauh untuk mempersiapkan UCNPs larut dalam air dengan asam 6-aminohexanoic, triamin dietilen asam pentacetic (DTPA) dan natrium glutamat sebagai ligan permukaan . Misalnya, karena adanya natrium glutamat dan DTPA pada permukaan (Skema 3), UCNPs sebagai disiapkan terbukti stabil dalam air selama lebih dari enam bulan. Ketika asam 6-aminohexanoic dipilih sebagai ligan permukaan, UCNPs mampu dikonjugasikan dengan molekul sasaran, seperti asam folat (FA)

2.2. Dua langkah sintesis konversi nanophosphors upconversion larut dalam air

Saat ini, metode co-presipitasi sederhana dalam pelarut dengan titik didih tinggi dan sintesis hidro (solvo) termal adalah metode yang paling populer untuk sintesis UCNPs, menggunakan asam oleat (OA) sebagai ligan permukaan, dan UCNPs yang diperoleh biasanya hidrofobik. Dengan demikian, UCNPs perlu dikonversi dari hidrofobik menjadi lebih hidrofilik dengan modifikasi permukaan yang sesuai. Sebagai contoh, telah dikembangkan beberapa strategi sintetis dua langkah konversi, termasuk silika enkapsulasi, reaksi oksidasi ligan, pertukaran ligan, dan modifikasi permukaan lainnya berdasarkan interaksi hidrofobik-hidrofobik.

1.         Silika enkapsulasi: Coating permukaan nanopartikel dengan alayer silika anorganik (SiO2) merupakan metode penting untuk mengubah UCNPs hidrofobik menjadi hidrofilik. Metode mikroemulsi untuk membentuk sebuah NaYF4 SiO2 berlapis: nanophosphor  Yb3+, Er3+ sebuah upconversi nanokomposit yang memiliki bentuk seragam dan mudah larut dalam air, serta dapat digunakan sebagai probe luminesen di bioimaging

2.         Reaksi oksidasi Ligan: Untuk UCNPs ditutup dengan asam oleat (OA-UCNPs), adanya ikatan ganda CH=CH pada permukaannya memungkinkan reaksi oksidasi ligan yang akan dilakukan sebagai sarana mempersiapkan UCNPs hidrofilik. Ada agen oksidasi yang termasuk reagen Lemieux-von Rudloff asam 3-kloroperoksibenzoat dan ozon. Misalnya dengan langsung mengoksidasi ligan OA untuk azelaic acid dengan menggunakan reagen Lemieux-von Rudloff, diekembangkan strategi serbaguna untuk mempersiapkan UCNPs yang larut dalam air dan permukaan karboksilat terfungsikan. Karena adanya asam karbosilat bebas di permukaan partikel, UCNPs yang larut dalam air memungkinkan konjugasi lebih lanjut dengan protein (seperti streptavidin).

3.         pertukaran ligan: Dalam proses pertukaran ligan, ligan yang diperkenalkan harus memiliki kemampuan koordinasi yang lebih kuat terhadap ion lantanida dari ligan yang sudah ada sebelumnya. ligan multi pengkhelat dengan asam karboksilat dan phosphatemoieties telah berhasil digunakan untuk menggantikan OA hidrofobik atau ligan oleylamine (OM). Untuk-chelating ligan tunggal, pertukaran ligan OA pada permukaan UCNPs biasanya akan memerlukan lebih dari ligan dan metode ligan-tukar efektif longtreatment time. dua langkah strategi, yaitu mengubah hidrofobik OA-UCNPs kedalam ligan bebas, nanopartikel hidrofilik, dan kemudian mengobati dengan anappropriate ligan bantalan karboksilat atau asam fosfat. Sampai saat ini, beberapa metode untuk memperoleh UCNPs ligan bebas telah dikembangkan dengan menghapus oleat ligan permukaan, termasuk menyesuaikan solusi untuk pH 4  dan penambahan nitrosonium tetrafluoroborat (NOBF4) atau lanthanidecations. Sebagai contoh, kelompok kami telah mengembangkan strategi sederhana untuk modifikasi permukaan UCNPs dibantu pertukaran ligan. Setelah pertukaran kation dari GD3 +, beberapa ligan baru kelompok asam karboksilat, termasuk OA, aminokaproat asam (AA), dan asam folat (FA), kemudian diperkenalkan sebagai ligan permukaan ke permukaan UCNPs. Strategi Pertukaran kation tersebut (GD3+) tidak hanya memberikan ligan perakitan baru di permukaan UCNPs tapi juga diperkenalkan fungsi baru (resonanceproperty magnetik T1-ditingkatkan) dengan UCNPs.

4.         Permukaan interaksi hidrofobik-hidrofobik: Strategi lain untuk mempersiapkan UCNPs hidrofilik didasarkan pada interaksi hidrofobik-hidrofobik antara ligan hidrofobik asli dari UCNPs dan senyawa amphipathic. Sebagai contoh, telah digunakan polimer amphiphilic, poli (maleat anhidrida-alt 1-octadecene) -polyethylene glikol, untuk membangun sebuah nanosystem hibrida, dan beberapa kolorimetri kemo-dosimeter (termasuk iridium (III) kompleks dan pewarna organik) yang tertanam di lapisan hidrofobik. Emisi UCL berfungsi sebagai deteksi sinyal untuk sianida atau CH3Hg+.

Telah berhasil dikembangkan pendekatan sederhana, cepat, dan sangat efisien untuk menarik UCNPs hidrofobik ke dalam air, didasarkan pada interaksi Asam adamantaneacetic. Sayangnya, metode ini membutuhkan adanya asam adamantaneacetic pada permukaan UCNPs. Kami lebih mengembangkan metode lain untuk mengubah yang paling banyak digunakan OA-capped UCNPs menjadi satu yang larut dalam air, didasarkan pada interaction host-guest dari cyclodextrin Dan asam oleat. Selain itu, strategi ini memberikan lapisan dalam hidrofobik untuk memuat hidrofobik probe atau obat.

4.    Aplikasi Lantanida Berbasis UCNPs untuk Deteksi Sel Tumor  dan Kanker

Sejumlah penelitian telah melaporkan penerapan Ln-doped UCNPs pada bioimaging in vitro seluler dan jaringan. Bioimaging In vitro seluler melibatkan penargetan UCNPs Ln-doping untuk beberapa komponen subselular (misalnya, protein membran). Dalam bioimaging vitro dengan distribusi spasial dan temporal sel kanker usus besar (Chatterjee et al., 2008), kanker ovarium sel, sel HeLa (Cheng et al, 2011 (Boyer et al, 2010.); Dong et al, 2011; Jin et al, 2011.; Wang et al., 2009d), myoblasts (Jalil dan Zhang, 2008), glioblastoma dan karsinoma pada payudara (Jin et al, 2011;. Xing etal, 2012.; Yang et al., 2012) telah dibuktikan. Dalam sebuah laporan baru-baru ini oleh Jin et al. (2011), dalam bioimaging in vitro seluler dapat dicapai oleh UCNPs bermuatan positif karena efisiensi serapan selular ditingkatkan. Jaringan pencitraan pertama kali ditunjukkan oleh Zijlmans et al. (1999) yang menggunakan Y2O2S: Yb, nanopartikel Tm untuk mempelajari distribusi spasial dari prostate-specific antigen (PSA) dalam jaringan prostat manusia. Tidak adanya auto-fluoresensi dari jaringan itu sendiri di bawah eksitasi NIR memungkinkan bioimaging resolusi tinggi. Lebih penting lagi, bioimaging in vivo organisme dan hewan telah dicapai dengan UCNPs Ln-doped. Lim et al. (2006) yang dilakukan pada bioimaging organisme hidup dengan inokulasi Y2O3: nanopartikel Yb, Er dalam nematoda Caenorhabditis elegans hidup cacing. Sistem pencernaan cacing itu kemudian dicitrakan di bawah eksitasi NIR, menunjukkan dengan jelas distribusi nanopartikel dalam usus. Selain bioimaging organisme, bioimaging in vivo hewan(. Chatterjee et al, 2008).

Pencitraan tumor yang ditargetkan telah menarik perhatian besar karena berpotensial dalam aplikasi diagnosis tumor dan terapi. Berdasarkan interaksi ligan-akseptor, UCNPs dimodifikasi dengan asam folat dan peptida, masing-masing, telah dikembangkan untuk tumor-target UCL pencitraan. Banyak sel kanker manusia memiliki kebutuhan tinggi untuk folicacid (FA) dan lebih mengekspresikan reseptor asam folat. Berdasarkan afinitas tinggi FA untuk reseptor folat, telah dikembangkan nanoprobe FA-dimodifikasi untuk target UCL pencitraan in vivo hewan kecil. UCNPs perlu disusun dengan strategi mikroemulsi hidrotermal dengan 6-aminohexanoic acid sebagai ligan permukaan. FA kemudian terkonjugasi dengan amine groups bebas di permukaan UCNPs.  UCNPs FA-terkonjugasi digunakan untuk target UCL pencitraan FA yang menunjukkan tumor HeLa baik in vivo dan ex vivo. Sel HeLa merupakan sel epitelial manusia yang berasal dari kanker serviks atau kanker leher . Pencitraan UCL yang ditargetkan itu menggunakan in vivo UCL sistem pencitraan dirancang oleh grup sel-sel tumor.Target kami atau pembuluh darah tumor dengan peptida  adalah sebagai strategi untuk memberikan obat sitotoksik untuk terapi kanker . Sebagai contoh UCNPs-peptida untuk tumor yang ditargetkan pencitraan  UCL. Strategi desain untuk tumor penargetan didasarkan pada afinitas  tinggi antara asam peptida arginin-glisin-aspartat (RGDFK) (Skema 9) dan α,β Reseptor integrin. Untuk meningkatkan waktu sirkulasi darah Ln-UCNPs, dihubungkan polietilen glikol (PEG) (MW = 1500) diadopsi untuk menjembatani Ln-UCNPs dan peptida RGD, mengingat stabilitas tinggi dan tingkat penyerapan non-spesifik rendah pegylated amphiphilic polimer. UCNPs RGD-dimodifikasi kemudian digunakan untuk target pencitraan tumor UCL dengan rasio tinggi signal terhadap kebisingan dari 24 antara tumor dan latar belakang