カーボンドットの光学特性に及ぼすポリドーパッシベーションの効果と生体内での利用の可能性

Effects of polydopamine-passivation on the optical properties of carbon dots and its potential use in vivo.

• Juan Sebastian Pappalardo
• Jun-Ray Macairan
• Alexia Macina
• Alexandre Poulhazan
• Valeria Quattrocchi
• Isabelle Marcotte
• Rafik Naccache

抄録

ヘテロ原子ドーピングによるカーボンドットの不動態化は、カーボンドットの光学特性を向上させ、その蛍光シグネチャを調整することが示されている。さらに、高分子前駆体をカーボンドット合成に組み込むことで、バイオイメージング、ドラッグデリバリー、センシングなどの生物学的応用が期待されています。蛍光増強と生体適合性の向上の両方の望ましい属性を組み合わせるために、高芳香族性と窒素含有量の高いポリマーを効率的なカーボンドットパッシベーション剤として使用することができます。ここでは、ガラクトース、クエン酸、ポリドパミンのマイクロ波アシスト熱分解反応により、蛍光ポリマー不動態化カーボンドットの合成を開発した。ポリドパミンを用いた不動態化反応により、420nmから510nmまでの蛍光極大領域に90nmの赤方偏移を誘導することがわかった。さらに、不動態化により励起に依存しない蛍光が得られ、蛍光量子収率は1.3から4.6%に増加し、3.5倍に増加した。このカーボンドットのイメージングプローブとしての応用について、インビトロおよびインビボモデル系で検討した。J774細胞株とCHO-K1細胞株を用いた細胞毒性試験では、ポリドパミン不動態化カーボンドットは不動態化カーボンドットに比べて細胞毒性が低下していることが明らかになった。BALB/cマウスを用いた生物分配研究では、表面の不動態化に関わらず、接種後90分以内には循環器系にドットが主に残存していることが示され、心血管治療への応用の可能性が示唆された。

Passivation of carbon dots via heteroatom doping has been shown to enhance their optical properties and tune their fluorescence signature. Additionally, the incorporation of polymeric precursors in carbon dot synthesis has gained considerable interest with benefits to biological applications namely bioimaging, drug delivery and sensing, among others. In order to combine the desirable attributes of both, fluorescence enhancement and increased biocompatibility, polymers composed of high aromaticity and nitrogen content can be used as efficient carbon dot passivating agents. Here, the synthesis of fluorescent polymer-passivated carbon dots was developed through a microwave-assisted pyrolysis reaction of galactose, citric acid and polydopamine. Passivation of the dots with polydopamine induces a 90 nm red-shift in the fluorescence maxima from 420 to 510 nm. Moreover, passivation results in excitation-independent fluorescence and a 3.5-fold increase in fluorescence quantum yield, which increases from 1.3 to 4.6%. The application of the carbon dots as imaging probes was investigated in in vitro and in vivo model systems. Cytotoxicity studies in J774 and CHO-K1 cell lines revealed reduced cell toxicity for the polydopamine-passivated carbon dots in comparison to their unpassivated counterpart. In BALB/c mice, biodistribution studies demonstrated that regardless of surface passivation, the dots predominantly remained in the circulatory system 90 minutes post inoculation suggesting their potential use for cardiovascular therapies.