Dysregulation of brain serotonin contributes to many psychiatric disorders. Tryptophan hydroxylase-2 (Tph2), rather than Tph1, is preferentially expressed in the brain. We report a functional (C1473G) single-nucleotide polymorphism in mouse Tph2 that results in the substitution of Pro 447 with Arg 447 and leads to decreased serotonin levels in PC12 cells. Moreover, in BALB/cJ and DBA/2 mice that are homozygous for the 1473G allele, brain serotonin tissue content and synthesis are reduced in comparison to C57Bl/6 and 129X1/SvJ mice that are homozygous for the 1473C allele. Our data provide direct evidence for a fundamental role of Tph2 in brain serotonin synthesis.

In vivo fluorescence imaging in the second near-infrared window (1.0-1.7 μm) can afford deep tissue penetration and high spatial resolution, owing to the reduced scattering of long-wavelength photons. Here we synthesize a series of low-bandgap donor/acceptor copolymers with tunable emission wavelengths of 1,050-1,350 nm in this window. Non-covalent functionalization with phospholipid-polyethylene glycol results in water-soluble and biocompatible polymeric nanoparticles, allowing for live cell molecular imaging at >1,000 nm with polymer fluorophores for the first time. Importantly, the high quantum yield of the polymer allows for in vivo, deep-tissue and ultrafast imaging of mouse arterial blood flow with an unprecedented frame rate of >25 frames per second. The high time-resolution results in spatially and time resolved imaging of the blood flow pattern in cardiogram waveform over a single cardiac cycle (~200 ms) of a mouse, which has not been observed with fluorescence imaging in this window before.

Gold nanoparticles have been conceived as a radiosensitizer in cancer radiation therapy, but one of the important questions for primary drug screening is what size of gold nanoparticles can optimally enhance radiation effects. Herein, we perform in vitro and in vivo radiosensitization studies of 4.8, 12.1, 27.3, and 46.6 nm PEG-coated gold nanoparticles. In vitro results show that all sizes of the PEG-coated gold nanoparticles can cause a significant decrease in cancer cell survival after gamma radiation. 12.1 and 27.3 nm PEG-coated gold nanoparticles have dispersive distributions in the cells and stronger sensitization effects than 4.8 and 46.6 nm particles by both cell apoptosis and necrosis. Further, in vivo results also show all sizes of the PEG-coated gold nanoparticles can significantly decrease tumor volume and weight after 5 Gy radiations, and 12.1 and 27.3 nm PEG-coated gold nanoparticles have greater sensitization effects than 4.8 and 46.6 nm particles, which can lead to almost complete disappearance of the tumor. In vivo biodistribution confirms that 12.1 and 27.3 nm PEG-coated gold nanoparticles are accumulated in the tumor with high concentrations. The pathology, immune response, and blood biochemistry indicate that the PEG-coated gold nanoparticles have not caused spleen and kidney damages, but give rise to liver damage and gold accumulation. It can be concluded that 12.1 and 27.3 nm PEG-coated gold nanoparticles show high radiosensitivity, and these results have an important indication for possible radiotherapy and drug delivery.

Abstract: Gold nanoparticles have potential applications in biomedicine, but one of the important concerns is about their safety. Most toxicology data are derived from in vitro studies and may not reflect in vivo responses. Here, an animal toxicity study of 13.5 nm gold nanoparticles in mice is presented. Animal survival, weight, hematology, morphology, and organ index are characterized at different concentrations (137.5–2200 µg/kg) over 14–28 days. The results show that low concentrations of gold nanoparticles do not cause an obvious decrease in body weight or appreciable toxicity, even after their breakdown in vivo. High concentrations of gold nanoparticles induced decreases in body weight, red blood cells, and hematocrit. It was also found that gold nanoparticles administered orally caused significant decreases in body weight, spleen index, and red blood cells. Of the three administration routes, the oral and intraperitoneal routes showed the highest toxicity, and the tail vein injection showed the lowest toxicity. Combining the results of all of these studies, we suggest that targeted gold nanopartices by tail vein injection may be suitable for enhancement of radiotherapy, photothermal therapy, and related medical diagnostic procedures. Keywords: gold nanoparticles, in vivo, toxicity

Gold nanoparticles have shown great prospective in cancer diagnosis and therapy, but they can not be metabolized and prefer to accumulate in liver and spleen due to their large size. The gold nanoclusters with small size can penetrate kidney tissue and have promise to decrease in vivo toxicity by renal clearance. In this work, we explore the in vivo renal clearance, biodistribution, and toxicity responses of the BSA- and GSH-protected gold nanoclusters for 24 h and 28 days. The BSA-protected gold nanoclusters have low-efficient renal clearance and only 1% of gold can be cleared, but the GSH-protected gold nanoclusters have high-efficient renal clearance and 36% of gold can be cleared after 24 h. The biodistribution further reveals that 94% of gold can be metabolized for the GSH-protected nanoclusters, but only less than 5% of gold can be metabolized for the BSA-protected nanoclusters after 28 days. Both of the GSH- and BSA-protected gold nanoclusters cause acute infection, inflammation, and kidney function damage after 24 h, but these toxicity responses for the GSH-protected gold nanoclusters can be eliminated after 28 days. Immune system can also be affected by the two kinds of gold nanoclusters, but the immune response for the GSH-protected gold nanoclusters can also be recovered after 28 days. These findings show that the GSH-protected gold nanoclusters have small size and can be metabolized by renal clearance and thus the toxicity can be significantly decreased. The BSA-protected gold nanoclusters, however, can form large compounds and further accumulate in liver and spleen which can cause irreparable toxicity response. Therefore, the GSH-protected gold nanoclusters have great potential for in vivo imaging and therapy, and the BSA-protected gold nanoclusters can be used as the agent of liver cancer therapy.

Background: Gold nanoparticle toxicity research is currently leading towards the in vivo experiment. Most toxicology data show that the surface chemistry and physical dimensions of gold nanoparticles play an important role in toxicity. Here, we present the in vivo toxicity of 5, 10, 30, and 60 nm PEG-coated gold nanoparticles in mice. Methods: Animal survival, weight, hematology, morphology, organ index, and biochemistry were characterized at a concentration of 4000 µg/kg over 28 days. Results: The PEG-coated gold particles did not cause an obvious decrease in body weight or appreciable toxicity even after their breakdown in vivo. Biodistribution results show that 5 nm and 10 nm particles accumulated in the liver and that 30 nm particles accumulated in the spleen, while the 60 nm particles did not accumulate to an appreciable extent in either organ. Transmission electron microscopic observations showed that the 5, 10, 30, and 60 nm particles located in the blood and bone marrow cells, and that the 5 and 60 nm particles aggregated preferentially in the blood cells. The increase in spleen index and thymus index shows that the immune system can be affected by these small nanoparticles. The 10 nm gold particles induced an increase in white blood cells, while the 5 nm and 30 nm particles induced a decrease in white blood cells and red blood cells. The biochemistry results show that the 10 nm and 60 nm PEG-coated gold nanoparticles caused a significant increase in alanine transaminase and aspartate transaminase levels, indicating slight damage to the liver. Conclusion: The toxicity of PEG-coated gold particles is complex, and it cannot be concluded that the smaller particles have greater toxicity. The toxicity of the 10 nm and 60 nm particles was obviously higher than that of the 5 nm and 30 nm particles. The metabolism of these particles and protection of the liver will be more important issues for medical applications of gold-based nanomaterials in future. Keywords: gold nanoparticles, in vivo, toxicity, size

Radiosensitizers can increase the local treatment efficacy under a relatively low and safe radiation dose, thereby facilitating tumor eradication and minimizing side effects. Here, we report a new class of radiosensitizers that contain several gold (Au) atoms embedded inside a peptide shell (e.g., Au10-12(SG)10-12) and can achieve ultrahigh tumor uptake (10.86 SUV at 24 h post injection) and targeting specificity, efficient renal clearance, and high radiotherapy enhancement.

A new design for second near-infrared window (NIR-II) molecular fluorophores based on a shielding unit–donor–acceptor–donor–shielding unit (S-D-A-D-S) structure is reported. With 3,4-ethylenedioxy thiophene as the donor and fluorene as the shielding unit, the best performance fluorophores IR-FE and IR-FEP exhibit an emission quantum yield of 31% in toluene and 2.0% in water, respectively, representing the brightest organic dyes in NIR-II region reported so far. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Abstract Fluorescence imaging of biological systems in the second near-infrared (NIR-II, 1000–1700 nm) window has shown promise of high spatial resolution, low background, and deep tissue penetration owing to low autofluorescence and suppressed scattering of long wavelength photons. Here we develop a bright organic nanofluorophore (named p-FE) for high-performance biological imaging in the NIR-II window. The bright NIR-II >1100 nm fluorescence emission from p-FE affords non-invasive in vivo tracking of blood flow in mouse brain vessels. Excitingly, p-FE enables one-photon based, three-dimensional (3D) confocal imaging of vasculatures in fixed mouse brain tissue with a layer-by-layer imaging depth up to ~1.3 mm and sub-10 µm high spatial resolution. We also perform in vivo two-color fluorescence imaging in the NIR-II window by utilizing p-FE as a vasculature imaging agent emitting between 1100 and 1300 nm and single-walled carbon nanotubes (CNTs) emitting above 1500 nm to highlight tumors in mice.