Preview

Российские нанотехнологии

Расширенный поиск

Композитные наночастицы на основе лексанполимерной матрицы, иттербиевых комплексов порфиринов и оксида железа для БИК-люминесцентной диагностики и тераностики новообразований

https://doi.org/10.21517/1992-7223-2019-5-6-82-90

Полный текст:

Аннотация

Описаны методика синтеза и спектрально-люминесцентные свойства наночастиц, содержащих иттербиевый комплекс диметилового эфира протопорфирина IX в полимерной матрице на основе лексана, перспективных для использования в диагностике новообразований. Наночастицы обладают увеличенным временем жизни люминесценции в ближней инфракрасной области 700–1100 нм и практически полным отсутствием флуоресценции свободного основания порфирина в красной области спектра, что показывает перспективность использования полученных наночастиц для диагностических целей. Для целей тераностики проведен синтез многофункциональных наночастиц, содержащих ядро оксидов железа и лексан-полимерную оболочку, включающую в себя иттербиевый комплекс тетраметилового эфира гематопорфирина IX. Предполагается, что наночастицы оксидов железа ответственны за проведение процедуры локальной гипертермии.

ВВЕДЕНИЕ

Современным направлением в нанобиотехно­логии является создание мультимодальных на­ноструктур для тераностики новообразований, которые совмещают диагностические и терапевти­ческие функции в одной наночастице [1, 2].

Нанокомпозиты для диагностики и тераности­ки, состоящие из наноносителей (мицеллы, поли­мерные матрицы, липосомы и пр.) и инкапсули­рованных в них наночастиц для лечения, а также наночастиц для диагностики новообразований, имеют большие перспективы в онкологии [3]. Это связано с их высокой туморотропностью, низкой терапевтической дозой и высокой чувствительно­стью методов индикации. Для проведения эффек­тивной диагностики и тераностики опухолей такие наночастицы и нанокомпозиты должны обладать повышенным временем циркуляции в крови, эф­фективным проникновением и высокой аккумуля­цией в очагах патологии. Помимо этого они долж­ны иметь низкую общую токсичность и достаточно быстро выводиться из организма.

Данные свойства в основном определяются та­кими физико-химическими параметрами, как ста­бильность, поверхностные свойства (например, поверхностный заряд), размер и форма. Сре­ди этих факторов размерность играет ключевую роль в доставке и накоплении наночастиц в опу­холевых тканях. В [4] при исследовании влияния размерности амфифильного блока сополимеров 7-этил-10-гидроксикамптотецина (SN38) разме­ром от 20 до 300 нм на параметры доставки и про­никновения в опухолевые ткани было показано, что время их циркуляции в крови и аккумуляции в опухоли увеличивается с уменьшением их диаме­тра. Оптимальная величина составила 100—160 нм.

Ранее было показано, что иттербиевые комплек­сы порфиринов (ИКП), в частности иттербиевый комплекс дикалиевой соли 2,4-ди(а-метоксиэтил) дейтеропорфирина IX, могут быть использованы в качестве одного из основных компонентов соз­даваемых нанокомпозитов для тераностики рака. Так, иттербиевый комплекс дикалиевой соли 2,4-ди(а-метоксиэтил)дейтеропорфирина IX был использован для функционализации композит­ных наночастиц, состоящих из золото-серебряных наноклеток, покрытых мезопористой оболочкой из двуокиси кремния [5]. Такие наноструктуры об­ладают рядом важных свойств, включая легко на­страиваемый плазмонный резонанс наноклеток в диапазоне 650—950 нм и удобство функционали- зации пористой оболочки двуокиси кремния [6]. Таким образом реализуется метод плазмонно-резонансной фототермотерапии [7], который является одним из относительно новых и многообещающих методов лечения опухолей.

Однако у нанокомпозитных частиц существует ряд недостатков, а именно: требующий дорого­стоящих реактивов, трудоемкий многостадийный химический синтез построения многофункцио­нальных наночастиц на основе золото-серебря­ных наноклеток, покрытых диоксидом кремния и функционализированных ИКП; длительное время накопления данных нанокомпозитов в но­вообразованиях, которое составляет не менее 24 ч; силикатная матрица довольно пористая и склон­на к агрегации в крови, в результате чего происхо­дит преждевременный выход из нее компонентов комплекса [8].

В настоящее время проводятся интенсивные исследования наноразмерных ИКП, которые яв­ляются перспективными субстанциями для люми­несцентной диагностики (ЛД) визуально и эндо­скопически доступных форм рака в ближней ИК (БИК) области спектра 700—1100 нм, а также для те­раностики опухолей [9]. Эти соединения характе­ризуются люминесцентным сигналом повышенной интенсивности в спектральном диапазоне 900— 1100 нм. Они обладают высоким коэффициентом экстинкции ~105 М-1см-1 и временем жизни люми­несценции до 20 мкс. Кроме того, многие комплек­сы представляют собой производные природных порфиринов и являются малотоксичными [10, 11].

При разведении водой до концентраций, ис­пользуемых для безопасной диагностики, наблю­дается снижение интенсивности люминесценции лантанидных комплексов, связанное с тушащими колебаниями ОН-осцилляторов [12, 13]. В водных растворах и содержащих гидроксильную группу растворителях люминесценция лантанидных ио­нов имеет меньшие значения квантового выхода и времени жизни. Подобным действием, но в мень­шей степени, обладают СН-осцилляторы [14]. БИК-люминесценция ионов лантанидов в ком­плексах снижается также с увеличением полярно­сти растворителя [15]. Тушение люминесценции может быть ингибировано за счет экранирования лантанидного иона молекулой порфирина, с одной стороны, и лигандом — с другой. Ион Yb3+ облада­ет достаточно большим ионным радиусом (101 пм при координационном числе 6 [16]) и при коорди­нировании с четырьмя пиррольными азотами пор- фирина выступает над плоскостью макрогетеро­цикла. Более прочному связыванию способствует добавление еще одного лиганда — ацетилацетона. В связи со сказанным выше для увеличения диа­гностического потенциала ИКП необходимо по­вышать стабильность комплексов и изолировать их от тушащего действия водной среды.

С этой целью в данной работе на примере иттербиевого комплекса диметилового эфира протопорфирина IX (Yb(асас)-ДМЭ ПП IX) изучено влияние дополнительного комплексообразователя — триоктилфосфиноксида (ТОФО) и наличия полимерной матрицы типа Лексан (ЛПМ) на спек­трально-люминесцентные характеристики ИКП. Кроме этого, для целей тераностики проведен син­тез наночастиц, содержащих ядро оксидов железа и лексан-полимерную оболочку, включающую в себя ИКП на основе тетраметилового эфира гематопорфирина (Yb(асас)-ТМЭ ГП IX). При этом предполагалось, что наночастицы оксидов железа в дальнейшем будут ответственны за проведение процедуры локальной гипертермии [17] с исполь­зованием электромагнитного излучении в радио­частотном диапазоне.

Большинство авторов, обозревающих перспек­тивы использования наночастиц для ЛД опухолей [18], отдают предпочтение силикатным частицам, не учитывая того факта, что силикатная матрица довольно пористая и склонна к агрегации в крови, в результате чего происходит преждевременный выход из нее всех компонентов [8]. Кроме того, вследствие узнавания данных нанокомпозитов ретикуло-эндотелиальной системой время циркуля­ции их в крови очень ограниченно. Это может быть оправданно, если соединения, заполняющие си­ликатную матрицу — фотосенсибилизаторы (ФС) для фотодинамической терапии (ФДТ), одновре­менно служат и для сопровождающей диагности­ки. Но на стадии раннего выявления новообразо­ваний крайне нежелательно подвергать организм воздействию потенциально цитотоксических ве­ществ, образующих синглетный кислород. По­этому для сугубо диагностических целей более целесообразно использовать матрицу, прочно удерживающую маркеры.

В качестве полимерной основы был выбран поликарбонатный бисфенольный полимер — Лексан. Он обладает достаточной гидрофобностью, чтобы в него могли инкорпорироваться молекулы ИКП (рис. 1), и в то же время биологической совмести­мостью, чтобы частицы можно было использовать in vivo. В частности, из Лексана делают контактные линзы для глаз и мембранные фильтры для филь­трации крови. Для придания поверхности ча­стиц гидрофильности, а следовательно, меньшей агрегируемости и более длительной циркуляции в организме, в органическую фазу вводили также неионогенный детергент Тритон Х-100. При об­разовании частиц гидрофобная часть детергента встраивалась в частицу, а гидрофильная (полиэтиленгликолевая) оставалась на поверхности.

 

Рис. 1. Структурная формула ИКП, включаемого в лексановые наночастицы: 1 — УЬ(асас)-ДМЭ ПП IX, 2 — ацетилацетон, 3 — ТОФО.

 

Для придания большей стабильности иттербиевому комплексу порфирина и сниже­нию тушащего действия окружения на ион Yb3+ в органическую фазу добавляли дополнительный комплексон — ТОФО.

Отметим, что к настоящему времени весьма развиты и продолжают совершенствоваться ме­тоды, использующие магнитные наночастицы (МНЧ) и греющие радиочастотные электромаг­нитные поля (ЭМП), в числе которых магнит­ная гипертермия (МГТ). При этом частота ЭМП составляет 200—1000 кГц [19]. В последнее вре­мя развитие получили и нетепловые механизмы магнитной тераностики (механизм магнитомеха­нической актуации), использующие негреющие ЭМП (1-1000 Гц) [20].

Для целей магнитной нанотераностики был проведен синтез наночастиц, содержащих ядро оксидов железа и устойчивую к преждевремен­ному выходу наночастиц лексан-полимерную оболочку, включающую в себя ИКП на основе Yb(асас)-ТМЭ ГП IX.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Yb(асас)-ДМЭ ПП IX и Yb(асас)-ТМЭ ГП IX в виде ацетилацетонатных комплексов получе­ны в соответствии с методом, описанным в [11]. Лексан — производства компании General Electric Plastics (США); бычий сывороточный альбумин (БСА), тетрагидрофуран (ТГФ), ТОФО, детергент Тритон Х-100 — производства компании Sigma- Aldrich, США. Включение ТОФО в ИКП проводи­ли в растворе ТГФ за 15 мин до синтеза наночастиц. Синтез лексановых наночастиц, нагруженных Yb(acac)-ДМЭ ПП IX, осуществляли по аналогии с методом, предложенным в [21], в нашей модифи­кации, приводящей к получению частиц большего диаметра [22]. Для этого к 4.750—4.875 мл бидистиллированной воды прибавляли при обработке ультразвуком 0.125—0.250 мл раствора полимера в ТГФ (4 мг/мл), содержащем ИКП в концентра­ции порядка 10-6—10-5 моль/л и 0.035 мас. % Тритон Х-100 в пересчете на конечный объем суспензии. Перед исследованием из суспензии удаляли ТГФ подогревом при 50°С.

Наночастицы оксидов железа FeOx получены с использованием метода электрического взрыва металлической проволоки посредством высоко­вольтных электрических импульсов (30 кВ, 1 Гц). Детальное описание метода и оборудования изло­жено в [23—25].

Спектры возбуждения люминесценции раство­ров и суспензий наночастиц, содержащих ИКП, получали на макетной установке (разработка Гос- НИИ БП), в которой использовался блок воз­буждения от спектрофлуориметра Jobin Yvon 3D (Франция), а блок регистрации люминесценции представлял собой фотоприемное устройство на основе фотодиода, чувствительного к спек­тральной области 600—1100 нм, перед которым установлен набор светофильтров с максимумом пропускания 975 нм и полушириной полосы 70 нм. Остаточную люминесценцию порфиринового макроцикла снимали на коммерческом спектрофлуориметре Varioscan Flash фирмы Thermo Scientific. Спектры поглощения/рассеяния суспен­зий, содержащих FeOx, получали на спектрофото­метре Shimadzu UV-1650PC.

Размер наночастиц в суспензии определяли методом динамического рассеяния света на лазер­ном корреляционном спектрометре “Курс-3” [26], позволяющем проводить измерения в диапазоне от 0.5 до 104 нм.

Исследования биораспределения и фармакоки­нетики нанокомпозита в органах и тканях живот­ных (30 мышей-самок линии Bulb/c с перевитой карциномой Эрлиха) проводили на разработан­ном в ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН макет­ном лазерно-волоконном флуориметре (ЛВФ) [27]. По истечении определенных промежутков времени в интервале от 0.5 до 72 ч после введения препарата группы мышей по три особи выводили из опыта, после чего у них забирали биопсию ор­ганов и тканей: легкое, сердце, печень, селезенка, почки, мышцу, кожу и опухоль для спектрального исследования. При этом навески биоптатов 100 мг размещали в специальных лунках на металличе­ской подложке с чернением. В процессе изучения селективности накопления композитных наноча­стиц дистальный конец волоконно-оптического зонда ЛВФ устанавливался на расстоянии 2—3 мм относительно поверхности биоптата, включал­ся 405 нм полупроводниковый лазер, оптическая мощность на дистальном конце зонда доходила до 20 мВт. От задающего генератора обеспечивал­ся импульсный режим работы лазера с шириной импульса 0.5 мс и частотой посылок 20—50 Гц. Люминесцентный сигнал, характерный для ИКП, выделялся блоком интерференционных фильтров и поступал на фотоэлектронный умножитель. По­сле усиления и оцифровки сигнал воспринимался на ноутбуке в виде временного профиля интенсив­ности люминесценции, отражающей содержание препарата в биоптатах, включая опухоль.

Наночастицы, содержащие ядро оксидов же­леза и полимерную оболочку, включающую в себя ИКП (структура: ЛПМ + ИКП + FeOx), были син­тезированы по общей методике для всех серий частиц (табл. 1). К озвучиваемой водной суспен­зии FeOx добавляли предварительно смешанные в указанных выше пропорциях растворы Лексана, Yb(асас)-ТМЭ ГП IX, ТОФО и Тритона Х-100 в ТГФ и продолжали озвучивание в течение 3 мин, после чего испаряли ТГФ при 50°С и доводили объем до исходного (5 мл). На спектрофотометре Shimadzu UV-1650PC получали спектры погло­щения/рассеяния, а на лабораторной установке — спектры возбуждения люминесценции при реги­страции эмиссии на 975 нм.

 

Таблица 1. Концентрации в суспензии компонентов, использованных при синтезе наночастиц, содержащих ядро FeOx и Yb(асас)-ТМЭ ГП IX в полимерной лексановой оболочке

Серия наночастиц

FeOx, мкг/мл

Yb(асас)-ТМЭ ГП IX, моль/л

ТОФО, моль/л

Лексан, мкг/мл

Тритон Х-100, %

10

 

 

 

80

 

 

 

 

 

 

4 х 10-6


 

 

 

12 х 10-6

180

 

12

12 х 10-6

180

 

13

24 х 10-6

180

 

14

 

180

 

15

24 х 10-6

270

 

16

24 х 10-6

270

 

Примечание. Использованное количество Лексана соответствует расчетной толщине полимерной оболочки вокруг 15.2 нм ядра FeOx, равной ~21 нм (серии 12—14) и ~30 нм (серия 15).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Проведенная оценка распределения синтези­рованных частиц Лексан-полимерной матрицы (ЛПМ)+ИКП по размерам показала, что с увели­чением концентрации полимера в реакционном объеме получаются частицы большего диаметра и при этом в суспензии незначительно возраста­ет доля частиц диаметром > 1 мкм (ср. рис. 2 и 3), оставаясь на уровне единичных агрегатов, о чем свидетельствует низкая интенсивность светорас­сеяния, пропорциональная r4. Полидисперсность суспензий не превышала 11%, средний диаметр ча­стиц (табл. 2) составил от 138 нм (серия 5) до 180 нм (серия 6) при изменении концентрации полимера от 100 до 200 мкг/мл реакционного объема.

 

Рис. 2. Распределение частиц по размерам в серии 5, полученной при концентрации Лексана 100 мкг/мл реакционной смеси.

 

 

Рис. 3. Распределение частиц по размерам в серии 6, полученной при концентрации Лексана 200 мкг/мл реакционной смеси.

 

 

Таблица 2. Спектрально-люминесцентные характеристики нанокомпозитов, содержащих ИКП в Лексан-по- лимерной матрице

Окружение ИКП. Серия частиц

Yb(асас)-ДМЭ ПП IX, моль/л

ТОФО, моль/л суспензии

Лексан, мкг/мл суспензии

λвозб, нм

I, отн. ед.

τ, мкс
λвозб. 532 нм

Средний диа­метр наноча­стиц, нм

ТГФ

 

 

 

419

128

12

 

БСА

 

 

 

415

72

3.5

 

2

 

 

100

415

31

6.5

 

3

2 х 10-6

6 х 10-6

100

419

270

10.0

 

4

 

12 х 10-6

100

419

430

14.0

 

5

 

18 х 10-6

100

419

440

 

138

6

 

18 х 10-6

200

419

546

 

180

7

4 х 10-6

36 х 10-6

200

419

1100

17.0

185

4 х 10-6

36 х 10-6

166

419

710

 

160

8

8 х 10-6

48 х 10-6

166

419

658

 

165

9

8 х 10-6

72 х 10-6

166

419

560

 

 

На рис. 4—6 приведены типичные примеры спектров возбуждения и эмиссии водных суспен­зий синтезированных наночастиц. В табл. 2 све­дены полученные из этих данных спектрально-люминесцентные характеристики различных се­рий суспензий в сравнении с аналогичными харак­теристиками Yb(acac)-ДМЭ ПП IX в среде органи­ческого растворителя (ТГФ) и в адсорбированном на БСА состоянии. Значения интенсивности лю­минесценции I получены при возбуждении в мак­симуме полосы Соре для каждого образца. Водный раствор БСА (более гидрофобное окружение) вы­бран для сравнения потому, что в нем наблюдалась достаточно интенсивная люминесценция ком­плекса, почти отсутствующая в водном растворе (серия 2) 2 х 10-6 М Yb(acac)-ДМЭ ПП IX [8]. При­ведены также значения среднего гидродинамиче­ского диаметра частиц в зависимости от концен­трации полимера в реакционной среде.

 

Рис. 4. Спектры возбуждения люминесценции ((λэм = 975 нм) наночастиц с различным содержанием ТОФО: 1 — 0 М (серия 2), 2 — 6 х 10-6 М (серия 3), 3 — 12 х 10-6 М (серия 4).

 

 

Рис. 5. Спектр эмиссии наночастиц Yb(acac)-ДМЭ ПП IX-ЛПМ в БИК-области ((λвозб = 532 нм).

 

 

Рис. 6. Спектры эмиссии флуоресценции на­ночастиц ЛПМ + ИКП в красной области спек­тра, содержащих различные количества ТОФО: 1 — серия 2 — 0 М, 2 — серия 3 — 6 х 10-6 М, 3 — се­рия 4 — 12 х 10-6 М (λвозб = 404 нм).

 

Отметим, что спектр возбуждения люминес­ценции иона Yb3+ во всех исследованных систе­мах представляет собой типичный спектр погло­щения металлопорфирина, содержащий полосу Соре в области 415—419 нм и две обертональные полосы при 543—545 и 581—585 нм. Это дока­зывает, что и в нанокомпозитах (ИКП + ЛПМ) люминесценция Yb3+ происходит по механизму внутримолекулярного переноса энергии возбуж­дения с Т-уровней порфириновой части ком­плекса на резонансный 2F5/2 уровень ионов Yb3+. При этом характер конкретного спектра отража­ет полярность среды, в которой пребывает ион. В условиях большей полярности (водный раствор БСА и лексановые частицы серии 2 без ТОФО) максимумы возбуждения сдвинуты в коротко­волновую сторону по сравнению со спектра­ми, полученными от наночастиц, содержащих ТОФО (серии 3—9), и от раствора Yb(acac)-ДМЭ ПП IX в ТГФ.

Представленный на рис. 5 спектр эмиссии нано­частиц в БИК-диапазоне подтверждает, что в них сохраняется типичный для люминесценции ионов Yb3+ характер: наличие наиболее интенсивной по­лосы в области 980 нм, обусловленной основным (2 F5/22 F7/2) переходом, и появление дополнитель­ных полос в области 925 и 1010 нм, обусловленных внутримультиплетными переходами.

Из представленных в табл. 2 данных видно, что интенсивность I и время жизни люминесцен­ции τ иона Yb3+ растут по мере увеличения содер­жания ТОФО в полимерной матрице (серии 2—4), причем для получения наивысших значений тре­буется ~ шестикратный его избыток. Параллель­но наблюдали снижение красной (остаточной) флуоресценции свободного основания порфирина в спектральном диапазоне 600—750 нм (рис. 6), что свидетельствует о более эффективном перено­се энергии возбуждения с порфириновой матрицы на ион иттербия Yb3+ с ростом количества ТОФО в комплексе. Наличие остаточной люминесценции порфирина в красной области спектра обусловле­но присутствием следовых количеств исходного порфирина в исследуемых образцах [12, 15].

Дальнейшее увеличение количества ТОФО при прочих равных условиях (серия 5) практиче­ски не влияло на возрастание интенсивности лю­минесценции суспензии. Дополнительный рост интенсивности при том же соотношении Yb(асас)- ДМЭ ПП IX/ТОФО (серия 6) был получен при по­вышении концентрации полимера в реакционной среде. Это можно объяснить тем, что в данном случае образовывались наночастицы большего диаметра, в которых относительно больший про­цент ИКП оказывался во внутреннем гидрофоб­ном окружении, а не на поверхности в контакте с водной средой (ср. серии 5 и 6), что и привело к увеличению квантового выхода люминесценции Yb3+. Конечно, улучшению спектрально-люми­несцентных характеристик способствует и повы­шение концентрации ИКП в частицах (ср. серии 6 и 7), но лишь до определенных значений, ибо за­тем начинается концентрационное тушение (ср. серии 7а—9). Спектрально-люминесцентные ха­рактеристики водных дисперсий полученных на­ночастиц оставались неизменными в течение трех месяцев, что свидетельствует об их стабильности.

В большинстве биомедицинских приложений в качестве материала магнитного ядра использу­ют магнетит Fe3O4, имеющий существенно мень­шую токсичность, чем чистые магнитные металлы и многие магнитные сплавы [20]. Синтез МНЧ ок­сидов железа осуществляли по методике, описан­ной в [23, 24].

На рис. 7 представлен вид синтезированных МНЧ оксидов железа, полученный методом про­свечивающей электронной микроскопии (ТЕМ). Данный метод показал, что форма полученных МНЧ близка к сферической. Размерное распреде­ление частиц, полученное графическим анализом TEM-изображений, представлено на рис. 8.

 

Рис. 7. TEM-изображение магнитных наночастиц оксидов железа.

 

 

Рис. 8. График функции распределения частиц ок­сида железа по размерам (по данным ТЕМ).

 

Измерения, проведенные методом динамиче­ского рассеяния света на лазерном корреляцион­ном спектрометре “Курс-3”, показали, что синте­зированные МНЧ представляли собой достаточно грубодисперсный порошок следующего распре­деления по размерам (диаметрам): 3 нм — 25%, 8 нм - 35%, 10 нм - 10%, 15 нм - 20%, 35 нм - 5%, частицы диаметром 45, 55, 70, 85, 95, 108, 118, 133 и 145 нм - <1%. Средний диаметр составил 15.2 нм, удельная поверхность - 86 м2/г.

В табл. 1 приведены концентрации ингреди­ентов, использованных при синтезе наночастиц, а в табл. 3 - спектрофото- и спектрофлуориметрические характеристики полученных суспензий.

 

Таблица 3. Спектрофото- и спектрофлуориметрические характеристики суспензий нанокомпозитов ЛПМ + ИКП + FeOx

Серии наночастиц

Свежеприготовленная суспензия

1-4-суточная суспензия

естественный надосадок

ресуспендированная суспензия

 

d410

I410975, отн. ед.

D410

I410975, отн. ед.

D410

I410975, отн. ед.

10

1.29

68

1.29

68

1.29

68

12

2.37

30

1,37

31

2.36

34

13

2.22

25

0.31

23

2.25

25

14

3.07

3.1

1.5

3.8

 

 

15

2.60

40.5

 

 

 

 

16

1.41

73

 

 

 

 

Примечание. P410 - значение оптической плотности суспензии в полосе Соре порфирина взято из спектра поглощения/рассея­ния (D410 от 4 х 10-6 М раствора Yb(асас)-ТМЭ ГП IX в ТГФ 0,137); I - значение интенсивности люминесценции Yb(асас)-ТМЭ ГП IX при возбуждении в полосе Соре и регистрации эмиссии на 975 нм (в растворе ТГФ оно составило 100 и 123 отн. ед. в от­сутствие и в присутствии 24 х 10-6 М ТОФО соответственно).

 

Как видно из представленных данных, включе­ние ядра FeOx в наночастицы приводит к прибли­зительно двукратному снижению интенсивности люминесценции Yb(асас)-ТМЭ ГП IX в синте­зированных наночастицах, несколько большему в случае меньшей толщины полимерной оболочки (серии 12 и 13) и несколько меньшему при увели­чении ее толщины (серия 15). В отсутствие ТОФО люминесценции практически не наблюдается (серия 14). При этом основная доля люминес­ценции приходится на самую мелкодисперсную (надосадочную) фракцию, что свидетельствует о том, что грубодисперсная суспензия, содержащая “крупные” ядра FeOx, практически не люминесцирует.

Было также исследовано биораспределение дан­ного нанокомпозита в органах и тканях животных (мыши-самки линии Bulb/c с перевитой карцино­мой Эрлиха) в определенные временные проме­жутки от момента его введения. Доза субстанции, вводимая мышам внутривенно, составила ~1 мг/кг веса, что намного ниже дозы выживаемости и терапевтических доз фотосенсибилизаторов при ФДТ. Следует отметить, что используемые в наноком­позите ИКП обладают почти нулевой фотоцито­токсичностью [11]. Исследование фармакокине­тики показало, что в первые часы после введения субстанции она локализуется в основном в парен­химатозных органах, прежде всего в селезенке, что полностью согласуется с данными по острой токсичности, когда селезенка является мишенью номер 1 для этого нанокомпозита. Но в течение 12 ч препарат уже значительно “вымывается” из этих органов и довольно прочно оседает в опухолевой ткани. На основе спектрофлуорометрических из­мерений строилась гистограмма распределения интенсивности люминесценции в различных орга­нах и тканях мыши после внутривенного введения препарата (режим ex vivo) (рис. 9). Представленные на рис. 9 данные показывают значительную селек­тивность накопления нанокомпозита в опухоли уже через 12 ч после внутривенного введения. Этот ре­зультат можно частично объяснить размерным эф­фектом (размер наночастиц композита не превы­шает 200 нм), что вполне согласуется с размерами дефектов сосудистой сети в опухолевой ткани.

 

Рис. 9. Гистограмма распределения интенсивно­сти люминесценции в различных органах и тканях мыши (с перевитой карциномой Эрлиха) через 12 ч после внутривенного введения препарата (при дозе ИКП 25 мг/кг).

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для БИК-люминесцентной диагностики ново­образований синтезированы наночастицы на ос­нове Лексана, поликарбонатного бисфенольного полимера, с инкорпорированными в него иттер- биевыми комплексами ДМЭ ПП IX (структура: ЛПМ + ИКП). Показано, что включение ИКП в по­лимерную матрицу в присутствии дополнитель­ного комплексообразователя ТОФО способствует увеличению интенсивности и времени жизни лю­минесценции иона Yb3+до 17 мкс по сравнению со свободным комплексом при одновременном сни­жении остаточной флуоресценции основания пор- фириновой части комплекса.

Размер синтезированных наночастиц (100— 200 нм) предполагает возможность их предпочти­тельного накопления в опухолевой ткани вслед­ствие проникновения через дефекты эндотелия кровеносных сосудов опухоли, а также благодаря природной туморотропности порфириновой части комплекса. Полученные данные свидетельствуют о перспективности применения синтезированных наночастиц со структурой ЛПМ + ИКП для разра­ботки чувствительных люминесцентных методов диагностики опухолей визуально и эндоскопиче­ски доступной локализации.

Синтезированная структура типа ЛПМ + ИКП + FeOx может быть востребована для целей тераности- ки. Включение ядра FeOx в наночастицы позволяет проводить контролируемую локальную высокоча­стотную гипертермию тканей, накопивших нано­композит, хотя и приводит к некоторому снижению интенсивности люминесценции по сравнению со структурой ЛПМ + ИКП. Однако этот недостаток может быть компенсирован увеличением терапев­тической дозы нанокомпозита. Представленные данные свидетельствуют о том, что для получения более качественных люминесцирующих наноча­стиц с ядром оксидов железа, содержащих ИКП, необходимо использовать более монодисперсную исходную суспензию FeOx диаметром не более 10 нм, которую можно получать в плазменном раз­ряде в ультразвуковом поле [28, 29].

Об авторах

Н. П. Ивановская
Государственный научно-исследовательский институт биологического приборостроения Федерального медико-биологического агентства
Россия


И. П. Шилов
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал
Россия


А. В. Иванов
Государственный научный центр лазерной медицины им. О.К. Скобелкина Федерального медико-биологического агентства России; Национальный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н.Н. Блохина Минздрава России
Россия


В. Д. Румянцева
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал; МИРЭА – Российский технологический университет
Россия

Румянцева Валентина Дмитриевна

vdrum@mail.ru 

+7 (495) 246-05-55



А. С. Горшкова
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал
Россия


Список литературы

1. Cheng S.H., Lee S.H., Chen M.-C. et al. Tri-functionalization of mesoporous silica nanoparticles for comprehensive cancer theranostics – the trio of imaging, targeting and therapy // J. Mater. Chem. 2010. V. 20. № 29. P. 6149. https://doi.org/10.1039/c0jm00645a.

2. Bardhan R., Chen W., Bartels M. et al. Tracking of Multimodal Therapeutic Nanocomplexes Targeting Breast Cancer in Vivo // Nano Lett. 2010. V. 10. P. 4920. https://doi.org/10.1021/nl102889y.

3. Su J., Sun H., Meng Q. et al. Enhanced Blood Suspensibility and Laser-Activated Tumor-specific Drug Release of Theranostic Mesoporous Silica Nanoparticles by Functionalizing with Erythrocyte Membranes // Theranostics. 2017. V. 7. № 3. P. 523. https://doi.org/10.7150/thno.17259.

4. Wang J., Mao W., Lock L.L. et al. The role of micelle size in tumor accumulation, penetration and treatment // ACS Nano. V. 9. Issue 7. P. 7195. https://doi.org/10.1021/ acsnano.5b02017.

5. Хлебцов Б.Н., Панфилова Е.В., Ханадеев В.А. и др. Композитные многофункциональные наночастицы на основе золото-серебряных наноклеток, покрытых двуокисью кремния и гематопорфирином иттербия // Российские нанотехнологии. 2011. Т. 6. № 7–8. С. 112.

6. Khlebtsov B., Panfilova E., Khanadeev V. et al. Nanocomposites containing silica-coated gold-silver nanocages and Yb-2,4-dimethoxyhematoporphyrin: multifunctional capability of IR-luminescence detection, photosensitization and photothermolysis // ACS Nano. 2011. V. 5. № 9. P. 7077. https://doi.org/10.1021/nn2017974.

7. Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г., Терентюк Г.С. и др. Композитные наночастицы для фотодинамической диагностики. Патент РФ №2463074 от 10.10.2012.

8. Wang L.-S., Wu L.-C., Lu S.-Y. et al. Biofunctionalized Phospholipid-Capped Mesoporous Silica Nanoshuttles for Targeted Drug Delivery: Improved Water Suspensibility and Decreased Nonspecific Protein Binding // ACS Nano. 2010. V. 4. P. 4371. https://doi.org/10.1021/nn901376h.

9. Шилов И.П., Иванов А.В., Румянцева В.Д., Миронов А.Ф. Люминесцентная диагностика визуально и эндоскопически доступных опухолей на основе нефототоксичных иттербиевых комплексов порфиринов // Фундаментальные науки – медицине: Биофизические медицинские технологии. Монография: В 2-х т.: Т. 2. Под ред. Григорьева А.И. и Владимирова Ю.А. М.: МАКС Пресс, 2015. C. 110.

10. Румянцева В.Д., Шилов И.П., Панас А.И. др. Нефототоксичные иттербиевые металлокомплексы порфиринов как перспективные маркеры для ИКлюминесцентной диагностики рака // Российский биотерапевтический журн. 2011. Т. 10. № 1. С. 78.

11. Ivanov A.V., Rumyantseva V.D., Shchamkhalov K.S., Shilov I.P. Luminescence Diagnostics of Malignant Tumors in the IR Spectral Range Using Yb-Porphyrin Metallocomplexes // Laser Phys. 2010. V. 20. № 12. P. 2056. https://doi.org/10.1134/s1054660x10220032.

12. Wong W.-K., Zhu X., Wong W.-Y. Synthesis, structure, reactivity and photoluminescence of lanthanide (III) monoporphyrinate complexes // Coord. Chem. Rev. 2007. V. 251. P. 2386. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2006.11.014.

13. Сташевский А.С., Кнюкшто В.Н., Иванов А.В. и др. Флуоресцентные свойства Yb-2,4-диметоксигематопорфирина IX – перспективного соединения для диагностики злокачественных опухолей // Журн. прикладной спектроскопии. 2014. Т. 81. № 6. С. 850. https://doi.org/10.1007/s10812-015-0032-0.

14. Beeby A., Clarkson I.M., Dickins R.S. et al. Non-radiative deactivation of the excited states of europium, terbium and ytterbium complexes by proximate energymatched OH, NH and CH oscillators: an improved luminescence method for establishing solution hydration state // J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1999. V. 2. P. 493. https://doi.org/10.1039/a808692c.

15. Ширманова М.В., Балалаева И.В., Леканова Н.Ю. и др. Разработка нового фотосенсибилизатора на основе порфиразинового комплекса иттербия // Биофизика. 2011. Т. 56. № 6. С. 1117.

16. Спицын В.И., Мартыненко Л.И. Координационная химия редкоземельных элементов. М.: Изд-во МГУ, 1979. 248 с.

17. Nikiforov V.N., Ivanov A.V., Brusentsov N.A. et al. Magnetically sensitive nanoparticles for magnetically controlled thermochemotherapy // Int. J. Nanotechnol. 2017. V. 14. № 7/8. P. 646. https://doi.org/10.1504/ijnt.2017.083439.

18. He X., Wang K., Cheng Z. In vivo near-infrared fluorescence imaging of cancer with nanoparticles-based probes // Nanomed. Nanobiotechnol. 2010. V. 2. P. 349. https://doi.org/10.1002/wnan.85.

19. Dutz S., Hergt R. Magnetic particle hyperthermia-a promising tumour therapy? // Nanotechnol. 2014. V. 25. P. 452001.

20. Головин Ю.И., Клячко Н.Л., Мажуга А.Г. и др. Новые подходы к нанотераностике: полифункциональные магнитные наночастицы, активируемые негреющим низкочастотным магнитным полем, управляют биохимической системой с молекулярной локальностью и селективностью // Российские нанотехнологии. 2018. Т. 13. № 5–6. С. 3.

21. Wu C., Bull B., Christensen K., McNeill J. Ratiometric single-nanoparticle oxygen sensors for biological imaging // Angew. Chem. Int. Ed. 2009. V. 48. P. 2741. https://doi. org/10.1002/ange.200805894.

22. Ivanovskaya N.P., Shilov I.P., Shchamkhalov K.S. et al. Nanoparticles based on lexan polymer matrix and the Ytterbium complex of porphyrin: synthesis, spectral-luminescence properties and prospects of using for neoplasm diagnostics // Macroheterocycles. 2015. V. 8. № 1. P. 50. https://doi.org/10.6060/mhc140715r.

23. Kurlyandskaya G.V., Bhagat S.M., Safronov A.P. et al. Spherical magnetic nanoparticles fabricated by electric explosion of wire // AIP Advances. 2011. V. 1. art. 042122. https://doi.org/10.1063/1.3657510.

24. Beketov I.V., Safronov A.P., Medvedev A.I. et al. Iron oxide nanoparticles fabricated by electric explosion of wire: focus on magnetic nanofluids // AIP Advances. 2012. V. 2. art. 022154. https://doi.org/10.1063/1.4730405.

25. Safronov A.P., Beketov I.V. Spherical metal and metal oxide nanoparticles by the electric explosion of wire. Synthesis and application // CRC Concise Encyclopedia of Nanotechnology / Eds. Kharissov B.I. et al. CRC Press., 2016. P. 1132. https://doi.org/10.1201/b19457-89.

26. Иванов А.В., Певгов В.Г. Методы измерения размеров и концентрации наночастиц // Интеграл. 2011. № 59. С. 6.

27. Ivanov A.V., Rumyantseva V.D., Shilov I.P. et al. Low toxic ytterbium complexes of 2,4-dimethoxyhematoporphyrin IX for the luminescence diagnostics of tumors // Photonics Lasers Medicine. 2013. V. 2. № 3. P. 175. https://doi.org/10.1515/plm-2013-0004.

28. Bulychev N.A., Kazaryan M.A., Chaikov L.L. et al. Nanosized metal oxide particles produced in the plasma discharge in the liquid phase under the impact of ultrasonic cavitation // Brief Commun. Phys. 2014. V. 41. № 9. P. 33. https://doi.org/10.3103/s106833561409005x.

29. Ivanov A.V., Nikiforov V.N., Shevchenko S.V. et al. Properties of metal oxide nanoparticles prepared by plasma discharge in water with ultrasonic cavitation // Int. J. Nanotechnology. 2017. V. 14. № 7/8. P. 618. https://doi.org/10.1504/ijnt.2017.083437.


Просмотров: 36


ISSN 1992-7223 (Print)