biophBiomedical PhotonicsBiomedical Photonics2413-9432Non-profit partnership for development of domestic photodynamic therapy and photodiagnosis10.24931/2413-9432-2017-6-4-13-19bioph-200Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESРАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЙРОПОРТА ДЛЯ ТЕРАПИИ ГЛИОМЫ ГОЛОВНОГО МОЗГАTHE DEVELOPMENT OF NEUROSCAFFOLD FOR THE GLIOBLASTOMA THERAPYМаклыгинаЮ. С.MaklyginaYu. S.us.samsonova@physics.msu.ruШароваА. С.SharovaA. S.БородкинА. В.BorodkinA. V.ЮсубалиеваГ. М.YusubalievaG. M.РябоваА. В.RyabovaA. V.ПоминоваД. В.PominovaD. V.ЛукьянецЕ. А.LukyanetsE. A.ГоряйновС. А.GoryainovS. A.ПотаповА. А.PotapovA. A.ЧехонинВ. П.ChekhoninV. P.ЩербаковИ. А.ShcherbakovI. A.ЛощеновВ. Б.LoshchenovV. B.Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАНРоссияGeneral Physics Institute of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНациональный исследовательский ядерный университет МИФИРоссияGeneral Physics Institute of the Russian Academy of Sciences National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)Russian FederationV.P. Serbskij State Research Center of Forensic and Social Psychiatry, RUSA Ministry of HealthRussian FederationИнститут общей физики им. А.М. Прохорова РАН Национальный исследовательский ядерный университет МИФИРоссияGeneral Physics Institute of the Russian Academy of Sciences National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)Russian FederationГосударственный научный центр «НИОПИК»РоссияState Scientific Center Scientific Research Institute Organic Intermediates and DyesRussian FederationНаучно-исследовательский институт нейрохирургии им. акад. Н.Н. БурденкоРоссияBurdenko Neurosurgery InstituteRussian FederationФедеральный медицинский исследовательский центр психиатрии и наркологииРоссияV.P. Serbskij State Research Center of Forensic and Social Psychiatry, RUSA Ministry of HealthRussian Federation201721022018641319Copyright © Маклыгина Ю.С., Шарова А.С., Бородкин А.В., Юсубалиева Г.М., Рябова А.В., Поминова Д.В., Лукьянец Е.А., Горяйнов С.А., Потапов А.А., Чехонин В.П., Щербаков И.А., Лощенов В.Б., 20182018Маклыгина Ю.С., Шарова А.С., Бородкин А.В., Юсубалиева Г.М., Рябова А.В., Поминова Д.В., Лукьянец Е.А., Горяйнов С.А., Потапов А.А., Чехонин В.П., Щербаков И.А., Лощенов В.Б.Maklygina Y.S., Sharova A.S., Borodkin A.V., Yusubalieva G.M., Ryabova A.V., Pominova D.V., Lukyanets E.A., Goryainov S.A., Potapov A.A., Chekhonin V.P., Shcherbakov I.A., Loshchenov V.B.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.pdt-journal.com/jour/article/view/200

В работе представлены результаты разработки системы для внутричерепной имплантации с целью терапии и предотвращения рецидивирования глиом головного. Основное свойство  системы в перспективе будет состоять в том, чтобы направить рост клеток глиомы,  локализованных в области, прилегающей к месту удаленной опухоли, вдоль волокон по  направлению к проксимальной части волоконно-оптического имплантата (нейропорт) с  целью их регистрации по сигналу фотолюминесценции и последующей их деструкции в  результате фотодинамического воздействия. Такое устройство должно обеспечить  мониторинг процессов, происходящих в зондируемой области с целью контроля процессов  рецидивирования. В ходе данного исследования динамики роста клеток глиомы показана  локализация клеток вдоль волоконных структур, покрытых желатином, который является  источником аминокислот при культивировании. Также в ходе работы были разработаны и  успешно апробированы четыре различных конструкции макетов внутричерепных  имплантатов, выполняющие роль портов для доставки диагностического и терапевтического лазерного излучения. Получены на головном мозге крыс с индуцированными опухолями  (глиома С6) после имплантации нейропорта, демонстрирующие достаточно интенсивную  флуоресценцию в ложе опухоли при внутривенном введении фотосенсибилизатора на  основе безметального сульфированного фталоцианина и выраженный фотодинамический  эффект, приведший к тотальному разрушению опухоли. Полученные результаты открывают  перспективы создания нейропорта с внутренней волоконной структурой, фокусирующей рост клеток глиомы.

Current paper presents the results of the system development for intracranial implantation aimed on therapy and prevention of brain gliomas relapse. The main property of the system, in prospective,  will be to direct the growth of glioma cells localized in the region  adjacent to the site of the removed tumor along the fi bers towards  the proximal part of the fiber-optic scaffold (neuroport). Such  approach will allow carrying out cells diagnostics by the  photoluminescence signal and provide subsequent destruction of  malignant cells by photodynamic action. Besides, this system could  be used for monitoring the processes occurring in the probed area in order to control the possible relapses. The localization of cells along  the fi ber structures covered with gelatin compound, which is the  source of amino acids during cultivation, was shown during the glioma cells growth dynamics study. Moreover, four different designs of intracranial scaffold models, serving as ports for diagnostic and therapeutic laser radiation delivery, were developed and  successfully tested in the framework of the research. The results  obtained on the rats brain with induced tumors (glioma C6) after  neuroport implantation demonstrate sufficiently intense fluorescence in the tumor bed after intravenous injection of the  nonmetallic sulfonated phthalocyanine based photosensitizer, and a  pronounced photodynamic effect leading to total destruction of the  tumor. In this way, the results of this study open the prospects of creating the neuroport with an internal fi ber structure that focuses the glioma cells growth.

спектроскопияфлуоресцентная диагностикафотодинамическая терапиябезметальный сульфированный фталоцианиноптоволоконный имплантатнейрофотониказлокачественная глиомаspectroscopyfluorescent diagnosticsphotodynamic therapyfiber-optic scaff oldnonmetallic sulfonated phthalocyanineneurophotonicsglioblastomaReferencesKhan L., Soliman H., Sahgal A., Perry J., Xu W., Tsao M.N. External beam radiation dose escalation for high grade glioma // Cochrane Database Syst Rev. – 2016. – T. 19, № 8. – CD011475.Khan L., Soliman H., Sahgal A., Perry J., Xu W., Tsao M.N. External beam radiation dose escalation for high grade glioma, Cochrane Database Syst Rev., 2016, Vol. 19, No. 8, CD011475.Blumenthal D.T., Dvir A., Lossos A., Tzuk-Shina T., Lior T., Limon D., Yust-Katz S., Lokiec A., Ram Z., Ross J.S., Ali S.M., Yair R., Soussan- Gutman L., Bokstein F. Clinical utility and treatment outcome of comprehensive genomic profiling in high grade glioma patients // J Neurooncol. – 2016. – T. 130, № 1. – C. 211-219.Blumenthal D.T., Dvir A., Lossos A., Tzuk-Shina T., Lior T., Limon D., Yust-Katz S., Lokiec A., Ram Z., Ross J.S., Ali S.M., Yair R., Soussan- Gutman L., Bokstein F. Clinical utility and treatment outcome of comprehensive genomic profiling in high grade glioma patients, J Neurooncol., 2016, Vol. 130, No. 1., pp. 211-219.Wang G., Fu X.L., Wang J.J., Guan R., Tang X.J. Novel strategies to discover effective drug targets in metabolic and immune therapy for glioblastoma // Curr Cancer Drug Targets. – 2016. – T. 17, № 1. – C. 17-39.Wang G., Fu X.L., Wang J.J., Guan R., Tang X.J. Novel strategies to discover effective drug targets in metabolic and immune therapy for glioblastoma, Curr Cancer Drug Targets., 2016, Vol. 17, No. 1, pp. 17-39.Luciano R., Saracino R., Battafarano G., Perrotta A., Manco M., Muraca M., Del Fattore A., Rossi M. New perspectives in glioblastoma: Nanoparticles-based approaches // Curr Cancer Drug Targets. – 2017. – T. 17, № 3. – C. 203-220.Luciano R., Saracino R., Battafarano G., Perrotta A., Manco M., Muraca M., Del Fattore A., Rossi M. New perspectives in glioblastoma: Nanoparticles-based approaches, Curr Cancer Drug Targets., 2017, Vol. 17, No. 3, pp. 203-220.Morrone F.B., Gehring M.P., Nicoletti N.F. Calcium Channels and Associated Receptors in Malignant Brain Tumor Therapy // Mol Pharmacol. – 2016. – T. 90, № 3. – C. 403-409.Morrone F.B., Gehring M.P., Nicoletti N.F. Calcium Channels and Associated Receptors in Malignant Brain Tumor Therapy, Mol Pharmacol., 2016, Vol. 90, No. 3, pp. 403-409.Ashby L.S., Smith K.A., Stea B. Gliadel wafer implantation combined with standard radiotherapy and concurrent followed by adjuvant temozolomide for treatment of newly diagnosed high-grade glioma: a systematic literature review // World J Surg Oncol. – 2016. – T. 14, № 1. – C. 225.Ashby L.S., Smith K.A., Stea B. Gliadel wafer implantation combined with standard radiotherapy and concurrent followed by adjuvant temozolomide for treatment of newly diagnosed high-grade glioma: a systematic literature review, World J Surg Oncol, 2016, Vol. 14, No. 1, p. 225.Bregy A., Shah A.H., Diaz M.V., Pierce H.E., Ames P.L., Diaz D., Komotar R.J. The role of Gliadel wafers in the treatment of high-grade gliomas // Expert Rev Anticancer Ther. – 2013. – T. 13, № 12. – C. 1453-1461.Bregy A., Shah A.H., Diaz M.V., Pierce H.E., Ames P.L., Diaz D., Komotar R.J. The role of Gliadel wafers in the treatment of high-grade gliomas, Expert Rev Anticancer Ther., 2013, Vol. 13, No. 12, pp. 1453-1461.Jain A., Betancur M., Patel G.D., Valmikinathan C.M., Mukhatyar V.J., Vakharia A., Pai S.B., Brahma B., MacDonald T.J., Bellamkonda R.V. Guiding intracortical brain tumour cells to an extracortical cytotoxic hydrogel using aligned polymeric nanofibers // Nat Mater. – 2014. – T. 13, № 3. – C. 308-316.Jain A., Betancur M., Patel G.D., Valmikinathan C.M., Mukhatyar V.J., Vakharia A., Pai S.B., Brahma B., MacDonald T.J., Bellamkonda R.V. Guiding intracortical brain tumour cells to an extracortical cytotoxic hydrogel using aligned polymeric nanofibers, Nat Mater., 2014, Vol. 13, No. 3, pp. 308-316.Au S.H., Storey B.D., Moore J.C., Tang Q., Chen Y.L., Javaid S., Sarioglu A.F., Sullivan R., Madden M.W., O'Keefe R., Haber D.A., Maheswaran S., Langenau D.M., Stott S.L., Toner M. Clusters of circulating tumor cells traverse capillary-sized vessels // Proc Natl Acad Sci U S A. – 2016. – T. 113, № 18. – C. 4947-4952.Au S.H., Storey B.D., Moore J.C., Tang Q., Chen Y.L., Javaid S., Sarioglu A.F., Sullivan R., Madden M.W., O'Keefe R., Haber D.A., Maheswaran S., Langenau D.M., Stott S.L., Toner M. Clusters of circulating tumor cells traverse capillary-sized vessels, Proc Natl Acad Sci U S A., 2016, Vol. 113, No. 18, pp. 4947-4952.Bellail A.C., Hunter S.B., Brat D.J., Tan C., Van Meir E.G. Microregional extracellular matrix heterogeneity in brain modulates glioma cell invasion // Int. J. Biochem. Cell Biol. – 2004. – T. 36, № 6. – C. 1046-1069.Bellail A.C., Hunter S.B., Brat D.J., Tan C., Van Meir E.G. Microregional extracellular matrix heterogeneity in brain modulates glioma cell invasion, Int. J. Biochem. Cell Biol., 2004, Vol. 36, No. 6, pp. 1046-1069.Claes A., Idema A.J., Wesseling P. Diffuse glioma growth: a guerilla war // Acta Neuropathol. – 2007. – T. 114, № 5. – C. 443-458.Claes A., Idema A.J., Wesseling P. Diffuse glioma growth: a guerilla war, Acta Neuropathol., 2007, Vol. 114, No. 5, pp. 443-458.Sutter M., Eggspuehler A., Grob D., Jeszenszky D., Benini A., Porchet F., Mueller A., Dvorak J. The validity of multimodal intraoperative monitoring (MIOM) in surgery of 109 spine and spinal cord tumors // Eur Spine J. – 2007. – T. 16, № 2. – C. 197-208.Sutter M., Eggspuehler A., Grob D., Jeszenszky D., Benini A., Porchet F., Mueller A., Dvorak J. The validity of multimodal intraoperative monitoring (MIOM) in surgery of 109 spine and spinal cord tumors, Eur Spine J., 2007, Vol. 16, No. 2, pp. 197-208.Chekhonin V.P., Baklaushev V.P., Yusubalieva G.M., Pavlov K.A., Ukhova O.V., Gurina O.I. Modeling and Immunohistochemical Analysis of C6 Glioma In Vivo // Bulletin of Experimental Biology and Medicine – 2007. – T. 143, № 4. – C. 501-509.Chekhonin V.P., Baklaushev V.P., Yusubalieva G.M., Pavlov K.A., Ukhova O.V., Gurina O.I. Modeling and Immunohistochemical Analysis of C6 Glioma In Vivo, Bulletin of Experimental Biology and Medicine, 2007, Vol. 143, No. 4, pp. 501-509.Potapov A.A., Nazarov V.V., Goryaynov S.A., Okhlopkov V.A., Shishkina L.V., Shurkhay V.A., Loschenov V.B., Saveleva T.A., Kuzmin S.G., Chumakova A.P. A case of brain abscess mimicking cystic brain tumor and showing intraoperative 5-aminolevulinic acid fluorescence: case report // J. Chirurgia – 2014. – T. 27, № 4. – C. 257-260.Potapov A.A., Nazarov V.V., Goryaynov S.A., Okhlopkov V.A., Shishkina L.V., Shurkhay V.A., Loschenov V.B., Saveleva T.A., Kuzmin S.G., Chumakova A.P. A case of brain abscess mimicking cystic brain tumor and showing intraoperative 5- aminolevulinic acid fluorescence: case report, J. Chirurgia, 2014, Vol. 27, No. 4, pp. 257-260.Savelieva T.A., Kalyagina N.A., Kholodtsova M.N., Loschenov V.B., Goryainov S.A., Potapov A.A. Numerical modelling and in vivo analysis of fluorescent and laser light backscattered from glial brain tumors // Proc. SPIE 8230 - 2012. - 82300L.Savelieva T.A., Kalyagina N.A., Kholodtsova M.N., Loschenov V.B., Goryainov S.A., Potapov A.A. Numerical modelling and in vivo analysis of fluorescent and laser light backscattered from glial brain tumors, Proc. SPIE 8230, 2012, 82300L.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.