biophBiomedical PhotonicsBiomedical Photonics2413-9432Non-profit partnership for development of domestic photodynamic therapy and photodiagnosis10.24931/2413-9432-2019-8-3-11-18bioph-345Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESЭкспериментальные исследования оптоакустического воздействия на модель эритроцитов в присутствии углеродных наночастицExperimental studies of optoacoustic effect on the model of erythrocytes in the presence of carbon nanoparticlesКравчукД. А.KravchukD. A.Kravchukda@sfedu.ruОрда-ЖигулинаД. В.Orda-ZhigulinaD. V.Южный федеральный университет, ТаганрогРоссияSouthern Federal University, TaganrogRussian FederationООО «Параметрика», Таганрог; Южный научный центр РАН, Ростов-на-ДонуРоссияOOO “Parametrika”, Taganrog; The Southern Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences, Rostov-on-DonRussian Federation201919102019831118Copyright © Кравчук Д.А., Орда-Жигулина Д.В., 20192019Кравчук Д.А., Орда-Жигулина Д.В.Kravchuk D.A., Orda-Zhigulina D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.pdt-journal.com/jour/article/view/345

Разработана экспериментальная модель для изучения оптико-акустического сигнала от моделей клеток крови, представляющих собой полистирольные микросферы с наночастицами. Установлено, что наночастицы из-за их сильного поглощения света существенно влияют на коэффициент клеточного оптического поглощения, при этом теплофизические параметры, а именно коэффициент теплового расширения, сжимаемость и изобарическая удельная теплоемкость клеток остаются неизменными, так как наночастицы занимают незначительный внутриклеточный объем по сравнению с объемом самой клетки. Оптоакустические сигналы были получены с использованием модельных растворов при различных концентрациях клеток и наночастиц для воздействия лазером с длиной волны 1064 нм. Экспериментальные данные, полученные с помощью лазерной установки LIMO100–532/1064-U на основе Nd:YAG, показали, что амплитуда оптоакустического сигнала возрастала без увеличения температуры в зоне воздействия лазера.

Experimental model has been developed to study optoacoustic signal from model blood cells presented by polystyrene microspheres with nanoparticles. It was found out that nanoparticles due to their strong absorption of light significantly affect the coefficient of cellular optical absorption, while the thermophysical parameters, namely the coefficient of thermal expansion, compressibility and isobaric specific heat of cells remain unchanged, since nanoparticles occupy a small intracellular volume compared to the cell volume. Optoacoustic signals were obtained using model solutions at various concentrations of cells and nanoparticles using 1064 nm laser. The results of experimental measurements using LIMO 100–532/1064-U system based on Nd:YAG showed that the amplitude of the optoacoustic signal increased without increasing the temperature in the laser area.

оптоакустический сигналгематокритагрегацияэритроцитыспектральная плотность мощностилазерoptoacoustic signalhematocritaggregationerythrocytesspectral power densitylaserРабота выполнена при финансовой поддержке Южного федерального университета.ReferencesYuan Z., Zhang Q., Jiang H. 3D diffuse optical tomography imaging of osteoarthritis: Initial results in finger joints // J Biomed Opt. – 2007. – Vol. 12. – 034001.Yuan Z., Zhang Q., Jiang H. 3D diffuse optical tomography imaging of osteoarthritis: Initial results in finger joints, J. Biomed Opt., 2007, vol. 12, 034001.Duck F.A. Physical properties of tissue: a comprehensive reference book. – Academic Press, London, UK, 1990.Duck F.A. Physical properties of tissue: a comprehensive reference book. Academic Press, London, UK, 1990.Xu M., Wang L.V. Photoacoustic imaging in biomedicine // Rev Sci Instrum. – 2006. – vol. 77. – P. 041101–041122.Xu M., Wang L.V. Photoacoustic imaging in biomedicine, Rev Sci Instrum, 2006, vol. 77, pp. 041101–041122.Brecht H., Su R., Fronheiser M., et al. Wholebody three-dimensional optoacoustic tomography system for small animals // J Biomed Opt. – 2009. – Vol. 14(6). – 064007.Brecht H., Su R., Fronheiser M., Ermilov S.A., Conjusteau A., Oraevsky A.A. Wholebody three-dimensional optoacoustic tomography system for small animals, J. Biomed Opt., 2009, vol. 14(6), 064007.Sun Y., Sobe E.S., Jiang H. First assessment of three-dimensional quantitative photoacoustic tomography for in vivo detection of osteoarthritis in the finger joints // Med Phys. – 2011. – Vol. 38(7). – P. 4009.Sun Y., Sobe E.S., Jiang H. First assessment of three-dimensional quantitative photoacoustic tomography for in vivo detection of osteoarthritis in the finger joints, Med Phys, 2011, vol. 38(7), p. 4009.Wang X., Pang Y., Ku G., et al. Noninvasive laser-induced photo-acoustic tomography for structural and functional in vivo imaging of the brain // Nat Biotechnol. – 2003. – Vol. 21. – P. 803–806.Wang X., Pang Y., Ku G., Xie X., Stoica G., Wang L.V. Noninvasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional in vivo imaging of the brain, Nat Biotechnol, 2003, vol. 21, pp. 803–806.Laufer J., Zhang E., Raivich G., Beard P. Three-dimensional noninvasive imaging of the vasculature in the mouse brain using a high resolution photoacoustic scanner // Appl Opt. – 2009. – Vol. 48. – P. 299–306.Laufer J., Zhang E., Raivich G., Beard P. Three-dimensional noninvasive imaging of the vasculature in the mouse brain using a high resolution photoacoustic scanner, Appl Opt, 2009, vol. 48, pp. 299–306.Lu N., Sui Y., Ding Y., et al. Fibrinogen binding-dependent cytotoxicity and degradation of single-walled carbon nanotubes // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. – 2018. – Vol. 29(8). – P. 1–8.Lu N., Sui Y., Ding Y., Tian R., Peng, Y. Fibrinogen binding-dependent cytotoxicity and degradation of single-walled carbon nanotubes, Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2018, vol. 29(8), pp. 1–8.Johnston H.J., Hutchison G.R., Christensen F.M., et al. A critical review of the biological mechanisms underlying the in vivo and in vitro toxicity of carbon nanotubes: The contribution of physicochemical characteristics // Nanotoxicology. – 2010. – Vol. 4(2). – P. 207–46. doi: 10.3109/17435390903569639Johnston H.J., Hutchison G.R., Christensen F.M., Peters S., Hankin S., Aschberger K., Stone V. A critical review of the biological mechanisms underlying the in vivo and in vitro toxicity of carbon nanotubes: The contribution of physico-chemical characteristics, Nanotoxicology, 2010, vol. 4(2), pp. 207–46. doi: 10.3109/17435390903569639Ahmadi H., Ramezani M., Yazdian-Robati R., et al. Acute toxicity of functionalized single wall carbon nanotubes: A biochemical, histopathologic and proteomics approach // Chemico-Biological Interactions. – 2017. – Vol. 275. – P. 196–209.Ahmadi H., Ramezani M., Yazdian-Robati R., Behnam B., Azarkhiavi R.K, Nia H.A., Mokhtarzadeh A., Riahi M.M., Razavi B., Abnous, K. Acute toxicity of functionalized single wall carbon nanotubes: A biochemical, histopathologic and proteomics approach, Chemico-Biological Interactions, 2017, vol. 275, pp. 196–209.Carvalho L.E., Piqueira J., Maria D. Advances in Carbon Nanotubes for Malignant Melanoma: A Chance for Treatment // Molecular Diagnosis & Therapy. – 2018. – Vol. 22(6), – P. 703–715.Carvalho L.E., Piqueira J., Maria D. Advances in Carbon Nanotubes for Malignant Melanoma: A Chance for Treatment, Molecular Diagnosis & Therapy, 2018, vol. 22(6), pp. 703–715.Starchenko I.B., Kravchuk D.A., Kirichenko I.A. An optoacoustic laser cytometer prototype // Biomedical Engineering. – 2018. – Vol. 51, No. 5. – P. 308–312.Starchenko, I.B., Kravchuk D.A., Kirichenko I.A. An optoacoustic laser cytometer prototype, Biomedical Engineering, 2018, vol. 51, no. 5, pp. 308–312.Кравчук Д.А. Математическая модель обнаружения внутриэритроцитарных инфекций с помощью оптоакустического метода // Biomedical Photonics. – 2018. – Т. 7. – № 3. – С. 36–42.Kravchuk D.A. Mathematical model of detection of intra-erythrocyte pathologies using optoacoustic method, Biomedical Photonics, 2018, vol. 7, no. 3, pp. 36–42. (in Russian)Кравчук Д.А., Старченко И.Б. Теоретическая модель для диагностики эффекта кислородонасыщения эритроцитов с помощью оптоакустических сигналов // Прикладная физика. – 2018. – № 4. – С. 89–94.Kravchuk D.A., Starchenko I.B. A theoretical model for diagnosing the effect of oxygenation of erythrocytes using optoacoustic signals, Prikladnaya fizika, 2018, no. 4, pp. 89–94. (in Russian)Орда-Жигулина Д.В., Орда-Жигулина М.В., Старченко И.Б., Кравчук Д.А. Экспериментальная установка для исследования оптоакустической проточной цитометрии // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. – 2018. – Т. 6, № 3. – С. 19–29.Orda-Zhigulina D.V., Orda-Zhigulina M.V., Starchenko I.B., Kravchuk D.A. Experimental setup for the study of optoacoustic flow cytometry, Modelirovanie, optimizaciya i informatsionnye tekhnologii, 2018, vol. 6,. no. 3, pp. 19–29. (In Russian)Menyaev Y.A., Carey K.A., Nedosekin D.A., et al. Preclinical photoacoustic models: application for ultrasensitive single cell malaria diagnosis in large vein and artery // Biomedical optics express. – 2016. – Vol. 7, No. 9, pp. 3643–3658.Menyaev Y.A., Carey K.A., Nedosekin D.A., Sarimollaoglu M., Galanzha E.I., Stumhofer J.S., Zharov V.P. Preclinical photoacoustic models: application for ultrasensitive single cell malaria diagnosis in large vein and artery, Biomedical optics express, 2016, vol. 7, no. 9, pp. 3643–3658.Menyaev Y.A., Nedosekin D.A., Sarimollaoglu M., et al. Optical clearing in photoacoustic flow cytometry // Biomedical optics express. – 2013. – Vol. 4, No. 12. – p. 3040. DOI:10.1364/BOE.4.003030Menyaev Y.A., Nedosekin D.A., Sarimollaoglu M., Juratli M.A., Galanzha E.I., Tuchin V.V., Zharov V.P. Optical clearing in photoacoustic flow cytometry, Biomedical optics express, 2013, vol. 4, no. 12, p. 3040. DOI:10.1364/BOE.4.003030Белова Т.В., Завалишина С.Ю., Медведев И.Н. Физиология крови и кровообращения. Учебное пособие. – Москва: Лань, 2015. – 176 с.Belova T.V., Zavalishina S.Yu., Medvedev I.N. Fiziologiya krovi i krovoobrashcheniya. Uchebnoe posobie [Physiology of blood and blood circulation. Study guide]. Moscow, Lan Publ., 2015. 176 p.Абакумова Т.В., Генинг Т.П., Михайлова Н.Л. и др. Физиология крови. Учебное пособие. – Ульяновск: Ульяновский государственный университет, 2017. – 60 с.Abakumova T.V., Gening, T.P., Mikhailov N.L., Dolgova D.R., Poludnyakova L.V. Fiziologiya krovi. Uchebnoe posobie [Blood physiology. Study guide]. Ulyanovsk: Ulyanovsk State University Publ., 2017. 60 p.Алипов Н.Н. Основы медицинской физиологии. – М.: Практика, 2008. – 496 с.Alipov N.N. Osnovy medicinskoj fiziologii [Fundamentals of medical physiology]. Moscow, Praktika Publ., 2008. 496 p.Липунова Е.А., Скоркина М.Ю. Физиология крови. – Белгород: БелГУ, 2007. – 324 с.Lipunova E.A., Skorkina M.Yu. Fiziologiya krovi [Blood physiology]. Belgorod, BelGU, 2007. 324 p.Камкин А.Г., Каменский А.А. Фундаментальная и клиническая физиология. – М.: Академия, 2004. – 405 с.Kamkin A.G., Kamensky A.A. Fundamental’naya i klinicheskaya fiziologiya [Fundamental and clinical physiology]. Moscow, Academy Publ., 2004. 405 p.Атьков О.Ю., Балахонова Т.В., Горохова С.Г. и др. Ультразвуковое исследование сердца и сосудов / под ред. Атькова О.Ю. – Москва: Эксмо, 2015. – 456 с.Atkov O.Yu., Balakhonova T.V., Gorokhova S.G., Saidova M.A., Smolyaninova N.G., Aleksandrova-Tebenkova E.G., Arakelyants A.A., Popova E.Yu. Ul’trazvukovoe issledovanie serdca i sosudov [Ultrasound examination of the heart and blood vessels], ed. Atkova O. Yu. Moscow, Eksmo, 2015. 456 p.Старченко И.Б., Малюков С.П., Орда-Жигулина Д.В., Саенко А.В. Измерительный комплекс для лазерной диагностики биообъектов с использованием наночастиц на базе LIMO 100 // Прикаспийский журнал управление и высокие технологии. – 2013. – Т. 22, № 2. – С. 166–173.Starchenko I.B., Malyukov S.P., Orda-Zhigulina D.V., Saenko A.V. Measuring complex for laser diagnostics of bioobjects using nanoparticles based on LIMO 100, Prikaspiiskii zhurnal upravlenie i vysokie tekhnologii, 2013, vol. 22, no. 2, pp. 166–173. (In Russian)

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