biophBiomedical PhotonicsBiomedical Photonics2413-9432Non-profit partnership for development of domestic photodynamic therapy and photodiagnosis10.24931/2413-9432-2025-14-3-14-23bioph-730Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESРентген-индуцированная цитотоксичность водных растворов УФ-С рентгенолюминесцентных наночастиц La1−x Prx PO4Experimental studies X-ray induced cytotoxicity of aqueous colloidal solutions of UV-C luminescent La1−x Prx PO4 nanoparticlesШайдулинА. Т.ShaidulinA. T.

Москва

Moscow

shatarte@yandex.ruОрловскаяЕ. О.OrlovskayaE. O.

Москва

Moscow

УваровО. В.UvarovO. V.

Москва

Moscow

СилаевГ. О.SilaevG. O.

Москва

Moscow

СкопинП. И.SkopinP. I.

Саранск

Saransk

ГололобоваИ. А.GololobovaI. A.

Саранск

Saransk

Аль-хадж АюбА.М.М.Al-khadj AioubA.M.M.

Саранск

 Saransk

ЯкобсонД. Э.YakobsonD. E.

Саранск

Saransk

ЧернобайР. А.ChernobayR. A.

Саранск

Saransk

ВайнерЮ. Г.VainerY. G.

Москва

Moscow

ОрловскийЮ. В.OrlovskiiYu. V.

Москва

Moscow

МаховВ. Н.MakhovV. N.

Москва

Moscow

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук; Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»РоссияProkhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences; Higher School of Economics National Research UniversityRussian FederationИнститут общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наукРоссияProkhorov General Physics Institute of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНациональный исследовательский университет «Высшая школа экономики»; Институт спектроскопии Российской академии наукРоссияHigher School of Economics National Research University; Institute of Spectroscopy of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНациональный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. ОгарёваРоссияNational Research Ogarev Mordovia State UniversityRussian FederationNational Research Ogarev Mordovia State UniversityRussian FederationИнститут спектроскопии Российской академии наукРоссияInstitute of Spectroscopy of the Russian Academy of SciencesRussian FederationФизический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наукРоссияP.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2025171020251431423Copyright © Шайдулин А.Т., Орловская Е.О., Уваров О.В., Силаев Г.О., Скопин П.И., Гололобова И.А., Аль-хадж Аюб А., Якобсон Д.Э., Чернобай Р.А., Вайнер Ю.Г., Орловский Ю.В., Махов В.Н., 20252025Шайдулин А.Т., Орловская Е.О., Уваров О.В., Силаев Г.О., Скопин П.И., Гололобова И.А., Аль-хадж Аюб А., Якобсон Д.Э., Чернобай Р.А., Вайнер Ю.Г., Орловский Ю.В., Махов В.Н.Shaidulin A.T., Orlovskaya E.O., Uvarov O.V., Silaev G.O., Skopin P.I., Gololobova I.A., Al-khadj Aioub A., Yakobson D.E., Chernobay R.A., Vainer Y.G., Orlovskii Y.V., Makhov V.N.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.pdt-journal.com/jour/article/view/730

Использование УФ-С излучения является отдельно стоящим терапевтическим воздействием на раковые опухоли, которое способно вызывать клеточный апоптоз и не зависит от фотосенсибилизатора или концентрации кислорода в опухоли. Для исследования потенциала использования наночастиц, способных к рентгенолюминесценции в УФ-С области, в качестве основы для создания препарата, направленного на улучшение лучевой терапии, гидротермально-микроволновым методом были приготовлены два коллоидных раствора наночастиц моноклинного La1–x Prx PO4 с морфологиями крупных нановолокон (х = 0,02) или мелких наностержней (х = 0,05). Сравнение рентгенолюминесценции в УФ-С области коллоиных растворов показало в 6,3 раз превосходящую яркость для более крупных наночастиц. Собственная и рентген-индуцированная цитотоксичность коллоидных растворов на культуре опухолевых клеток Mh22a и культуре клеток L929 были исследованы при помощи МТТ анализа и флуоресцентной микроскопии. Флуоресцентная микроскопия выявила различия в форме клеточной смерти (апоптоз или некроз) после инкубации клеток с образцами нановолокон или наностержней. Облучение рентгеном проводили в двух режимах с различным напряжением на рентгеновской трубке (50 или 80 кВ) и с одинаковой дозой облучения (8 Гр). Группы клеток, инкубированные с крупными наночастицами и облученные в режиме 50 кВ, показали более высокие показатели гибели. Согласно МТТ анализу, облучение клеток, инкубированных с нановолокнами La0.98 Pr0.02 PO4 с концентрацией 2 мг/мл, снизило выживаемость на 20-30%, и одновременно по данным флуоресцентной микроскопии, количество клеток, находящихся в апоптозе, превысило число клеток погибших путем некроза и достигло 50-70%. Количественный анализ относительного числа погибших клеток, исследованных на влияние рентген-индуцированной цитотоксичности наностержей La0.95 Pr0.05 PO4 , не выявил достоверных результатов по снижению жизнеспособности клеток.

The use of UV-C radiation for the treatment of tumors is a stand-alone therapeutic intervention that can induce cellular apoptosis and is independent of photosensitizer or oxygen concentration in tumor. To explore the potential of using X-ray excited UV-C luminescent nanoparticles as a basis for creating drugs to improve radiation therapy, two colloidal solutions of monoclinic La1–x Prx PO4 nanoparticles with different morphologies of large nanofibers (x = 0.02) or small nanorods (x = 0.05) were prepared using a microwave-assisted hydrothermal method. Comparison of X-ray excited UV-C luminescence of colloidal solutions showed approximately 6.3 times higher brightness for larger nanoparticles. The intrinsic and X-ray-induced cytotoxicity of the prepared colloidal solutions on the viability of cancerous Mh22a and healthy L929 cell cultures were studied using MTT assay and fluorescence microscopy. Fluorescence microscopy showed differences in the types of cell death (apoptosis or necrosis) after incubation with nanofiber or nanorod samples. X-ray irradiation was performed in two modes with different voltage on the X-ray tube (50 and 80 kV) and the same radiation dose (8 Gy). Groups of cells incubated with nanoparticles and irradiated with 50 kV mode showed greater death rate. According to MTT analysis, irradiation of cells incubated with La0.98 Pr0.02 PO4 nanofibers at a concentration of 2 mg/mL reduced survival by 20-30%, and at the same time, according to fluorescence microscopy data, the number of cells undergoing apoptosis exceeded the number of cells that died through necrosis and reached 50-70%. Quantitative analysis of the relative number of dead cells caused by X-ray-induced cytotoxicity of La0.95 Pr0.05 PO4 nanorods did not reveal statistically significant results in reducing cell viability.

УФ-С люминесценциярентгенолюминесценцияводный коллоидный раствор нанокристалловрентген-индуциро ванная цитотоксичностьin vitroфлуоресцентная микроскопияапоптозUV-C luminescenceX-ray excited optical luminescenceaqueous colloidal solution of nanocrystalsX-ray induced cytotoxicityin vitrofluorescence microscopyapoptosisV.Y.G., S.G.O., O.E.O. and S.A.T. are grateful for a support of the Russian Science Foundation (grant number 22-22- 00998 for small scientific groups). Authors are grateful to Nikolay Pyatayev for organizing the in vitro studies. G.I.A., A.-k.A.A.M., C.R.A. and Y.D.E. are grateful to Nikolay A. Pyatayev and Mikhail N. Zharkov for their help in writing the text of the in vitro results analysis and formulating the conclusions to them.ReferencesMiwa S., Yano S., Hiroshima Y., Tome Y., Uehara F., Mii S., Efimova E.V., Kimura H., Hayashi K., Tsuchiya H., Hoffman R.M. Imaging UVC-induced DNA damage response in models of minimal cancer // J. Cell. Biochem. – 2013. – Vol. 114(11). – P. 2493-2499.Miwa S., Yano S., Hiroshima Y., Tome Y., Uehara F., Mii S., Efimova E.V., Kimura H., Hayashi K., Tsuchiya H., Hoffman R.M. Imaging UVC-induced DNA damage response in models of minimal cancer // J. Cell. Biochem. – 2013. – Vol. 114(11). – P. 2493-2499.Müller M., Espinoza S., Jüstel T., Held K.D., Anderson R.R., Purschke M. UVC-Emitting LuPO4 :Pr3+ Nanoparticles Decrease Radiation Resistance of Hypoxic Cancer Cells // Radiat. Res. – 2020. – Vol. 193(1). – P. 82-87.Müller M., Espinoza S., Jüstel T., Held K.D., Anderson R.R., Purschke M. UVC-Emitting LuPO4 :Pr3+ Nanoparticles Decrease Radiation Resistance of Hypoxic Cancer Cells // Radiat. Res. – 2020. – Vol. 193(1). – P. 82-87.Squillante M. R., Jüstel T., Anderson R.R., Brecher C., Chartier D., Christian J.F., Cicchetti N., Espinoza S., McAdams D.R., Müller M., Tornifoglio B., Wang Y., Purschke M. Fabrication and characterization of UV-emitting nanoparticles as novel radiation sensitizers targeting hypoxic tumor cells // Opt. Mater. – 2018. – Vol. 80. – P. 197-202.Squillante M. R., Jüstel T., Anderson R.R., Brecher C., Chartier D., Christian J.F., Cicchetti N., Espinoza S., McAdams D.R., Müller M., Tornifoglio B., Wang Y., Purschke M. Fabrication and characterization of UV-emitting nanoparticles as novel radiation sensitizers targeting hypoxic tumor cells // Opt. Mater. – 2018. – Vol. 80. – P. 197-202.Espinoza S., Müller M., Jenneboer H., Peulen L., Bradley T., Purschke M., Haase M., Rahmanzadeh R., Jüstel T. Characterization of Micro- and Nanoscale LuPO4 :Pr3+, Nd3+ with Strong UV-C Emission to Reduce X-Ray Doses in Radiation Therapy // Part. Part. Syst. Charact. – 2019. – Vol. 36(10). – P. 1900280.Espinoza S., Müller M., Jenneboer H., Peulen L., Bradley T., Purschke M., Haase M., Rahmanzadeh R., Jüstel T. Characterization of Micro- and Nanoscale LuPO4 :Pr3+, Nd3+ with Strong UV-C Emission to Reduce X-Ray Doses in Radiation Therapy // Part. Part. Syst. Charact. – 2019. – Vol. 36(10). – P. 1900280.Espinoza S., Volhard M.-F., Kätker H., Jenneboer H., Uckelmann A., Haase M., Müller M., Purschke M., Jüstel T. Deep Ultraviolet Emitting Scintillators for Biomedical Applications: The Hard Way of Downsizing LuPO4 :Pr3+ // Part. Part. Syst. Charact. – 2018. – Vol. 35(12). – P. 1800282.Espinoza S., Volhard M.-F., Kätker H., Jenneboer H., Uckelmann A., Haase M., Müller M., Purschke M., Jüstel T. Deep Ultraviolet Emitting Scintillators for Biomedical Applications: The Hard Way of Downsizing LuPO4 :Pr3+ // Part. Part. Syst. Charact. – 2018. – Vol. 35(12). – P. 1800282.Tran T. A., Kappelhoff J., Jüstel T., Anderson R.R., Purschke M.U. V emitting nanoparticles enhance the effect of ionizing radiation in 3D lung cancer spheroids // Int. J. Radiat. Biol. – 2022. – Vol. 98(9). – P. 1484-1494.Tran T. A., Kappelhoff J., Jüstel T., Anderson R.R., Purschke M.U. V emitting nanoparticles enhance the effect of ionizing radiation in 3D lung cancer spheroids // Int. J. Radiat. Biol. – 2022. – Vol. 98(9). – P. 1484-1494.Malyy T.S., Vistovskyy V.V., Khapko Z.A., Pushak A.S., Mitina N.E., Zaichenko A.S., Gektin A.V., Voloshinovskii A.S. Recombination luminescence of LaPO4-Eu and LaPO4-Pr nanoparticles // J. Appl. Phys. – 2013. – Vol. 113(22). – P. 224305.Malyy T.S., Vistovskyy V.V., Khapko Z.A., Pushak A.S., Mitina N.E., Zaichenko A.S., Gektin A.V., Voloshinovskii A.S. Recombination luminescence of LaPO4-Eu and LaPO4-Pr nanoparticles // J. Appl. Phys. – 2013. – Vol. 113(22). – P. 224305.Srivastava A.M., Setlur A.A., Comanzo H.A., Beers W.W., Happek U., Schmidt P. The influence of the Pr3+ 4f15d1 configuration on the 1S0 emission efficiency and lifetime in LaPO4 // Opt. Mater. – 2011. – Vol. 33(3). – P. 292-298.Srivastava A.M., Setlur A.A., Comanzo H.A., Beers W.W., Happek U., Schmidt P. The influence of the Pr3+ 4f15d1 configuration on the 1S0 emission efficiency and lifetime in LaPO4 // Opt. Mater. – 2011. – Vol. 33(3). – P. 292-298.Okamoto S., Uchino R., Kobayashi K., Yamamoto H. Luminescent properties of Pr3+ -sensitized LaPO4 :Gd3+ ultraviolet-B phosphor under vacuum-ultraviolet light excitation // J. Appl. Phys. – 2009. – Vol. 106(1). – Р. 013522.Okamoto S., Uchino R., Kobayashi K., Yamamoto H. Luminescent properties of Pr3+ -sensitized LaPO4 :Gd3+ ultraviolet-B phosphor under vacuum-ultraviolet light excitation // J. Appl. Phys. – 2009. – Vol. 106(1). – Р. 013522.Srivastava A.M. Aspects of Pr3+ luminescence in solids // J. Lumin. – 2016. – 169(B). – P. 445–449.Srivastava A.M. Aspects of Pr3+ luminescence in solids // J. Lumin. – 2016. – 169(B). – P. 445–449.Bagatur’yants A.A., Iskandarova I.M., Knizhnik A.A., Mironov V.S., Potapkin B.V., Srivastava A.M., Sommerer T.J. Energy level structure of 4f5d states and the Stokes shift In LaPO4 :Pr3+: A theoretical study // Phys. Rev. B. – 2008. – Vol. 78(16). – P. 165125.Bagatur’yants A.A., Iskandarova I.M., Knizhnik A.A., Mironov V.S., Potapkin B.V., Srivastava A.M., Sommerer T.J. Energy level structure of 4f5d states and the Stokes shift In LaPO4 :Pr3+: A theoretical study // Phys. Rev. B. – 2008. – Vol. 78(16). – P. 165125.Hilario E.G., Rodrigues L.C.V., Caiut J.M.A. Spectroscopic study of the 4f5d transitions of LaPO4 doped with Pr3+ or co-doped with Pr3+ and Gd3+ in the vacuum ultra violet region // Nanotechnology. – 2022. – Vol. 33. – P. 305703.Hilario E.G., Rodrigues L.C.V., Caiut J.M.A. Spectroscopic study of the 4f5d transitions of LaPO4 doped with Pr3+ or co-doped with Pr3+ and Gd3+ in the vacuum ultra violet region // Nanotechnology. – 2022. – Vol. 33. – P. 305703.McGahon A.J., Martin S.J., Bissonnette R.P., Mahboubi A., Shi Y., Mogil R.J., Nishioka W.K., Green D.R. The end of the (cell) line: methods for the study of apoptosis in vitro // Methods Cell Biol. – 1995. – Vol. 46. – P. 153-185.McGahon A.J., Martin S.J., Bissonnette R.P., Mahboubi A., Shi Y., Mogil R.J., Nishioka W.K., Green D.R. The end of the (cell) line: methods for the study of apoptosis in vitro // Methods Cell Biol. – 1995. – Vol. 46. – P. 153-185.Kusuzaki K., Murata H., Matsubara T., Satonaka H., Wakabayashi T., Matsumine A., Uchida A. Review. Acridine orange could be an innovative anticancer agent under photon energy // In Vivo. – 2007. – Vol. 21(2). – P. 205-214.Kusuzaki K., Murata H., Matsubara T., Satonaka H., Wakabayashi T., Matsumine A., Uchida A. Review. Acridine orange could be an innovative anticancer agent under photon energy // In Vivo. – 2007. – Vol. 21(2). – P. 205-214.Qian H., Chao X., Williams J., Fulte S., Li T., Yang L., Ding W. X. Autophagy in liver diseases: A review // Mol Aspects Med. – 2021. – Vol. 82. – P. 100973.Qian H., Chao X., Williams J., Fulte S., Li T., Yang L., Ding W. X. Autophagy in liver diseases: A review // Mol Aspects Med. – 2021. – Vol. 82. – P. 100973.Xu C. and Qu X. Cerium oxide nanoparticle: a remarkably versatile rare earth nanomaterial for biological applications // NPG Asia Mater. – 2014. – Vol. 6(3). – P. e90-e90.Xu C. and Qu X. Cerium oxide nanoparticle: a remarkably versatile rare earth nanomaterial for biological applications // NPG Asia Mater. – 2014. – Vol. 6(3). – P. e90-e90.Goodman C. M., McCusker C. D., Yilmaz T., Rotello V.M. Toxicity of gold nanoparticles functionalized with cationic and anionic side chains // Bioconjugate Chem. – 2004. – Vol. 15(4). – P. 897-900.Goodman C. M., McCusker C. D., Yilmaz T., Rotello V.M. Toxicity of gold nanoparticles functionalized with cationic and anionic side chains // Bioconjugate Chem. – 2004. – Vol. 15(4). – P. 897-900.Schaeublin N.M., Braydich-Stolle L.K., Schrand A.M., Miller J.M., Hutchison J., Schlager J.J., Hussain S.M. Surface charge of gold nanoparticles mediates mechanism of toxicity // Nanoscale. – 2011. – Vol. 3(2). – P. 410-420.Schaeublin N.M., Braydich-Stolle L.K., Schrand A.M., Miller J.M., Hutchison J., Schlager J.J., Hussain S.M. Surface charge of gold nanoparticles mediates mechanism of toxicity // Nanoscale. – 2011. – Vol. 3(2). – P. 410-420.

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