Исследование процессов передачи энергии между редкоземельными ионами и молекулами фотосенсибилизаторов для задач фотодинамической терапии с возбуждением в ИК-диапазоне

На сегодняшний день фотодинамическая терапия (ФДТ) является одним из самых перспективных минимально инвазивных методов лечения различных заболеваний, включая злокачественные новообразования. Основным ограничением применения этой методики является недостаточная проникающая способность в ткань лазерного излучения, используемого для активации молекул фотосенсибилизатора (ФС), что затрудняет проведение терапии при лечении объемных или глубокозалегающих опухолей. В связи с этим наблюдается большой интерес к разработке новых стратегий ФДТ с использованием для возбуждения инфракрасного (ИК) излучения, длины волн которого попадают в «окно прозрачности» биологических тканей. В работе было предложено использовать ап-конверсионные наночастицы (АКНЧ) NaGdF₄ :Yb:Er, которые поглощают инфракрасное возбуждение и служат донором, передающим энергию ФС. В качестве наиболее перспективных ФС для исследования были выбраны фотосенс и фталосенс. Исследованы процессы передачи энергии между АКНЧ, легированными редкоземельными ионами, и молекулами ФС для верификации возможности возбуждения ФС ИК-излучением и проведения ФДТ глубокозалегающих новообразований. При помощи спектроскопических и время-разрешенных методов продемонстрировано, что наблюдается эффективная передача энергии между АКНЧ и ФС фталосенс и фотосенс. Расчётная эффективность передачи энергии по механизму Фёрстера составила 41% для системы АКНЧ + фотосенс и 69% для АКНЧ + фталосенс. Экспериментально и теоретически доказано, что наблюдается связывание молекул ФС с АКНЧ посредством поверхностно-активного вещества, приводящее к сокращению расстояния между ними, за счет чего реализуется эффективная безызлучательная передача энергии. Продемонстрирована генерация синглетного кислорода молекулами фталосенса при возбуждении посредством передачи энергии от АКНЧ, возбуждаемых длиной волны 980 нм.

1. Algorri, J. F., Ochoa, M., Roldán-Varona, P., Rodríguez-Cobo, L., López-Higuera, J.M. Photodynamic Therapy: A Compendium of Latest Reviews//Cancers. – 2021. – Vol. 13. – P. 4447. https://doi.org/10.3390/cancers13174447

2. Филоненко Е.В., Трушина О.И., Новикова Е. Г., Зароченцева Н.В., Ровинская О.В., Иванова-Радкевич В.И., Каприн А.Д. Фотодинамическая терапия в лечении интраэпителиальных неоплазий шейки матки, вульвы и влагалища//Biomedical Photonics. – 2020. Vol. 9 (4). – P. 31–39. https://doi.org/10.24931/2413–9432–2020–9-4–31–39

3. Семенов Д.Ю., Васильев Ю.Л., Дыдыкин С.С., Странадко Е.Ф., Шубин В.К., Богомазов Ю.К., Морохотов В.А., Щербюк А.Н., Морозов С.В., Захаров Ю.И. Антимикробная и антимикотическая фотодинамическая терапия (обзор литературы)//Biomedical Photonics. – 2021. – Vol. 10 (1). – P. 25–31. https://doi.org/10.24931/2413–9432–2021–10–1-25–31

4. Filonenko E.V., Kaprin A.D., Alekseev B.Ya., Apolikhin O. I., Slovokhodov E.K., Ivanova-Radkevich V. I., Urlova A.N. 5-Aminolevulinic acid in intraoperative photodynamic therapy of bladder cancer (results of multicenter trial)//Photodiagnosis and Photodynamic Therapy.– 2016.– Т. 16. – С. 106–109. doi: 10.1016/j.pdpdt.2016.09.009

5. Sokolov V.V., Chissov V. I., Filonenko E.V., Kozlov D.N., Smirnov V.V. Photodynamic therapy of cancer with the photosensitizer PHOTOGEM//Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering.– 1995.– Vol. 2325.– P. 367–374. doi: 10.1117/12.199169

6. Oleinick N. L., Morris R. L., Belichenko I. The role of apoptosis in response to photodynamic therapy: what, where, why, and how//Photochemical & Photobiolological Sciences. – 2002. – Vol. 1. – P. 1–21.

7. Krammer B. Vascular effects of photodynamic therapy//Anticancer Research. – 2001. – Vol. 21 (6). – P. 4271–4277.

8. Санарова Е.В., Ланцова А.В., Дмитриева М.В., и др Фотодинамическая терапия – способ повышения селективности и эффективности лечения опухолей//Российский биотерапевтический журнал. – 2014. – Т. 13, № 3. – С. 109–118.

9. Sokolov V.V., Chissov V. I., Yakubovskya R. I., Smirnov V.V., Zhitkova M.B. Photodynamic therapy (PDT) of malignant tumors by photosensitzer photosens: results of 45 clinical cases//Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering. – 1996. – Vol. 2625. – P. 281–287.

10. Sokolov V.V., Filonenko E.V., Telegina L.V., Boulgakova N.N., Smirnov V.V. Combination of fluorescence imaging and local spectrophotometry in fluorescence diagnostics of early cancer of larynx and bronchi//Quantum Electronics.– 2002.– Vol. 32 (11). – P. 963–969. doi: 10.1070/QE2002v032n11ABEH002329

11. Pikin O., Filonenko E., Mironenko D., Vursol D., Amiraliev A. Fluorescence thoracoscopy in the detection of pleural malignancy//European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. – 2012.– Т. 41, № 3.– С. 649–652. doi: 10.1093/ejcts/ezr086

12. Панасейкин Ю.А., Филоненко Е.В., Севрюков Ф. Е., Капинус В.Н., Полькин В.В., Исаев П.А., Каприн А.Д., Иванов С.А. Возможности фотодинамической терапии при лечении злокачественных опухолей полости рта//Biomedical Photonics. – 2021. – Vol. 10 (3). – P.32–38. https://doi.org/10.24931/2413–9432–2021–10–3-32–38

13. Каприн А.Д., Мардынский Ю.С., Смирнов В.П., Иванов С.А., Костин А.А., Полихов С.А., Решетов И.В., Фатьянова А.С., Денисенко М.В., Эпатова Т.В., Коренев С.В., Терещенко А.В., Филоненко Е.В., Гафаров М.М., Романко Ю.С. К истории развития лучевой терапии (часть I)//Biomedical Photonics.– 2019.– Т. 8, № 1.– С. 52–62. doi: 10.24931/2413–9432–2019–8–1–52–62.

14. Castano A.P., Mroz P., Hamblin M. R Photodynamic therapy and anti-tumour immunity//Nature Reviews Cancer. – 2006. Vol. 6 (7). – P. 535–45.

15. Clement M., Daniel G., Trelles M. Optimising the design of a broad band light source for the treatment of skin//Journal of Cosmetic and Laser Therapy. – 2005. – Vol. 7 (3). – P. 177–189.

16. Pierroz V., Folcher M. From Photobiolumination to Optogenerapy, Recent Advances in NIR Light Photomedicine Applications//Journal of molecular and genetic medicine. – 2018. – Vol. 2 (2). – P. 1–7.

17. Wang F., Banerjee D., Liu Y., et al. Upconversion nanoparticles in biological labeling, imaging, and therapy//Analyst. – 2010. – Vol. 135 (8). – P. 1839–1854.

18. Ismael F. S., Amasha H.M., Bachir W.H. Алгоритм определения оптимального числа волокон используемых при внутритканевой фотодинамической терапии рака молочной железы на основании диффузионного уравнения//Biomedical Photonics. – 2019. Vol. 8 (4). – P. 17–27.

19. Can T.X., Svensson N., Axelsson J., et al. Autofluorescence insensitive imaging using upconverting nanocrystals in scattering media//Applied Physics Letters. – 2008. – Vol. 93 (17). – P. 171103.

20. Nyk M., Kumar R., Ohulchanskyy T.Y., et al. High contrast in vitro and in vivo photoluminescence bioimaging using near infrared to near infrared up-conversion in Tm3+ and Yb3+ doped fluoride nanophosphors//Nano Letters. – 2008. – Vol. 8 (11). – P. 3834– 3838.

21. Jacques S. L. Optical properties of biological tissues: a review//Physics in Medicine and Biology. – 2013. – Vol. 58 (14). – P. 5007–5008.

22. Gallavardin T., Maurin M., Marotte S., et al Photodynamic therapy and two-photon bio-imaging applications of hydrophobic chromophores through amphiphilic polymer delivery//Photochemical and Photobiological Sciences. – 2011.– Vol. 10 (7).– P.1216–1225.

23. Velusamy M., Shen J.Y., Lin J.T., et al. A New Series of Quadrupolar Type Two-Photon Absorption Chromophores Bearing 11,12-Dibutoxydibenzo [a, c]-phenazine Bridged Amines; Their Applications in Two-Photon Fluorescence Imaging and TwoPhoton Photodynamic Therapy//Advanced Functional Materials. – 2009. – Vol. 19 (15). – P. 2388–2397.

24. Chen G., Shen J., Ohulchanskyy T.Y, et al. (alpha-NaYbF4 : Tm3+)/CaF2 Core/Shell Nanoparticles with Efficient Near-Infrared to Near-Infrared Upconversion for High-Contrast Deep Tissue Bioimaging//ACS Nano. – 2012. – Vol. 6 (9). – P. 8280–8287.

25. Wang C., Cheng L., Liu Z. Upconversion nanoparticles for potential cancer theranostics//Ther. Deliv. – 2011. – Vol. 2 (10). – P. 1235–1239. doi: 10.4155/tde.11.93. PMID: 22826879.

26. Liu W., Chen R., He S. Ultra-stable near-infrared Tm3+-doped upconversion nanoparticles for in vivo wide-field two-photon angiography with a low excitation intensity//Journal of innovative optical health sciences. – 2019. – Vol. 12 (3). – P. 1950013.

27. Tse W.H., Chen L., McCurdy C.M., et al. Development of biocompatible NaGdF4 : Er3+, Yb3+ upconversion nanoparticles used as contrast agents for bio‐imaging//The Canadian Journal of Chemical Engineering. – 2019. – Vol. 97 (10). – P. 2678–2684.

28. Xu J., Gulzar A., Yang P., et al. Recent advances in near-infrared emitting lanthanide-doped nanoconstructs: Mechanism, design and application for bioimaging//Coordination Chemistry Reviews. – 2019. – Vol. 381. – P.104–134.

29. Xue X.J., Wang F., Liu X.G. Emerging functional nanomaterials for therapeutics//Journal of Materials Chemistry. – 2011. – Vol. 21 (35).– P. 13107–13127.

30. Mader H. S., Kele P., Saleh S.M., et al. Upconverting luminescent nanoparticles for use in bioconjugation and bioimaging//Current Opinion in Chemical Biology. – 2010 – Vol. 14 (5). – P. 582–596.

31. Shen, J., Zhao L., Han G. Lanthanide-doped upconverting luminescent nanoparticle platforms for optical imaging-guided drug delivery and therapy//Advanced drug delivery reviews. – 2012. – Vol. 65 (5). – P. 744–755.

32. Liu Y., Meng X., Bu W. Upconversion-based photodynamic cancer therapy//Coordination chemistry reviews. – 2019. – Vol. 379. – P. 82–98.

33. Obaid G., Russell D.A. Nanoparticles for PDT: Handbook of Photomedicine/eds. M.R. Hamblin, Y.-Y. Huang. Boca Raton. – FL: Taylor & Francis, CRC Press. – 2013. – P. 367–378.

34. Shan G., Weissleder R., Hilderbrand S.A. Upconverting organic dye doped core-shell nano-composites for dual-modality NIR imaging and photo-thermal therapy//Theranostics. – 2013. – Vol. 3 (4). – P. 267–274. doi: 10.7150/thno.5226

35. Wang C., Cheng L., Liu Z. Imaging-Guided pH-Sensitive Photodynamic Therapy Using Charge Reversible Upconversion Nanoparticles under Near-Infrared Light//Advanced Functional Materials. – 2013. – Vol. 23 (24). P. 3077–3086. doi: 10.1002/adfm.201202992

36. Zhang L., Zeng L., Pan Y. et al. Inorganic photosensitizer coupled Gd-based upconversion luminescent nanocomposites for in vivo magnetic resonance imaging and near infraredresponsive photodynamic therapy in cancers//Biomaterials. – 2015. – Vol. 44, P. 82–90. doi: 10.1016/j.biomaterials.2014.12.040

37. Shan G., Weissleder R., Hilderbrand S.A. Upconverting organic dye doped core-shell nano-composites for dual-modality NIR imaging and photo-thermal therapy//Theranostics. – 2013. – Vol. 3 (4). – P. 267–274.

38. Wang C., Cheng L., Liu Z. Imaging-Guided pH-Sensitive Photodynamic Therapy Using Charge Reversible Upconversion Nanoparticles under Near-Infrared Light//Advanced Functional Materials. – 2013. – Vol. 23 (24). – P. 3077–3086.

39. Duan X., Chan C., Lin W. Nanoparticle-mediated Immunogenic Cell Death Enables and Potentiates Cancer Immunotherapy//Angewandte Chemie International Edition. – 2019. – Vol. 58 (3). – P. 670–680.

40. Auzel F. Upconversion and anti-Stokes processes with f and d ions in solids//Chemical Reviews. – 2004. – Vol. 104 (1). – P. 139–173.

41. Terenin А.N. Photochemical processes in aromatic compounds//Acta physicochim. UESS. – 1943. – Vol. 18 (4). – P. 210–241.

42. Wang L., Yan R., Huo Z., et al. Fluorescence resonant energy transfer biosensor based on upconversionluminescent nanoparticles//Angewandte Chemie International Edition. – 2005. – Vol. 44 (37). – P. 6054–6057.

43. Rantanen T., Jarvenpaa M.-L., Vuojola J., et al. Upconverting phosphors in a dual-parameter LRET-based hybridization assay//Analyst. – 2009. – Vol. 134. – P. 1713–1716.

44. Jo E.J., Mun H., Kim M.G. Homogeneous immunosensor based on luminescence resonance energy transfer for glycated hemoglobin detection using upconversion nanoparticles//Analytical Chemistry. – 2016.– Vol. 88 (5). – P. 2742–2746.

45. Rantanen T.; Päkkilä H.; Jämsen L., et al. Tandem dye acceptor used to enhance upconversion fluorescence resonance energy transfer in. homogeneous assays//Analytical Chemistry. – 2007. – Vol. 79. – P. 6312–6318.

46. Vetrone F., Naccache R., Morgan C.G., et al. Luminescence resonance energy transfer from an upconverting nanoparticle to a fluorescent phycobiliprotein//Nanoscale. – 2010. – Vol. 2 (7). – P. 1185–1189.

47. Cheng L., Yang K., Shao M., et al. Multicolor in vivo imaging of upconversion nanoparticles with emissions tuned by luminescence resonance energy transfer//The Journal of Physical Chemistry C. – 2011. – Vol. 115 (6).– P. 2686–2692.

48. Ding Y., Wu F., Zhang Y., et al. Interplay between Static and Dynamic Energy Transfer in Biofunctional Upconversion Nanoplatforms//Journal of Physical Chemistry Letters. – 2015. – Vol. 6. – P. 2518–2523.

49. Muhr V., Würth C., Kraft M., et al. Particle-Size-Dependent Förster Resonance Energy Transfer from Upconversion Nanoparticles to Organic Dyes//Analytical Chemistry. – 2017. – Vol. 89 (9). – P. 4868–4874.

50. Shao W., Chen G., Kuzmin A., et al. Tunable narrow band emissions from dye-sensitized core/shell/shell nanocrystals in the second near-infrared biological window//Journal of the American Chemical Society. – 2016. – Vol. 138 (50). – P. 16192–16195.

51. Drees C., Raj A.N., Kurre R., et al. Engineered Upconversion Nanoparticles for Resolving Protein Interactions inside Living Cells//Angewandte Chemie International Edition. – 2016. – Vol. 55 (38). – P. 11668–11672.

52. Pominova D., Proydakova V., Romanishkin I., et al. Temperature sensing in the short-wave infrared spectral region using core-shell NaGdF4: Yb3+, Ho3+, Er3+@NaYF4 nanothermometers//Nanomaterials. – 2020. – 10 (10). – P. 1992

53. Pominova, D., Romanishkin, I., Proydakova, V., et al Optimization of upconversion luminescence excitation mode for deeper in vivo bioimaging without contrast loss or overheating.//Methods and Applications in Fluorescence. – 2020. – Vol. 8. – P. 025006

54. Kuznetsova, N.A., Gretsova N. S., Yuzhakova O.A., et al. New reagents for determination of the quantum efficiency of singlet oxygen generation in aqueous media//Russian Journal of General Chemistry. – 2001. – Vol.71 (1). – P. 36–41