Preview

Biomedical Photonics

Расширенный поиск

Фотоиндуцированные процессы наночастиц оксида железа для усиления лазерной терапии

https://doi.org/10.24931/2413-9432-2021-10-4-44-58

Полный текст:

Аннотация

Наночастицы используются в качестве носителей лекарственных средств для повышения селективности и эффективности терапии, а также для сочетанной терапии, объединяющей разные виды воздействия. Перспективными в этом аспекте являются наночастицы оксида железа. Благодаря магнитным свойствам, они могут быть применяться в качестве контраста для магнитно-резонансной томографии. Также наночастицы оксида железа могут быть покрыты фотосенсибилизатором для фотодинамической терапии, а их лазерный или магнитный нагрев этих частиц может используется для проведения фототерапии. При этом локальное усиление электромагнитного поля вблизи наночастиц оксида железа может повысить интенсивность флуоресценции фотосенсибилизаторов и эффективность генерации синглетного кислорода.

В работе представлены результаты исследования наночастиц оксида железа, сфокусированного на фотофизических аспектах образования «горячих точек» при лазерном облучении. Фотоиндуцированные эффекты наночастиц оксида железа, наблюдаемые в экспериментах in vitro, приводят к разрыву лизосом. Теоретическое моделирование показало, что нагрев наночастиц оксида железа радиусом 35 нм под действием лазерного излучения составляет порядка 89˚С и 19˚С для длин волн 458 и 561 нм, соответственно. Локальное усиление поля возникает в парах из наночастиц различного размера и сильно зависит от расстояния между ними. Максимальное усиление достигается при малых расстояниях между наночастицами. Для димера наночастиц с радиусами 10 нм и 35 нм на расстоянии 1 нм получен фактор усиления на два порядка. Рассмотренное явление «горячих точек» востребовано для прецизионной терапии, так как фотоиндуцированные процессы возникают на малых расстояниях между наночастицами, в областях с их высоким накоплением.

Об авторах

Д. В. Поминова
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук; Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Россия

Москва



И. Д. Романишкин
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук
Россия

Москва



Е. А. Плотникова
Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена – филиал ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации
Россия

Москва



Н. Б. Морозова
Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена – филиал ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации
Россия

Москва



В. Б. Лощенов
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук; Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Россия

Москва



R. Wittig
Институт лазерных технологий в медицине и метрологии
Германия

Ульм



M. Linden
Институт неорганической химии II Университета г. Ульм
Германия

Ульм



R. W. Steiner
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Россия

Москва



А. В. Рябова
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук; Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Россия

Москва



Список литературы

1. Xu X., Ho W., Zhang X., Bertrand N. and Farokhzad O. Cancer nanomedicine: from targeted delivery to combination therapy//Trends in Molecular Medicine. – 2015. –Vol. 21 (4). – P. 223–232.

2. Borlan R., Focsan M., Maniu D. and Astilean S. Interventional NIR Fluorescence Imaging of Cancer: Review on Next Generation of Dye-Loaded Protein-Based Nanoparticles for Real-Time Feedback During Cancer Surgery//IJN 16.– 2021.– P. 2147–2171.

3. Dash B. S., Das S., Chen J.-P. Photosensitizer-Functionalized Nanocomposites for Light-Activated Cancer Theranostics//IJMS. 2021. – 22 (13). – P. 6658.

4. Liu G., Yang L., Chen G. et al. A Review on Drug Delivery System for Tumor Therapy//Front. Pharmacol. – 2021.– Vol.12. – P. 735446

5. Wust P., Hildebrandt B., Sreenivasa G., Rau B. et al. Hyperthermia in combined treatment of cancer//The Lancet Oncology. – 2002. – Vol. 3 (8). – P. 487–497.

6. Kolosnjaj-Tabi J., Wilhelm C. Magnetic nanoparticles in cancer therapy: how can thermal approaches help?//Nanomedicine.– 2017. – Vol. 12 (6). – P. 573–575.

7. Сидоров Д.В., Гришин Н.А., Ложкин М.В., Троицкий А.А., Мошуров Р.И., Быкасов С.А., Урлова А.Н., Филоненко Е.В. Интраоперационная фотодинамическая терапия и гипертермическая внутрибрюшная химиотерапия при циторедуктивном хирургическом лечении больных диссеминированной муцинозной карциномой аппендикса//Biomedical Photonics. 20.– Т. 9, № 4. – P. 23–30. https://doi.org/10.24931/2413–9432–2020–9-4–23–30

8. 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.

9. Horsman M.R. Tissue physiology and the response to heat//International Journal of Hyperthermia. – 2006.– Vol. 22 (3). – P. 197–203.

10. Kolosnjaj-Tabi J., Di Corato R., Lartigue L. et al. HeatGenerating Iron Oxide Nanocubes: Subtle “Destructurators” of the Tumoral Microenvironment//ACS Nano. –2014.– Vol. 8 (5).– P. 4268–4283.

11. Mohamed F., Marchettini P., Stuart O.A. et al. Thermal Enhancement of New Chemotherapeutic Agents at Moderate Hyperthermia//Ann Surg Oncol. – 2003.– Vol. 10 (4). – P. 463–468.

12. Issels R. Hyperthermia Combined with Chemotherapy – Biological Rationale, Clinical Application, and Treatment Results//Oncol Res Treat. – 1999. – Vol. 22 (5).– P. 374–381.

13. Suit H.D. and Gerweck L. E., Potential for hyperthermia and radiation therapy//Cancer Res. – 1979.– Vol. 39 (6 Pt 2). – P. 2290–2298.

14. Spirou S., Basini M., Lascialfari A. et al. Magnetic Hyperthermia and Radiation Therapy: Radiobiological Principles and Current Practice//Nanomaterials.– 2018. –Vol. 8 (6). – P. 401.

15. Dahl O. Status of Clinical Hyperthermia//Acta Oncologica. – 1999. – Vol. 38 (7). – P. 863–873.

16. Hynynen K., Shimm D., Anhalt D. et al. Temperature distributions during clinical scanned, focused ultrasound hyperthermia treatments//International Journal of Hyperthermia. – 1990. – Vol. 6 (5). – P. 891–908.

17. Горшкова А.С., Шилов И.П., Иванов А.В., Румянцева В.Д. Cинтез и исследование наночастиц для магнитно-люминесцентеной тераностики опухолей на основе Yb-комплекса ДМЭ протопорфирина IX и оксида железа//Материалы IX Международного конгресса «Фотодинамическая терапия и фотодиагностика» Москва 23–24 октября 2020 г. Biomedical Photonics. 20. – Т. 9, № 4s. – P. 5–6.

18. Mulens-Arias V., Rojas J.M. and Barber D. F. The Use of Iron Oxide Nanoparticles to Reprogram Macrophage Responses and the Immunological Tumor Microenvironment//Front. Immunol.– 2021.– Vol. 12.– Р. 693709.

19. Zanganeh S., Hutter G., Spitler R. et al. Iron oxide nanoparticles inhibit tumour growth by inducing proinflammatory macrophage polarization in tumour tissues//Nature Nanotech. – 2016.– Vol. 11 (11). – P. 986–994.

20. Gaharwar U.S. Meena R., and Rajamani P., Iron oxide nanoparticles induced cytotoxicity, oxidative stress and DNA damage in lymphocytes: Iron oxide nanoparticles toxicity in lymphocytes//J. Appl. Toxicol.– 2017.– Vol. 37 (10).– P. 1232–1244.

21. Malvindi M.A., Matteis V. De, A Galeone. et al. Toxicity Assessment of Silica Coated Iron Oxide Nanoparticles and Biocompatibility Improvement by Surface Engineering//PLoS ONE. – 2014.– Vol. 9 (1).– P. e85835.

22. Arias L., Pessan J., Vieira A. et al. Iron Oxide Nanoparticles for Biomedical Applications: A Perspective on Synthesis, Drugs, Antimicrobial Activity, and Toxicity//Antibiotics. – 2018.– Vol. 7 (2). – P. 46.

23. Sun R., Chen H., Sutrisno L., Kawazoe N., and Chen G., Nanomaterials and their composite scaffolds for photothermal therapy and tissue engineering applications//Science and Technology of Advanced Materials.– 2021.– Vol. 22 (1).– P. 404–428.

24. Liu Q., Liu L., Mo C., Zhou X. et al. Polyethylene glycol-coated ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles-coupled sialyl Lewis X nanotheranostic platform for nasopharyngeal carcinoma imaging and photothermal therapy//J Nanobiotechnol.– 2021. – Vol. 19 (1).– P. 171.

25. Ovejero J.G., Armenia I., Serantes D. et al. Selective Magnetic Nanoheating: Combining Iron Oxide Nanoparticles for MultiHot-Spot Induction and Sequential Regulation//Nano Lett. – 2021.– Vol. 21 (17). – P. 7213–7220.

26. Shi D., Sadat M. E., Dunn A.W., and Mast D.B., Photo-fluorescent and magnetic properties of iron oxide nanoparticles for biomedical applications//Nanoscale. – 2015.– Vol. 7 (18).– P. 8209–8232.

27. Vallejo-Fernandez G., Whear O., Roca A.G. et al. Mechanisms of hyperthermia in magnetic nanoparticles//J. Phys. D: Appl. Phys.– 2013. – Vol. 46 (31). – P. 312001.

28. Espinosa A., Kolosnjaj-Tabi J., Abou-Hassan A. et al. Magnetic (Hyper)Thermia or Photothermia? Progressive Comparison of Iron Oxide and Gold Nanoparticles Heating in Water, in Cells, and In Vivo//Adv. Funct. Mater.– 2018.– Vol. 28 (37).– P. 1803660.

29. Johannsen M., Gneveckow U., Thiesen B. et al. Thermotherapy of Prostate Cancer Using Magnetic Nanoparticles: Feasibility, Imaging, and Three-Dimensional Temperature Distribution//European Urology. – 2007. – Vol. 52 (6).– P. 1653– 1662.

30. Guardia P., R. Corato Di, Lartigue L. et al., Water-Soluble Iron Oxide Nanocubes with High Values of Specific Absorption Rate for Cancer Cell Hyperthermia Treatment//ACS Nano.– 2012.– Vol. 6 (4).– P. 3080–3091.

31. Martinez-Boubeta C., Simeonidis K., Makridis A. et al., Learning from Nature to Improve the Heat Generation of Iron-Oxide Nanoparticles for Magnetic Hyperthermia Applications//Sci Rep. – 2013. – Vol. 3 (1). – P. 1652.

32. Espinosa A., R. Corato Di, Kolosnjaj-Tabi J. et al., Duality of Iron Oxide Nanoparticles in Cancer Therapy: Amplification of Heating Efficiency by Magnetic Hyperthermia and Photothermal Bimodal Treatment//ACS Nano. –2016. – Vol. 10 (2). – P. 2436–2446.

33. Yan H., Shang W., X. Sun, L. Zhao et al., “All-in-One” Nanoparticles for Trimodality Imaging-Guided Intracellular Photo-magnetic Hyperthermia Therapy under Intravenous Administration//Adv. Funct. Mater.– 2018.– Vol. 28 (9).– P. 1705710.

34. Lin S.-Y., Huang R.-Y., Liao W.-C. et al. Multifunctional PEGylated Albumin/IR780/Iron Oxide Nanocomplexes for CancerPhotothermal Therapy and MR Imaging//Nanotheranostics. – 2018.– Vol. 2 (2). – P. 106–116.

35. Cabana S., Curcio A., Michel A., Wilhelm C., and AbouHassan A. Iron Oxide Mediated Photothermal Therapy in the Second Biological Window: A Comparative Study between Magnetite/Maghemite Nanospheres and Nanoflowers//Nanomaterials.– 2020.– Vol.10 (8). – P.1548.

36. Shi J., Yu X., Wang L., Liu Y. et al. PEGylated fullerene/iron oxide nanocomposites for photodynamic therapy, targeted drug delivery and MR imaging//Biomaterials. – 2013.– Vol. 34 (37). – P. 9666–9677.

37. Penon O., Marín M.J., Amabilino D.B., Russell D.A. and PérezGarcía L. Iron oxide nanoparticles functionalized with novel hydrophobic and hydrophilic porphyrins as potential agents for photodynamic therapy//Journal of Colloid and Interface Science. – 2016. – Vol. 462. – P. 154–165.

38. Климов В.В., Наноплазмоника//2nd ed. Физматлит. – 2010.

39. Bashevoy M.V., Fedotov V.A., and Zheludev N. I. Optical whirlpool on an absorbing metallic nanoparticle//Opt. Express.– 2005.– Vol. 13 (21). – P. 8372.

40. Sharma S.K., Shrivastava N., Rossi F. et al. Nanoparticlesbased magnetic and photo induced hyperthermia for cancer treatment//Nano Today.– 2019.– Vol. 29. – P. 100795.

41. Lozano-Pedraza C., Plaza-Mayoral E., Espinosa A., Sot B., et al. Assessing the parameters modulating optical losses of iron oxide nanoparticles under near infrared irradiation//Nanoscale Adv.– 2021. – Vol. 3 (22).– P. 6490–6502.

42. Jeong Y., Kook Y.-M., Lee K., and Koh W.-G. Metal enhanced fluorescence (MEF) for biosensors: General approaches and a review of recent developments//Biosensors and Bioelectronics.– 2018.– Vol. 111. – P. 102–116.

43. M.M. Sigalas, D.A. Fattal, R. S. Williams, et al., Electric field enhancement between two Si microdisks//Opt. Express. – 2007.– Vol. 15 (22). – P. 14711.

44. S. Toroghi and P.G. Kik, Photothermal response enhancement in heterogeneous plasmon-resonant nanoparticle trimmers//Phys. Rev. B. – 2014. – Vol. 90 (20). – P. 205414.

45. N.G. Khlebtsov, T-matrix method in plasmonics: An overview//Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. – 2013. – Vol. 123. – P. 184–217.

46. D.W. Mackowski and M. I. Mishchenko, A multiple sphere T-matrix Fortran code for use on parallel computer clusters//Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. – 2011. – Vol. 112 (13). – P. 2182–2192.

47. A.D. Rakić, A.B. Djurišić, J.M. Elazar, and M. L. Majewski, “Optical properties of metallic films for vertical-cavity optoelectronic devices//Appl. Opt. – 1998.– Vol. 37 (22). – P. 5271.

48. M.R. Querry, Optical Constants//MISSOURI UNIV-KANSAS CITY. – 1985.

49. S. Farooq and R. E. de Araujo, Engineering a Localized Surface Plasmon Resonance Platform for Molecular Biosensing//OJAppS.– 2018. – Vol. 08 (03). – P. 126–139.

50. Kholodtsova M.N., Grachev P.V., W. Blondel C. et al., Аpplication of devices for space-resolved spectroscopy on the example of twolayer phantoms containing metallic nanoparticles//Biomedical Photonics.– 2018. – Vol. 7 (2). – P. 4–12.

51. Baffou G., Quidant R., and García de Abajo F.J. Nanoscale Control of Optical Heating in Complex Plasmonic Systems//ACS Nano. – 2010.– Vol. 4 (2). – P. 709–716.

52. Cazares-Cortes E., Cabana S., Boitard C. et al., Recent insights in magnetic hyperthermia: From the “hot-spot” effect for local delivery to combined magneto-photo-thermia using magnetoplasmonic hybrids//Advanced Drug Delivery Reviews.– 2019.– Vol. 138. – P. 233–246.

53. Dong J. and Zink J. I. Taking the Temperature of the Interiors of Magnetically Heated Nanoparticles//ACS Nano. – 2014.– Vol. 8 (5). – P. 5199–5207.

54. Gareau D., Desrosiers A., and Vallée-Bélisle A. Programmable Quantitative DNA Nanothermometers//Nano Lett. – 2016. – Vol. 16 (7).– P. 3976–3981.

55. Riedinger A., Guardia P., Curcio A. et al., Subnanometer Local Temperature Probing and Remotely Controlled Drug Release Based on Azo-Functionalized Iron Oxide Nanoparticles//Nano Lett.– 2013. – Vol. 13 (6).– P. 2399–2406.

56. Joyce C., Fothergill S.M., Xie F. Recent advances in goldbased metal enhanced fluorescence platforms for diagnosis and imaging in the near-infrared//Materials Today Advances. – 2020.– Vol. 7.– P. 100073.

57. Ángela I. López-Lorente, Recent developments on gold nanostructures for surface enhanced Raman spectroscopy: Particle shape, substrates and analytical applications//A review, Analytica Chimica Acta. – 2021.– Vol. 1168.– Р. 338474.

58. Sajid Farooq, Renato E. de Araujo, dentifying high performance gold nanoshells for singlet oxygen generation enhancement//Photodiagnosis and Photodynamic Therapy.– 2021.– Vol. 35.– Р. 102466.

59. Seyfollah Toroghi and Pieter G. Kik Cascaded plasmon resonant field enhancement in nanoparticle dimers in the point dipole limit Appl//Phys. Lett. – 2013.– Vol. 100.– Р. 183105.

60. Y.R. Davletshin, J.C. Kumaradas, J. Beilstein Nanotechnol.– 2016. – Vol. 7. – Р. 869–880. doi:10.3762/bjnano.7.79


Рецензия

Для цитирования:


Поминова Д.В., Романишкин И.Д., Плотникова Е.А., Морозова Н.Б., Лощенов В.Б., Wittig R., Linden M., Steiner R.W., Рябова А.В. Фотоиндуцированные процессы наночастиц оксида железа для усиления лазерной терапии. Biomedical Photonics. 2021;10(4):44-58. https://doi.org/10.24931/2413-9432-2021-10-4-44-58

For citation:


Pominova D.V., Romanishkin I.D., Plotnikova E.A., Morozova N.B., Loschenov V.B., Wittig R., Linden M., Steiner R.W., Ryabova A.V. Photo-induced processes of iron oxide nanoparticles to enhance laser therapy. Biomedical Photonics. 2021;10(4):44-58. https://doi.org/10.24931/2413-9432-2021-10-4-44-58

Просмотров: 206


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2413-9432 (Print)