Фотоиндуцированные процессы наночастиц оксида железа для усиления лазерной терапии

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.

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