Спектроскопическое исследование фотофизических свойств метиленового синего в биологических средах

Проведено спектроскопическое исследование фотофизических свойств метиленового синего (МС) в водных растворах и биологических жидкостях. Зарегистрированы спектры поглощения и флуоресценции, а также времена жизни флуоресценции. По зависимости интенсивности и формы спектров от концентрации удалось установить диапазоны концентраций МС для исследований in vitro и in vivo при которых не наблюдается агрегация (до 0,01 мМ, что соответствует 3,2 мг/кг). Исследовано фотообесцвечивание МС под действием лазерного излучения. Исследования фотодеградации в биологических средах показали, что фотообесцвечивание более чем на 80% в плазме и культуральной среде наблюдается уже при дозе 5 Дж/см2 , в то время как в воде при такой концентрации при дозе 5 Дж/см2  фотообесцвечивания еще не наблюдается, а при дозе 50 Дж/см2  фотообесцвечивание МС составляет порядка 30%. Установлено, что в средах, содержащих белки и обладающих щелочным рН, фотообесцвечивание происходит существенно быстрее, чем в нейтральных водных средах. Ионная сила раствора не оказывает влияния на скорость фотообесцвечивания. Такое фотообесцвечивание вызвано фотодеградацией МС, а не переходом в лейкоформу. Проведена оценка эффективности генерации синглетного кислорода и фотодинамической активности in vitro. В исследуемом диапазоне концентраций МС эффективность генерации синглетного кислорода достаточно низкая, так как положительно заряженный МС связывается с негативно заряженными мембранами клеток, что приводит к изменению типа фотодинамической реакции. Продемонстрировано возникновение в клетках других активных форм кислорода (АФК), отличных от синглетного кислорода. Генерация АФК и невысокий квантовом выход генерации синглетного кислорода свидетельствуют о склонности МС к механизму фотосенсибилизации I типа (перенос электрона с образованием полувосстановленных и полуокисленных радикалов MB+), а не к механизму II типа (перенос энергии к кислороду с образованием синглетного кислорода) в биологических средах и in vivo.

1. Baptista M. S., Indig G. L. Effect of BSA Binding on Photophysical and Photochemical Properties of Triarylmethane Dyes // The Journal of Physical Chemistry B. – 1998. – Vol. 102(23). – Р. 4678-4688. DOI: 10.1021/jp981185n.

2. Gabrielli D., Belisle E., Severino D., Kowaltowski A. J., Baptista M. S. Binding, Aggregation and Photochemical Properties of Methylene Blue in Mitochondrial Suspensions // Photochemistry and Photobiology. – 2004. – Vol. 79(3). – Р. 227. DOI: 10.1562/BE-03-27.1.

3. Красновский А. А. Фотодинамическое действие и синглетный кислород // Биофизика. – 2004. – Т. 49, №2. – Р. 305-322.

4. Foote C. S. Mechanisms of Photosensitized Oxidation: There are several different types of photosensitized oxidation which may be important in biological systems // Science. – 1968. – Vol. 162(3857). – Р. 963-970. DOI: 10.1126/science.162.3857.963.

5. Balzani V., Scandola F. Photochemical electron transfer reactions in homogeneous solution под ред. J. S. Connoly // New York: Academic Press. – 1983. – Р. 97-130.

6. Crous A., Abrahamse H. Photodynamic therapy of lung cancer, where arewe? // Frontiers in Pharmacology. – 2022. – Vol. 13. – Р. 932098. DOI: 10.3389/fphar.2022.932098.

7. Mfouo-Tynga I. S., Mouinga-Ondeme A. G. Photodynamic Therapy: A Prospective Therapeutic Approach for Viral Infections and Induced Neoplasia. // Pharmaceuticals. – 2022. – Vol. 15( №10). – Р. 1273. DOI: 10.3390/ph15101273.

8. Reshetov I. V., Korenev S. V., Romanko Yu. S. Modern aspects of photodynamic therapy of basal cell skin cancer. // Biomedical Photonics. – 2022. – Vol. 11( №3). – Р. 35-39. DOI: 10.24931/2413-9432-2022-11-3-35-39.

9. Panaseykin Y. A., Kapinus V. N., Filonenko E. V., Polkin V. V., Sevrukov F. E., Isaev P. A., Ivanov S. A., Kaprin A. D. Photodynamic therapy treatment of oral cavity cancer in patients with comorbidities // Biomedical Photonics. – 2023. – Vol. 11(4). – Р. 19-24. DOI: 10.24931/2413-9432-2022-11-4-19-24.

10. Marr H. E., Stewart J. M., Chiu M. F. The crystal structure of methylene blue pentahydrate // Acta Crystallographica Section B: Structural Crystallography and Crystal Chemistry. – 1973. – Vol. 29(4). – Р. 847-853. DOI: 10.1107/S0567740873003432.

11. Hamann C. H., Hamnett A., Vielstich W. Electrochemistry / C. H. Hamann, A. Hamnett, W. Vielstich, 2-е изд., Weinheim: Wiley-VCH, 2007. – Р.531.

12. Lewis G. N., Goldschmid O., Magel T. T., Bigeleisen J. Dimeric and Other Forms of Methylene Blue: Absorption and Fluorescence of the Pure Monomer // Journal of the American Chemical Society. – 1943. – Vol. 65(6). – Р. 1150-1154. DOI: 10.1021/ja01246a037.

13. Tacconi N. R. de, Carmona J., Rajeshwar K. Reversibility of Photoelectrochromism at the TiO2/Methylene Blue Interface // Journal of The Electrochemical Society. – 1997. – Vol. 144(7). – Р. 2486. DOI: 10.1149/1.1837841.

14. Wales D. J., Parker R. M., Gates J. C., Grossel M. C., Smith P. G. R. An integrated bragg grating oxygen sensor using a hydrophobic sol-gel layer doped with an organic dye Munich, Germany: IEEE. – 2011. – Р. 1-1. DOI: 10.1109/CLEOE.2011.5943057.

15. Sevcik P., Dunford H. B. Kinetics of the oxidation of NADH by methylene blue in a closed system // The Journal of Physical Chemistry. – 1991. – Vol. 95(6). – Р. 2411-2415. DOI: 10.1021/j100159a054.

16. Engbersen J. F. J., Koudijs A., Van Der Plas H. C. Reaction of NADH models with methylene blue // Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas. – 2010. – Vol. 104(5). – Р. 131-138. DOI: 10.1002/recl.19851040503.

17. Schirmer R. H., Adler H., Pickhardt M., Mandelkow E. “Lest we forget you — methylene blue …” // Neurobiology of Aging. – 2011. – Vol. 32(12). – Р. 2325.e7-2325.e16. DOI: 10.1016/j.neurobiolaging.2010.12.012.

18. Brooks M. M. The Mechanism of Methylene Blue Action on Blood. // Science. – 1934. – Vol. 80(2062). – Р. 15-16. DOI: 10.1126/science.80.2062.15.b.

19. Komlódi T., Tretter L. Methylene blue stimulates substrate-level phosphorylation catalysed by succinyl-CoA ligase in the citric acid cycle // Neuropharmacology. – 2017. – Vol. 123. – Р. 287-298. DOI: 10.1016/j.neuropharm.2017.05.009.

20. Herman M. I., Chyka P. A., Butler A. Y., Rieger S. E. Methylene blue by intraosseous infusion for methemoglobinemia // Annals of Emergency Medicine. – 1999. – Vol. 33(1). – Р. 111-113. DOI: 10.1016/s0196-0644(99)70427-0.

21. Boylston M., Beer D. Methemoglobinemia: A Case Study. // Critical Care Nurse. – 2002. – Vol. 22(4). – Р. 50-55. DOI: 10.4037/ccn2002.22.4.50.

22. Wendel W. B. The Control of Methemoglobinemia with Methylene Blue // Journal of Clinical Investigation. – 1939. – Vol. 18(2). – Р. 179-185. DOI: 10.1172/JCI101033.

23. Tepaev R. F., Vishnevskiy V. A., Kuzin S. A., Sergey I. V., Gordeeva O. B., Pytal A. V., Murashkin N. N. Benzocaine-Induced Methemoglobinemia. A Clinical Case // Pediatric pharmacology. – 2018. – Vol. 15(5). – Р. 396-401. DOI: 10.15690/pf.v15i5.1962.

24. Preiser J.-C., Lejeune P., Roman A., Carlier E., De Backer D., Leeman M., Kahn R. J., Vincent J.-L. Methylene blue administration in septic shock: A clinical trial // Critical Care Medicine. – 1995. – Vol. 23(2). – Р. 259-264. DOI: 10.1097/00003246-199502000-00010.

25. Zhang H., Rogiers P., Preiser J.-C., Spapen H., Manikis P., Metz G., Vincent J.-L. Effects of methylene blue on oxygen availability and regional blood flow during endotoxic shock: // Critical Care Medicine. – 1995. – Vol. 23(10). – Р. 1711-1721. DOI: 10.1097/00003246-199510000-00016.

26. Tranquada R. E., Bernstein S., Grant W. J. Intravenous Methylene Blue in The Therapy of Lactic Acidosis. // Archives of Internal Medicine. – 1964. – Vol. 114(1). – Р. 13-25. DOI: 10.1001/archinte.1964.03860070059003.

27. Bell M. A. Methylene Blue in Carbon Monoxide Poisoning. // JAMA: The Journal of the American Medical Association. – 1933. – Vol. 100(18). – Р. 1402. DOI: 10.1001/jama.1933.27420180002007b.

28. Wendel W. B. The Mechanism of the Antidotal Action of Methylene Blue in Cyanide Poisoning. // Science. – 1934. – Vol. 80(2078). – Р. 381-382. DOI: 10.1126/science.80.2078.381.

29. Chen K. K. Nitrite and Thiosulfate Therapy in Cyanide Poisoning. // Journal of the American Medical Association. – 1952. – Vol. 149(2). – Р. 113. DOI: 10.1001/jama.1952.02930190015004.

30. Barron E. S. G. The Catalytic Effect of Methylene Blue on the Oxygen Consumption of Tumors and Normal Tissues. // Journal of Experimental Medicine. – 1930. – Vol. 52(3). – Р. 447-456. DOI: 10.1084/jem.52.3.447.

31. Park J., Mroz P., Hamblin M. R., Yaroslavsky A. N. Dye-enhanced multimodal confocal microscopy for noninvasive detection of skin cancers in mouse models // Journal of Biomedical Optics. – 2010. – Vol. 15(2). – Р. 026023. DOI: 10.1117/1.3394301.

32. Wainwright M., Crossley K. B. Methylene Blue – a Therapeutic Dye for All Seasons? // Journal of Chemotherapy. – 2002. – Vol. 14(5). – Р. 431-443. DOI: 10.1179/joc.2002.14.5.431.

33. Orth K., Russ D., Beck G., Rück A., Beger H. G. Photochemotherapy of experimental colonic tumours with intra-tumorally applied methylene blue. // Langenbeck’s Archives of Surgery. – 1998. – Vol. 383(3-4). – Р. 276-281. DOI: 10.1007/s004230050132.

34. König K., Bockhorn V., Dietel W., Schubert H. Photochemotherapy of animal tumors with the photosensitizer Methylene Blue using a krypton laser. // Journal of Cancer Research and Clinical Oncology. – 1987. – Vol. 113(3). – Р. 301-303. DOI: 10.1007/BF00396390.

35. Tardivo J. P., Del Giglio A., Paschoal L. H. C., Ito A. S., Baptista M. S. Treatment of melanoma lesions using methylene blue and RL50 light source. // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. – 2004. – Vol. 1(4). – Р. 345-346. DOI: 10.1016/S1572-1000(05)00005-0.

36. Tardivo J. P., Del Giglio A., De Oliveira C. S., Gabrielli D. S., Junqueira H. C., Tada D. B., Severino D., De Fátima Turchiello R., Baptista M. S. Methylene blue in photodynamic therapy: From basic mechanisms to clinical applications // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. – 2005. – Vol. 2(3). – Р. 175-191. DOI: 10.1016/S1572-1000(05)00097-9.

37. Wainwright M. Methylene blue derivatives – suitable photoantimicrobials for blood product disinfection? // International Journal of Antimicrobial Agents. – 2000. – Vol. 16(4). – Р. 381-394. DOI: 10.1016/S0924-8579(00)00207-7.

38. Wagner S. J. Virus inactivation in blood components by photoactive phenothiazine dyes // Transfusion Medicine Reviews. – 2002. – Vol. 16(1). – Р. 61-66. DOI: 10.1053/tmrv.2002.29405.

39. Calderón M., Weitzel T., Rodriguez M. F., Ciapponi A. Methylene blue for treating malaria // Cochrane Database of Systematic Reviews. – 2017. – Vol. 2022(6). DOI: 10.1002/14651858.CD012837.

40. Dewitt L. M. Preliminary Report of Experiments in the Vital Staining of Tubercles: Studies on the Biochemistry and Chemotherapy of Tuberculosis. IV // Journal of Infectious Diseases. – 1913. – Vol. 12(1). – Р. 68-92. DOI: 10.1093/infdis/12.1.68.

41. Wainwright M., Phoenix D. A., Laycock S. L., Wareing D. R. A., Wright P. A. Photobactericidal activity of phenothiazinium dyes against methicillin-resistant strains of Staphylococcus aureus // FEMS Microbiology Letters. – 1998. – Vol. 160(2). – Р. 177-181. DOI: 10.1111/j.1574-6968.1998.tb12908.x.

42. Pascual A., Henry M., Briolant S., Charras S., Baret E., Amalvict R., Huyghues Des Etages E., Feraud M., Rogier C., Pradines B. In Vitro Activity of Proveblue (Methylene Blue) on Plasmodium falciparum Strains Resistant to Standard Antimalarial Drugs // Antimicrobial Agents and Chemotherapy. – 2011. – Vol. 55(5). – Р. 2472-2474. DOI: 10.1128/AAC.01466-10.

43. Tiganova I. G., Meerovich G. A., Zulufova I. D., Akhlyustina E. V., Ovchinnikov R. S., Solovyev A. I., Romanishkin I. D., Kozlikina E. I., Nekhoroshev A. V., Glechik D. A., Parshin A. V., Parshin V. D., Romanova Y. M., Loschenov V. B. On the possibility of photodynamic inactivation of tracheobronchial tree pathogenic microbiota using methylene blue (in vitro study) // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. – 2022. – Vol. 38. – Р. 102753. DOI: 10.1016/j.pdpdt.2022.102753.

44. Shen X., Dong L., He X., Zhao C., Zhang W., Li X., Lu Y. Treatment of infected wounds with methylene blue photodynamic therapy: An effective and safe treatment method // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. – 2020. – Vol. 32. – Р. 102051. DOI: 10.1016/j.pdpdt.2020.102051.

45. Severino D., Junqueira H. C., Gugliotti M., Gabrielli D. S., Baptista M. S. Influence of Negatively Charged Interfaces on the Ground and Excited State Properties of Methylene Blue. // Photochemistry and Photobiology. – 2003. – Vol. 77(5). – Р. 459-468. DOI: 10.1562/0031-8655(2003)0770459IONCIO2.0.CO2.

46. Murov S. L., Hug G. L., Carmichael I. Handbook of photochemistry / S. L. Murov, G. L. Hug, I. Carmichael, 2-е изд., New York: M. Dekker. – 1993. – Р. 420.

47. Wang W., Zhang W., Sun H., Du Q., Bai J., Ge X., Li C. Enhanced photodynamic efficiency of methylene blue with controlled aggregation state in silica-methylene bule-acetate@tannic acidiron(III) ions complexes // Dyes and Pigments. – 2019. – Vol. 160. – Р. 663-670. DOI: 10.1016/j.dyepig.2018.08.068.

48. Dean J. C., Oblinsky D. G., Rafiq S., Scholes G. D. Methylene Blue Exciton States Steer Nonradiative Relaxation: Ultrafast Spectroscopy of Methylene Blue Dimer. // The Journal of Physical Chemistry B. – 2016. – Vol. 120(3). – Р. 440-454. DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b11847.

49. Coronel A., Catalán-Toledo J., Fernández-Jaramillo H., GodoyMartínez P., Flores M. E., Moreno-Villoslada I. Photodynamic action of methylene blue subjected to aromatic-aromatic interactions with poly(sodium 4-styrenesulfonate) in solution and supported in solid, highly porous alginate sponges. // Dyes and Pigments. – 2017. – Vol. 147. – Р. 455-464. DOI: 10.1016/j.dyepig.2017.08.042.

50. Junqueira H. C., Severino D., Dias L. G., Gugliotti M. S., Baptista M. S. Modulation of methylene blue photochemical properties based on adsorption at aqueous micelle interfaces. // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2002. – Vol. 4(11). – Р. 2320-2328. DOI: 10.1039/b109753a.

51. Bonneau R., Pottier R., Bagno O., Joussot-Dubien J. pH Dependence of Singlet Oxygen Production in Aqueous Solutions Using Thiazine Dyes as Photosensitizers. // Photochemistry and Photobiology. – 1975. – Vol. 21(3). – Р. 159-163. DOI: 10.1111/j.1751-1097.1975.tb06646.x.

52. Patil K., Pawar R., Talap P. Self-aggregation of Methylene Blue in aqueous medium and aqueous solutions of Bu4NBr and urea. // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2000. – Vol. 2(19). – Р. 4313-4317. DOI: 10.1039/b005370h.

53. Zhao Z., Malinowski E. R. Determination of the Hydration of Methylene Blue Aggregates and Their Dissociation Constants Using Visible Spectroscopy. // Applied Spectroscopy. – 1999. – Vol. 53(12). – Р. 1567-1574. DOI: 10.1366/0003702991946028.

54. Moreno-Villoslada I., Torres C., González F., Shibue T., Nishide H. Binding of Methylene Blue to Polyelectrolytes Containing Sulfonate Groups: Binding of Methylene Blue to Polyelectrolytes Containing …. // Macromolecular Chemistry and Physics. – 2009. – Vol. 210(13-14). – Р. 1167-1175. DOI: 10.1002/macp.200900042.

55. Moreno-Villoslada I., Torres-Gallegos C., Araya-Hermosilla R., Nishide H. Influence of the Linear Aromatic Density on Methylene Blue Aggregation around Polyanions Containing Sulfonate Groups. // The Journal of Physical Chemistry B. – 2010. – Vol. 114(12). – Р. 4151-4158. DOI: 10.1021/jp909105r.

56. Aznar A. J., Casal B., Ruiz-Hitzky E., Lopez-Arbeloa I., LopezArbeloa F., Santaren J., Alvarez A. Adsorption of methylene blue on sepiolite gels: spectroscopic and rheological studies. // Clay Minerals. – 1992. – Vol. 27(1). – Р. 101-108. DOI: 10.1180/claymin.1992.027.1.10.

57. Bergmann K., O’Konski C. T. A Spectroscopic Study of Methylene Blue Monomer, Dimer, and Complexes with Montmorillonite. // The Journal of Physical Chemistry. – 1963. – Vol. 67(10). – Р. 2169-2177. DOI: 10.1021/j100804a048.

58. Lemin D. R., Vickerstaff T. The aggregation of direct dyes and of Methylene Blue 2B in aqueous solution. // Transactions of the Faraday Society. – 1947. – Vol. 43. – №0. – Р. 491-502. DOI: 10.1039/TF9474300491.

59. Heger D., Jirkovský J., Klán P. Aggregation of Methylene Blue in Frozen Aqueous Solutions Studied by Absorption Spectroscopy. // The Journal of Physical Chemistry A. – 2005. – Vol. 109(30). – Р. 6702-6709. DOI: 10.1021/jp050439j.

60. Braswell E. Evidence for trimerization in aqueous solutions of methylene blue. // The Journal of Physical Chemistry. – 1968. – Vol. 72(7). – Р. 2477-2483. DOI: 10.1021/j100853a035.

61. Klika Z., Čapková P., Horáková P., Valášková M., Malý P., Macháň R., Pospíšil M. Composition, structure, and luminescence of montmorillonites saturated with different aggregates of methylene blue. // Journal of Colloid and Interface Science. – 2007. – Vol. 311(1). – Р. 14-23. DOI: 10.1016/j.jcis.2007.02.034.

62. Zhikhoreva A. A., Belashov A. V., Serebryakov E. B., Semenova I. V., Vasyutinskii O. S. Photophysical properties of methylene blue in aqueous solution sprayed onto biological surfaces. // Dyes and Pigments. – 2022. – Vol. 208. – Р. 110789. DOI: 10.1016/j.dyepig.2022.110789.

63. Walter-Sack I., Rengelshausen J., Oberwittler H., Burhenne J., Mueller O., Meissner P., Mikus G. High absolute bioavailability of methylene blue given as an aqueous oral formulation. // European Journal of Clinical Pharmacology. – 2009. – Vol. 65(2). – Р. 179-189. DOI: 10.1007/s00228-008-0563-x.

64. Peter C., Hongwan D., Küpfer A., Lauterburg B. H. Pharmacokinetics and organ distribution of intravenous and oral methylene blue. // European Journal of Clinical Pharmacology. – 2000. – Vol. 56(3). – Р. 247-250. DOI: 10.1007/s002280000124.

65. Ryabova A. V., Stratonnikov A. A., Loshchenov V. B. Laser spectroscopy technique for estimating the efficiency of photosensitisers in biological media. // Quantum Electronics. – 2006. – Vol. 36(6). – Р. 562-568. DOI: 10.1070/ QE2006v036n06

66. ABEH013291.Redmond R. W., Gamlin J. N. A Compilation of Singlet Oxygen Yields from Biologically Relevant Molecules. // Photochemistry and Photobiology. – 1999. – Vol. 70(4). – Р. 391-475. DOI: 10.1111/j.1751-1097.1999.tb08240.x.