Рентген-индуцированная цитотоксичность водных растворов УФ-С рентгенолюминесцентных наночастиц La_1−x Pr_x PO₄

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 La_1–x Pr_x 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 La_0.98 Pr_0.02 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 La_0.95 Pr_0.05 PO₄ , не выявил достоверных результатов по снижению жизнеспособности клеток.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Srivastava A.M. Aspects of Pr3+ luminescence in solids // J. Lumin. – 2016. – 169(B). – P. 445–449.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.