КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 16-13-10528

НазваниеЛазерные методы синтеза многофункциональных биосовместимых нанокомплексов активируемых ближним инфракрасным светом и их применение для оптической диагностики и терапии злокачественных опухолей

РуководительЧичков Борис Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук", г Москва

Года выполнения при поддержке РНФ2016 - 2018

КонкурсКонкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словаЛазерно-абляционный синтез, магнитно-люминесцентные наночастицы, фотодинамическая терапия, эндогенный фотосенсибилизатор, самоорганизующийся супрамолекулярный нанокомплекс, фототермическая терапия, оптическая визуализация.

Код ГРНТИ31.00.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Разработка новых эффективных методов и подходов для диагностики и терапии злокачественных новообразований - одна из наиболее актуальных и активно развивающихся областей медицины. Онкологические заболевания являются одними из социально-значимых заболеваний, находящихся в сфере внимания Министерства здравоохранения РФ. По оценкам ВОЗ на 2010 год примерно 24,6 миллионов человек во всем мире страдают злокачественными новообразованиями. По данным 2012 года на учете в онкологических учреждениях РФ состояли более 3,0 млн. больных. При этом 50-60% случаев злокачественных новообразований диагностируются на III–IV стадиях заболевания, и такие больные нуждаются в дополнительном терапевтическом лечении. Поэтому разработка оригинальных отечественных методов и подходов для неинвазивной диагностики и терапии злокачественных опухолей является актуальной задачей. Перспективной платформой для создания новых препаратов терапии и диагностики опухолей являются наночастицы обладающие уникальными свойствами. К таким свойствам можно отнести: способность наночастиц накапливаться в опухолях за счет увеличенной проницаемости сосудов опухоли, так называемый EPR-эффект (Enhanced permeability and retention); программируемость их физических и химических характеристик в зависимости от размеров, состава и способов получения; наличие функциональных групп на поверхности наночастиц, позволяющих модифицировать частицы; большая площадь поверхности, позволяющая присоединять значительное количество функциональных направляющих/нацеливающих биомолекул. Развитие технологии синтеза позволило получить новые нетоксичные люминесцентные наночастицы, обладающие эффектом антистоксовой фотолюминесценции [Yi G. et al. // Nano Lett. 2004. Vol. 4, № 11. P. 2191–2196]. Такие частицы способны конвертировать ближнее инфракрасное (ИК) излучение (915-990 нм), попадающие в окно прозрачности биоткани (750-1000 нм), в фотоны видимого и ультрафиолетового (УФ) спектрального диапазона, что позволяет избавиться от стоксовой автолюминесценции биоткани и значительно повысить чувствительность их детектирования. Люминесцентные свойства таких наночастиц позволяют рассматривать их в качестве основы для мультифункциональных нанокомплексов. В рамках проекта предлагается разработать и создать уникальные нанокомплексы обеспечивающие единую мультимодальную систему для глубокой фотодинамической, фототермической и адресно-активируемой химио -терапии, а также оптической и МРТ диагностики опухолей. Нанокомплексы будут биосовместимы и остаются нетоксичными до момента их активации воздействием извне, обеспечивая старт действия по требованию. Проект включает следующие основные направления: 1. Синтез и определение физических свойств антистоксовых наночастиц, магнитных наночастиц и гибридных наноконструкций на их основе. а) Высокотемпературный синтез монодисперсных нанокристаллов NaYF4 в размерном диапазоне 30-100 нм, легированных ионами лантанидов при высокотемпературном разложении трифторацетатов соответствующих металлов в растворе олеиновой кислоты и октадецена. б) Синтез наночастиц ZnO легированных ионами Yb3+, Er3+ и Tm3+ при лазерной абляции керамической мишени из соответствующих оксидов металлов в жидкости. Управляя размером наночастиц оксида цинка и концентрацией легирующих лантаноидов (Yb3+, Er3+ и Tm3+) можно управлять спектром и квантовым выходом фотолюминесценции. Фотофизические процессы, протекающие в таких квантоворазмерных системах, будут исследованы в модельных экспериментах на тонких пленках ZnO:(Yb3+Er3+Tm3+). в) Лазерный абляционный синтез магнитных наночастиц и разработка технологии получения гибридных наноконструкций в процессе воздействия короткими лазерными импульсами на коллоид люминесцентных и магнитных наночастиц в жидкости. Ожидается, что применение коротких лазерных импульсов позволит получить магнитно-люминесцентные наноконструкции, например, в поверхность антистоксовых наночастиц (размером 50-70 нм) будут импрегнированны магнитные наночастицы (размером 3-4 нм). 2. Разработка лазерных методов модификации и функционализации наноконструкций. а) Разработка метода модификации поверхности гидрофобных наноконструкций в процессе лазерного воздействия пикосекундными импульсами в жидкости. Ожидается, что будет реализован уникальный подход одностадийной гидрофилизации поверхности наночастиц. б) Разработка метода лазерной биоконъюгации наночастиц за времена в пределах единиц минут. При смешивании наночастиц и биофункциональных молекул с их последующей обработкой пикосекундными лазерными импульсами будут синтезированы биоконконъюгаты наночастиц, функционализованные нуклеиновыми кислотами, пептидами, белками и антителами. 3. Исследование эффективности методов доставки нанокомплексов в опухолевые ткани при внутривенном введении за счет EPR-эффекта и магнитного поля. а) Тестирование биосовместимости синтезированных нанокомплексов на клеточных культурах. б) Демонстрация принципов оптической визуализации и активации нанокомплексов в клетках и опухолевых тканях с применением разработанного в ИПЛИТ РАН оборудования. в) Изучение эффективности фототоксического и фототермического действия на модельных опухолях человека и животных in vitro и in vivo. 4. Создание управляемо разрушающихся полимерных оболочек нанокомплексов содержащих фармпрепараты (ФП) для химиотерапии. Такие нанокомплексы будут обеспечивать транспорт ФП в опухоль, и активироваться при ультразвуковом или термическом воздействии. Оболочки будут сформированы при ИК освещении мономерных композиций (способных к радикальной УФ фотополимеризации) содержащих антистоксовые наночастицы и ФП. За счет конверсии ИК излучения в УФ антистоксовую люминесценцию процесс формирования полимерной оболочки будет протекать в окрестности наночастицы, а наночастица будет выступать центром фотополимеризации. Такой подход позволит управлять толщиной оболочки содержащей ФП, контролировать концентрацию ФП в нанокомплексе и обеспечивать программируемый выход ФП в опухоли. Таким образом, разработка новых многофункциональных нанокомплексов с возможностью терапевтического воздействия на опухоль и одновременной визуализации ее границ позволит создать многомодальный препарат для диагностики и лечения злокачественных опухолей, токсичность которого активируется световым и/или магнитным полем.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут получены следующие наиболее значимые результаты мирового уровня: 1. Будут синтезированы монодисперсные наночастицы обладающие антистоксовой ФЛ при возбуждении в ближнем ИК диапазоне. Высокотемпературный синтез монодисперсных нанокристаллов NaYF4 в размерном диапазоне 30-100 нм, легированных ионами лантанидов будет выполнен при высокотемпературном разложении трифторацетатов соответствующих металлов в растворе олеиновой кислоты и октадецена. Предполагается синтез нанокристаллов со структурой ядро/активная оболочка/оболочка: ядро – NaYF4 одновременно солегированное Yb3+, Tm3+, активная оболочка - NaYF4 легированная Yb3+, оболочка - NaYF4. Предварительные эксперименты показали, что такие наночастицы обладают повышенным квантовым выходом и узкими линиями люминесценции в УФ (на длине волны 290 нм, 345 нм и 360 нм) и ближнем ИК (802 нм) диапазонах при возбуждении излучением на длине волны 975 нм с интенсивностью до 10 Вт/см2. Наличие активной оболочки наночастиц обеспечит эффективный транспорт энергии от возбуждаемых ИК излучением ионов Yb3+ в ядро наночастицы не вызывая концентрационных тушений. Такой подход позволить повысить эффективность конверсии ИК излучения накачки в ФЛ и довести ее до рекордных значений 10-12%. Линия ФЛ в ИК области спектра обеспечит модальность создаваемого нанокомплекса для глубокой оптической визуализации в биотканях, что востребовано при интраоперационной диагностике. Линии ФЛ в УФ-А и УФ-В области спектра обеспечат фототоксическое действие нанокомплекса. 2. Будет разработана технология импульсной лазерной абляции мишени в жидкости для генерации антистоксовых наночастиц с высокой степенью чистоты, что недостижимо другими способами изготовления. Будет исследован процесс абляция стехиометрически неравновесных материалов ультракороткими лазерными импульсами в жидкостях, содержащих функциональные биомолекулы. Метод лазерной генерации наночастиц ZnO легированных ионами Yb3+, Er3+ и Tm3+ в жидкости будет масштабирован для наработки наночастиц в пределах одного грамма в час, что будет новым и непревзойденным результатом до настоящего времени. Будет исследовано влияние параметров лазерного излучения, условий фокусировки и динамики процесса на характеристики синтезируемых наночастиц, что позволит производить наночастицы с наперед заданными параметрами. Для того чтобы увеличить скорость абляции, и, следовательно, производительность генерации наночастиц, будут разработаны разнообразные стратегии абляции. Например, создание непрерывного потока жидкости над поверхностью мишени для удаления микропузырьков и наночастиц из зоны абляции. 3. Будет разработана и продемонстрирована технология получения гибридных наноконструкций в процессе воздействия ультракоротких лазерных импульсов на водный коллоид, содержащий магнитные и люминесцентные наночастицы. Наши предварительные эксперименты показали, что применение пикосекундных лазерных импульсов позволяет создавать стабильные магнитно-люминесцентные наночастицы, так, например, поверхность антистоксовых наночастиц (размером 100 нм) была импрегнированна магнитными наночастицами (размером 3-4 нм). Импрегнация наночастиц магнетита в неактивную оболочку антистоксовых наночастиц обеспечит магнитную модальность создаваемого нанокомплекса при сохранении ФЛ свойств антистоксовых наночастиц. Такой подход к созданию гибридных наночастиц, насколько это известно авторам предлагаемого проекта, является новым. 4. Необходимыми требованиями, которым должны удовлетворять нанокомплексы для использования in vivo являются: химическая и коллоидная стабильность в физиологических растворах; высокая интенсивность фотолюминесценции в условиях биологического окружения; отсутствие токсичности; низкая неспецифическая сорбция белков крови; продолжительное время циркуляции в крови для реализации эффекта увеличенного проникновения и удержания в солидной злокачественной опухоли; возможность введения веществ для усиления фототермического или фотодинамического эффекта. Будут разработаны и продемонстрированы процедуры модификации поверхности гидрофобных наночастиц и наноконструкций биосовместимыми функциональными оболочками, необходимыми для достижения иммобилизации целевых биолигандов. Для этого предполагается применение следующих инновационных подходов: - Будет проведена модификация гидрофобных наночастиц амфифильными полимерами, которые образуют полимерную оболочку на поверхности наночастиц за счет гидрофобных взаимодействий без непосредственного воздействия агрессивных агентов (растворителей, щелочи, и т.д.) на кристаллическую матрицу наночастиц, предохраняя люминесцентные свойства от биологической среды. - Будет проведена модификации поверхности гидрофобных наноконструкций и их биоконъюгация в процессе лазерного воздействия пикосекундными импульсами. При смешивании наночастиц и биофункциональных молекул с их последующей обработкой пикосекундными лазерными импульсами будут синтезированы биоконконъюгаты наночастиц, функционализованные нуклеиновыми кислотами, пептидами, белками и антителами. Добавление поверхностно активного стабилизатора в процессе лазерной абляции позволит получить коллоидно-устойчивые дисперсии гибридных магнитно-люминесцентных наночастиц в одностадийном техпроцессе. Предлагаемая технология является уникальной и, как известно авторам проекта, ранее она применялась для биофункционализации наночастиц золота. - Будут получены оболочки на поверхности наночастиц при ИК освещении мономерных композиций (способных к радикальной УФ фотополимеризации) содержащих антистоксовые наночастицы и ФП. За счет конверсии ИК излучения в УФ антистоксовую люминесценцию процесс формирования полимерной оболочки содержащей ФП будет протекать в окрестности наночастицы, а наночастица будет выступать центром фотополимеризации. Такой подход является новым и не имеет аналогов в мире. - Будет проведено тестирование химической стабильности покрытия в водных и буферных растворах, а также в сыворотке крови. При этом особое внимание будет уделяться эволюции фотофизических свойств поверхностно-модифицированных наночастиц и наноконструкций, в особенности квантовому выходу ФЛ. 5. Создаваемые нанокомплексы будут исследованы на модельных опухолях человека и животных in vitro и in vivo. С использованием люминесцентных методов диагностики будет исследована эффективность доставки нанокомплексов в опухолевые ткани при внутривенном введении за счет EPR-эффекта и магнитного поля. Предполагается демонстрация их фототоксического и фототермического действия. Будут выполнены эксперименты по определению предельной глубины активации наноконструкций в биотканях. Ожидается, что будет достигнута глубина активации ИК светом не менее 3 см, что соответствует лучшим мировым показателям доставки фотоактивируемых наноконструкций на моделях малых животных. Предлагаемые в этом проекте инновации создадут уникальную совокупность инструментов и методик, направленных на решение социально значимой задачи терапии и диагностики рака. Предлагаемый нами подход соответствует лучшим мировым технологиями. По результатам выполнения проекта предполагается опубликовать 9 статей входящих в базу цитирования Web of Science и/или Scopus. Предполагается подача заявки на изобретение и полезную модель.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Перспективной платформой для создания новых препаратов для терапии и диагностики опухолей представляются наночастицы, обладающие уникальными свойствами. К таким свойствам можно отнести: способность накапливаться в опухолях за счет увеличенной проницаемости сосудов опухоли и задержания наночастиц в таких тканях, так называемый EPR-эффект (Enhanced permeability and retention); программируемость физических и химических характеристик в зависимости от размеров, состава и способов получения; наличие функциональных групп на поверхности, позволяющих модифицировать частицы; большая площадь поверхности, позволяющая присоединять значительное количество функциональных направляющих/нацеливающих биомолекул. Развитие технологии синтеза позволило получить новые нетоксичные люминесцентные наночастицы, обладающие эффектом антистоксовой фотолюминесценции. Такие частицы способны конвертировать ближнее инфракрасное (ИК) излучение (915-990 нм), попадающие в окно прозрачности биоткани (750-1000 нм), в фотоны видимого и ультрафиолетового (УФ) спектрального диапазона, что позволяет избавиться от стоксовой автолюминесценции биоткани и значительно повысить чувствительность их детектирования. Люминесцентные свойства таких наночастиц позволяют рассматривать их в качестве основы для мультифункциональных нанокомплексов. В рамках проекта разрабатываются уникальные нанокомплексы обеспечивающие единую мультимодальную систему для глубокой фотодинамической, фототермической и адресно-активируемой химио -терапий, а также оптической и МРТ диагностики опухолей. Нанокомплексы будут биосовместимыми и оставаться нетоксичными до момента активации, обеспечивая старт по требованию. Был выполнен высокотемпературный синтез нанокристаллов NaYF4, легированных ионами лантанидов при высокотемпературном разложении трифторацетатов соответствующих металлов в растворе олеиновой кислоты и октадецена. Проведено исследование временной динамики люминесценции синтезированных апконвертирующих частиц β-NaYF4: 20%Yb3+; 0,6%Tm3+ диаметром 150 нм. Изменяя длительность возбуждающего импульса в диапазоне от 50 мкс до 5 мс (с резким задним фронтом), мы показали, что ионы Yb3+ выполняют в системе роль аккумуляторов энергии, а сама наночастица действует как единое целое, распределяя запасенное возбуждение посредством кросс-релаксации между ионами Yb3+. Разработан метод лазерной модификации нанокристаллов NaYF4. Было показано, что при абляции коллоида наночастиц в жидкости пикосекундными лазерными импульсами наночастицы фрагментируются до наностержней с диаметром 5 нм. Методом пикосекундной лазерной абляции объемной мишени Fe в воде, были получены наночастицы магнетита с размерами до 5 нм. Из синтезированных в рамках проекта наночастиц были созданы гибридные нанокомплексы, проявляющие как магнитные, так и люминесцентные свойства. Магнитные и антистоксовые наночастицы были включены методом набухания в полистирольные наночастицы. Было продемонстрировано усиленное накопление таких наноконструкций в опухоли за счет EPR-эффекта и удержания внешним магнитным полем. Наноконструкции были введены внутривенно, а к опухоли был приставлен постоянный неодимовый магнит. Эффективность накопления наночастиц в опухоли усилилась более чем в два раза. Мы разработали новую стратегию проведения ФДТ с использованием апконвертирующих наночастиц обеспечивающих эффективное преобразование квантов ИК света в фотоны УФ диапазона. Эффективность УФ-фототоксического действия апконвертирующих наночастиц была исследована in vitro. SK-BR-3 клетки предварительно инкубированные с наночастицами облучали светом с длиной волны 975 нм. Было продемонстрировано, что облучение ИК светом с дозой 3500 Дж/см2 приводит к 100% гибели опухолевых клеток.

 

Публикации

1. Аляткин С.Ю., Ашарчук И.М., Хайдуков К.В., Нечаев А.В., Лебедев О.И., Вайнер Ю.Г., Семчишен В.А., Хайдуков Е.В. The influence of energy migration on luminescence kinetics parameters in upconversion nanoparticles Nanotechnology, Volume 28, Number 3 (год публикации - 2016).


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Успешная интеграция диагностики и терапии в одном агенте с использованием многофункциональных наночастиц привела к созданию нового междисциплинарного исследовательского поля под названием «Тераностика», которое является основой инновационных стратегий, позволяющих персонализировать медицину для диагностики и лечения пациентов с онкологическими заболеваниями. Перспективной платформой для создания новых препаратов для терапии и диагностики опухолей представляются наночастицы, обладающие уникальными свойствами. К таким свойствам можно отнести: способность накапливаться в опухолях за счет увеличенной проницаемости сосудов опухоли и задержания наночастиц в таких тканях, так называемый EPR-эффект (Enhanced permeability and retention); программируемость физических и химических характеристик в зависимости от размеров, состава и способов получения; наличие функциональных групп на поверхности, позволяющих модифицировать частицы; большая площадь поверхности, позволяющая присоединять значительное количество функциональных направляющих/нацеливающих биомолекул. В последнее время антистоксовые нанокристаллы, легированные лантанидами, считаются перспективными кандидатами для решения задач тераностики. Люминесцентные свойства таких наночастиц позволяют рассматривать их в качестве основы для мультифункциональных нанокомплексов. В рамках проекта разрабатываются уникальные нанокомплексы, обеспечивающие единую мультимодальную систему для глубокой фотодинамической, фототермической и адресно-активируемой химио -терапий, а также оптической и МРТ диагностики опухолей. Создаваемые нанокомплексы должны быть биосовместимыми и оставаться нетоксичными до момента активации, обеспечивая старт по требованию. Кроме того, нанокомплексы на основе апконвертирующих наночастиц должны обеспечивать возможности для инструментальных методик оценки in vivo и in vitro накопления в целевых клетках с целью прогнозирования и мониторинга получаемого терапевтического результата в реальном времени. За два года выполнения проекта были получены следующие наиболее значимые научные результаты: 1) Разработана методика высокотемпературного синтеза нанокристаллов NaYF4, легированных ионами лантанидов при высокотемпературном разложении трифторацетатов соответствующих металлов в растворе олеиновой кислоты и октадецена. Проведено исследование временной динамики люминесценции синтезированных апконвертирующих частиц β-NaYF4: 20%Yb3+; 0,6%Tm3+. Мы показали, что ионы Yb3+ выполняют роль аккумуляторов энергии, а сама наночастица действует как единое целое, распределяя запасенное возбуждение посредством кросс-релаксации между ионами Yb3+. 2) Разработан метод лазерной модификации нанокристаллов NaYF4. Было показано, что при абляции коллоида наночастиц в жидкости пикосекундными лазерными импульсами наночастицы фрагментируются до наностержней с диаметром 5 нм. Методом пикосекундной лазерной абляции объемной мишени Fe в воде, были получены наночастицы магнетита с размерами до 5 нм. Из синтезированных наночастиц были созданы гибридные нанокомплексы, проявляющие как магнитные, так и люминесцентные свойства. Было продемонстрировано усиленное накопление таких наноконструкций в опухоли за счет EPR-эффекта и удержания внешним магнитным полем. 3) Были получены данные об отличиях в кинетиках люминесценции 1D и 3D апконвертирующих систем. В 1D системе наблюдалось пространственное ограничение энергетической миграции посредством кросс-релаксации между ионами Yb3+. Выполнено моделирование процесса миграции энергии в таких наноструктурах. Полученные данные позволили утверждать, что неэкспоненциальный распад возбужденных состояний ионов активатора содержит временную константу миграции энергии ионов сенсибилизатора, что существенно осложняет анализ времени жизни конкретных уровней, и как следствие приводит к неверным оценкам эффективности безызлучательного резонансного переноса энергии в парах вида апконвертирующая наночастица/флюорофор, которые перспективны для проведения процедуры фотодинамической терапии опухолевых тканей. Был предложен метод измерения эффективности безызлучательного переноса в паре апконвертирующая наночастица/флюорофор, который позволил избежать извлечения времен жизни состояний активатора (находящиеся в свертке с процессом энергетической миграции) для расчетов. Данная методика была применена к оценке эффективности возбуждения хлорина е6 при ферстеровском переносе энергии от наночастицы. 4) В рамках проекта разрабатываются "умные" наночастицы, как новые средства целевой доставки лекарственных средств. Для создания систем доставки лекарственных средств в НАФ, покрытые слоем термочувствительного полимера, был включен доксорубицин, который является антибиотиком антрациклинового ряда с противоопухолевой активностью. При использовании таких наночастиц возможно осуществлять пространственный или временной контроль над процессом целевой доставки путем изменения внутренних или внешних условий. Одним из перспективных факторов воздействия является свет, который представляет собой не только неинвазивное, но и управляемое в пространстве и во времени воздействие, что позволяет контролировать процесс, т.е. проводить фотоконтролируемую доставку биологически активных молекул. Это особенно важно для биомедицинских приложений, где особое значение имеет специфичность и селективность целевой доставки. 5) Мы разработали новую стратегию проведения ФДТ с использованием апконвертирующих наночастиц обеспечивающих эффективное преобразование квантов ИК света в фотоны УФ диапазона. Эффективность УФ-фототоксического действия апконвертирующих наночастиц была исследована как in vitro, так и in vivo. В рамках выполнения проекта мы продемонстрировали, что прямое воздействие на опухолевые ткани фототоксичным ультрафиолетовым излучением, генерируемое при ИК– фотовозбуждении наночастицами, позволило успешно использовать технологию ФДТ. С этой целью мы сконструировали и синтезировали наночастицы со структурой ядро/оболочка NaYF4: Yb3 + Tm3 + / NaYF4 с улучшенной полосой фотолюминесценции в UV-A и UV-B диапазонах спектра. Созданные биоконъюгаты, получаемые в результате связывания наночастиц с рекомбинантными модулями белка (DARPin), обеспечили доставку АН в клетки мишени - аденокарцинома молочной железы человека SK-BR-3. Было показано, что DARPin-mCherry/АН проявляют прямое фототоксическое действие в отношении клеток SK-BR-3, благодаря УФ-фотовозбуждению эндогенных фотосенсибилизаторов и сопутствующей генерации активных форм кислорода в целевых клетках. Модель легочного рака (карцинома Льюиса) была использована для демонстрации возможности ФДТ с использованием биоконъюгатов. Было показано, что при дозе ближнего ИК излучения 1200 Дж/см2 наблюдается регрессия объема опухолевой ткани.

 

Публикации

1. Генералова А.Н., Чичков Б.Н., Хайдуков Е.В. Multicomponent nanocrystals with anti-Stokes luminescence as contrast agents for modern imaging techniques ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE, V.245, P.1-19 (год публикации - 2017).

2. Миронова К.Е., Хоченков Д.А., Генералова А.Н., Рочева В.В., Шолина Н.В., Нечаев А.В., Семчишен В.А., Деев С.М., Звягин А.В., Хайдуков Е.В. Ultraviolet phototoxicity of upconversion nanoparticles illuminated with near-infrared light NANOSCALE, Том 9 Выпуск 39 Стр. 14921-14928 (год публикации - 2017).

3. Савельев А.Г., Бардакова К.Н., Хайдуков Е.В., Генералова А.Н., Попов В.К., Чичков Б.Н., Семчишен В.А. Flavin mononucleotide photoinitiated cross-linking of hydrogels: polymer concentration threshold of strengthening JOURNAL OF PHOTOCHEMISTRY AND PHOTOBIOLOGY A-CHEMISTRY, Том 341 Стр. 108-114 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В отчетном году по проекту опубликовано 7 статей из них 4 статьи из первого квартиля. Были получены следующие основные научные результаты: Был выполнен высокотемпературный синтез нанокристаллов NaYF4, легированных ионами лантанидов при высокотемпературном разложении трифторацетатов соответствующих металлов в растворе олеиновой кислоты и октадецена. Проведено исследование временной динамики люминесценции синтезированных апконвертирующих наночастиц со структурой: ядро-β-NaYF4: 20%Yb3+; 0,6%Tm3+/оболочка β-NaYF4. Изменяя длительность возбуждающего импульса в диапазоне от 50 мкс до 5 мс (с резким задним фронтом), мы показали, что ионы Yb3+ выполняют в системе роль аккумуляторов энергии, а сама наночастица действует как единое целое, распределяя запасенное возбуждение посредством кросс-релаксации между ионами Yb3+. В результате тонкой настройки параметров и условий синтеза наночастиц был достигнут интегральный коэффициент конверсии в 11% при интенсивности возбуждающего излучения 30 Вт/см2. Был разработан метод лазерной модификации апконвертирующих нанокристаллов пикосекундными лазерными импульсами. Впервые были получены одномерные апконвертирующие наноструктуры – наностержни, обладающие антистоксовой фотолюминесценцией. Одномерные апконвертирующие структуры были охарактеризованы методами рентгеноструктурного анализа и просвечивающей электронной микроскопии. Исследование кинетики фотолюминесценции таких структур и их математическое моделирование показало пространственное ограничение энергетической миграции при кросс-релаксации между ионами Yb3+. Полученные данные позволили утверждать, что неэкспоненциальный распад возбужденных состояний ионов активатора содержит временную константу миграции энергии ионов сенсибилизатора. Для создания магнитного нанокомплекса на основе апконвертирующих наночастиц был разработан эффективный подход к синтезу наночастиц обеспечивающих магнитную модальность нанокомплекса. Мы продемонстрировали технику лазерной абляции железной мишени с термическим воздействием, которая значительно увеличивает эффективность генерации наночастиц железа до 6,41 мкг/Дж. Вынос материала мишени и усиление генерации наночастиц коррелировали с температурой мишени и были связаны с окислительными процессами, происходящими на поверхностях мишени из железа. Контролируя процессы окисления поверхности мишени и, соответственно, настраивая параметры лазерной абляции, можно оптимизировать генерацию частиц и повысить эффективность генерации наночастиц в 12,5 раз. Синтезированные наночастицы были исследованы с помощью SEM и TEM микроскопии. Было установлено, что наночастицы содержат несколько доменов кристаллического магнетита и имеют сферическую форму. Продемонстрированная технология с применением нагрева мишени позволяет генерировать наночастицы диаметром от 1 нм, обеспечивает превосходный контроль размеров наночастиц, а выход наночастиц соответствует промышленным показателям. Были получены апконвертирующие наночастицы, декорированные плазмонными наночастицами. Рост наночастиц серебра на поверхности апконвертирующих наночастиц реализован путем восстановления предварительно адсорбированных ионов Ag+. Исследована эффективность процесса адсорбции, показано, что она зависит от функциональности различных гидрофилизирующих покрытий апконвертирующих наночастиц, и активности восстановителей для получения наночастиц серебра. Полученные наноструктуры охарактеризованы с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Исследованы их цитотоксические свойства на фибробластах человека BJ-5. Разработана методика получения полимерных оболочек различной толщины на поверхности апконвертирующих наночастиц в процессе фотополимеризации, активируемой ИК-светом при участии инициатора эндогенной природы. Показано, что толщина этих оболочек задается длиной свободного пробега фотона в светочувствительной композиции. На поверхности наночастиц были сформированы оболочки из ПЭГ-содержащего полимера, который является одним из основных покрытий, используемых для целей биовизуализации in vivo. Мы продемонстрировали новую методику гипертермии опухоли с использованием апконвертирующих наночастиц. Для этого нами были синтезированы наночастицы со структурой ядро оболочка NaYF4:Yb3+:Tm3+/NaYF4 покрытые биосовместимой полимерной оболочки PMAO-PEG. Было показано, что такие наночастицы позволяют эффективно маркировать опухолевые ткани с последующей биовизуализацией. Экспериментально и теоретически было показано, что с использованием апконвертирующих наночастиц возможно обеспечить локальный нагрев опухолевой ткани до критической температуры в 42 °C. Разработана теоретическая модель, описывающая нагрев опухоли с учетом EPR- эффекта (повышенная проницаемость и удержание наночастиц в сосудах опухоли). Теоретическая модель, основанная на уравнениях энергетического баланса, показала хорошее согласие с экспериментально наблюдаемыми данными, что говорит о возможности проведения комбинированной терапии опухолей, где действующими факторами являются температура и активные формы кислорода.

 

Публикации

1. Generalova A.N., Asharchuk I.M., Zubov V.P Multifunctional polymer dispersions for biomedical assays obtained by heterophase radical polymerization Russian Chemical Bulletin, V. 67(10), 1759-1780 (год публикации - 2018).

2. Гуллер А.Е., Надорт А., Генералова А.Н., Хайдуков Е.В., Нечаев А.В., Корниенко И.А., Петерсен Е.В., Лианг Л.Е., Шехтер А.Б., Киан Й., Голдис Е.М., Звягин А.В. Rational Surface Design of Upconversion Nanoparticles with Polyethylenimine Coating for Biomedical Applications: Better Safe than Brighter? ACS BIOMATERIALS SCIENCE & ENGINEERING, Том: 4 Выпуск: 9 Стр.: 3143-3153 (год публикации - 2018).

3. Курселис К., Кожешкурт В., Киян Р., Чичков Б.Н., Саяти Л. Thermally assisted nanosecond laser generation of ferric nanoparticles APPLIED PHYSICS LETTERS, Том: 112 Выпуск: 11 Номер статьи 113103 (год публикации - 2018).

4. Макаров С., Колотова Л., Стариков С.В, Зивец У., Чичков Б.Н. Resonant silicon nanoparticles with controllable crystalline states and nonlinear optical responses NANOSCALE, Том: 10 Выпуск: 24 Стр.: 11403-11409 (год публикации - 2018).

5. Миронова К.Е., Королёва А.В., Апарин И.О., Шипунова В.О., Хоченков Д.А., Генералова А.Н., Чичков Б.Н., Деев С.М., Хайдуков Е.В. UV-emitting upconversion nanoparticles for the treatment of estrogen-dependent tumors FEBS OPEN BIO, Том: 8 Стр.: 274-274 (год публикации - 2018).

6. Рочева В.В., Королёва А.В., Савельев А.Г., Хайдуков К.В., Генералова А.Н., Нечаев А.В., Гуллер А.Е., Семчишен В.А., Чичков Б.Н., Хайдуков Е.В. High-resolution 3D photopolymerization assisted by upconversion nanoparticles for rapid prototyping applications SCIENTIFIC REPORTS, V.8, № 3663 (год публикации - 2018).

7. Шолина Н.В., Акасов Р.А., Хоченков Д.А., Рочева В.В., Горелкин П.В., Алова А.В., Ерофеев А.С., Генералова А.Н., Хайдуков Е.В. Flavin mononucleotide as a photosensitizer for melanoma treatment FEBS OPEN BIO, Том: 8 Стр.: 323-323 (год публикации - 2018).