Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В рамках работы над проектом за первый год разработаны теоретические модели концентрационной зависимости интенсивности ап-конверсионной люминесценции. С их помощью выбраны оптимальные концентрации допирующих примесей для получения ап-конверсионных наночастиц NaGdF4:Yb-Er , NaGdF4:Yb-Tm c высокой интенсивностью ап-конверсионной люминесценции и эффективным нагревом под действием лазерного излучения. Синтез наночастиц заданных составов проводили тремя различными методами: осаждением из водных растворов, гидротермальным микроволновым и безводным в олеиновой кислоте. Исследовано фазообразование в системе NaGd0.8Yb0.17Er0.03F4 -NaY0.8Yb0.17Er0.03F4, проанализировано влияние соотношения концентраций ионов Gd3+ и Y3+ на фазовый состав и параметры решетки получаемых твердых растворов, спектрально-люминесцентные свойства и температуру нагрева под действием лазерного излучения. Оптимизированы условия безводного синтеза (температура, время выдержки, количество отмывок от остатков олеиновой кислоты) для получения однофазных гексагональных образцов с интенсивной ап-конверсионной люминесценцией. Получены результаты физико-химической и оптико-спектральной характеризации синтезированных образцов. Исследовано накопление наночастиц, полученных различными методами синтеза в клетках культуры HeLa (рак шейки матки). Показано, что наиболее перспективны для биоприменений в качестве термо-агентов образцы, полученные гидротермальным микроволновым и безводным синтезом. Проведены исследования гипертермии с помощью синтезированных ап-конверсионных наночастиц in vitro на культурах клеток глиобластомы C6 и HeLa (рак шейки матки). Показано, что различные клеточные линии имеют разную чувствительность к воздействию нагрева. Проведена оптимизация режимов импульсно-периодического возбуждения ап-конверсионной люминесценции. Продемонстрирована возможность точного контроля температуры нагрева и спектрального состава ап-конверсионной люминесценции за счет контроля длительности возбуждающего импульса. Проведены предварительные исследования возможности биовизуализации новообразований в толще биологических тканей с использованием ап-конверсионных наночастиц NaGdF4:Yb-Tm. Продемонстрирована возможность получения люминесцентного сигнала с глубины 0.5 см.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Страница, посвященная проекту на сайте Researchgate: https://www.researchgate.net/project/Multifunctional-nanoparticles-containing-rare-earth-ions-for-combined-magnetic-resonance-and-optical-diagnostics-and-photothermal-therapy-with-contactless-temperature-monitoring-in-real-time За второй год работы над проектом проведена оптимизация методик гидротермального микроволнового синтеза и безводного синтеза в олеиновой кислоте. Получены результаты физико-химической и оптико-спектральной характеризации синтезированных образцов. По результатам проведенного в первый год теоретического моделирования синтезированы ап-конверсионные наночастицы NaGdF4:Yb-Tm. Использовали соотношения концентраций 80:2, 80:3, 80:4, 80:5, а также 30:0.5. Проведен анализ зависимости эффективности ап-конверсионного преобразования от соотношения концентраций Yb-Tm для однофазных и двухфазных образцов. Показано, что при увеличении концентрации иттербия с 30 до 80% наблюдается существенное увеличение эффективности, что хорошо согласуется с результатами моделирования. Также показано, что в рамках одного соотношения концентраций Yb-Tm наблюдается размерная зависимость эффективности ап-конверсионного преобразования: эффективность возрастает наряду с увеличением размеров наночастиц. Исследовано влияние температуры синтеза на размер и эффективность ап-конверсионной люминесценции синтезируемых частиц. Для оптимизации методики и получения монодисперсных однофазных наночастиц был проведен ряд синтезов наночастиц состава NaGdF4:Yb-Er в соотношении 20:2 при разной температуре. Показано, что зависимость размера и эффективности ап-конверсионного преобразования синтезируемых наночастиц от температуры имеет локальный максимум, положение которого обусловлено температурой кипения используемого октадецена. На основании проведенных исследований для дальнейшего синтеза наночастиц типа ядро-оболочка с использованием октадецена Sigma Aldrich была выбрана температура 310 С. С целью повысить интенсивность ап-конверсионной люминесценции наночастиц, полученных безводным методом синтеза, была предпринята попытка синтезировать наночастицы NaGdF4:Yb-Er (соотношение 20:2 и 18:2) и NaGdF4: Yb-Tm (соотношение 80:2 и 30:0.5), покрытые активной (NaYbF4) или пассивной (NaYF4) оболочкой, препятствующей тушению люминесценции. Были получены однофазные образцы (гексагональная фаза). Успешное покрытие оболочкой было продемонстрировано при помощи просвечивающей электронной микроскопии. Покрытие активной NaYbF4 оболочкой приводило к ухудшению люминесцентных характеристик как для соотношения концентраций Yb-Tm 30-0.5, так и для соотношения и 80-2. Мы предполагаем, что покрытие оболочкой, содержащей ионы Yb3+, смещает соотношение концентраций в область неоптимальных значений. Покрытие пассивной оболочкой NaYF4, напротив, приводило к значительному улучшению люминесцентных характеристик и увеличению энергетического выхода ап-конверсионной люминесценции. Для наночастиц NaGdF4:Yb-Er наблюдалось увеличение квантового выхода ап-конверсионной люминесценции покрытых оболочкой образцов на 2 порядка. Для всех полученных образцов был выполнен перевод в водную фазу с использованием ПВП или TWEEN 80 в качестве ПАВ. В результате были получены стабильные водные коллоиды ап-конверсионных наночастиц в биосовместимых ПАВ. Анализ спектров ап-конверсионной люминесценции наночастиц, переведенных в водную фазу с применение с разных ПАВ, показал, что тип ПАВ также оказывает влияние на интенсивность ап-конверсионной люминесценции. Так, для всех исследованных коллоидов интенсивность люминесценции при использовании PVP в качестве ПАВ оказалась выше. Была разработана теоретическая модель нагрева и люминесценции термо-агентов внутри опухолей и тканей, с использованием численных методов решения дифференциального уравнения теплопроводности с учетом нагрева под действием лазера, потерь тепла вследствие теплопроводности, конвективной теплопередачи и переноса тепла вследствие кровотока, а также параметров поглощения и рассеяния биотканей. В результате моделирования, получены профили распределения нагрева в толще биотканей без ап-конверсионных наночастиц и для биотканей, содержащих ап-конверсионные наночастицы для длин волн 920, 940 и 980 нм. Показано, что излучение с длиной волны 920 нм глубже проникает в биологические ткани и вызывает меньший паразитный нагрев. Результаты моделирования хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными для нагрева образцов биологических тканей разными длинами волн. Была разработана методика оценки глубины в толще биологической ткани, с которой был получен люминесцентный сигнал, по изменению спектра ап-конверсионной люминесценции. Теоретически рассчитанное отношение интенсивностей люминесценции может быть использовано для решения обратной задачи и определения глубины, с которой был получен сигнал в случае транс-иллюминации. Полученные экспериментальные зависимости отношения интенсивностей люминесценции (с учетом зависимости плотности мощности возбуждающего излучения от глубины) могут быть использованы для решения обратной задачи и оценки глубины, с которой был получен люминесцентный сигнал в случае эпи-иллюминации. Использование отношения интенсивностей люминесценции для длин волн с большим сдвигом является более предпочтительным. Продемонстрирована возможность биовизуализации с контролем глубины с использованием ап-конверсионных наночастиц при инфракрасном возбуждении. Проведено исследование нагрева наночастиц под действием лазерного излучения и оценка чувствительности полученных наночастиц к изменению температуры. Показано, что наночастицы NaGdF4, допированные ионами Yb-Er нагреваются под действием лазерного излучения существенно сильнее, чем наночастицы NaGdF4, допированные ионами Yb-Tm (67.5 и 6.2˚С соответственно при Р=1 Вт/см2). Проанализирована зависимость температурной чувствительности от спектрального диапазона, используемого для термометрии. Показано, что для наночастиц, допированных Yb-Er, максимальная чувствительность в исследуемом диапазоне температур достигается при использовании отношения площадей под пиками люминесценции, соответствующими переходам ионов Er3+ 2H11/2-4I15/2 (I2) и 4S3/2-4I15/2 (I1) и составляет 1.34 %*С-1. Для наночастиц, допированных Yb-Tm, максимальная чувствительность была получена при использовании для термометрии отношения площади под пиком люминесценции, соответствующим переходам 1F2,3-3H6 (I2) к площади под впадиной между пиками (I1), и составила 4.11 %*С-1. Минимальное температурное разрешение составляло 0.6 С для температуры 35.5 С. Исследована селективность нагрева длинами волн 920, 940 и 980 нм, с целью оптимизировать режимы проведения гипертермии для различных типов биологических тканей. Было показано, что связи с низкой эффективностью возбуждения ап-конверсионной люминесценции длиной волны 920 нм, более перспективно использовать 940 нм. Излучение с этой длиной волны глубже проникает в биоткани, чем 970, практически не вызывает паразитного нагрева и при этом достаточно эффективно возбуждает ап-конверсионную люминесценцию. Было показано, что использование длины волны 940 нм позволяет получить изображение с большей глубины без потери контраста по сравнению с традиционно используемой длиной волны 970 нм. С целью сравнить тепловое воздействие исследованных длин волн на биологические ткани, был исследован лазерно-индуцированный нагрев жидких фантомов и реальных биотканей (свиной жир, кожа, мышцы и многослойный образец, состоящий из кожи, жира и мышц). Показано, что мышцы и кожа минимально греются под действием 920 нм. Однако жировая ткань нагревалась минимально под действием 940 нм, что обусловлено селективным поглощением 920 нм липидами. Таким образом, длина волны 920 нм может быть использована для селективной гипертермии жировых тканей наряду с длиной волны 970 нм. В то же время, для снижения теплового воздействия на биологические ткани с высоким содержанием жира более целесообразно использовать длину волны 940 нм. Проведено сравнение термочувствительности исследуемых ап-конверсионных наночастиц с коммерческими термо-агентами. Исследованные ап-конверсионные частицы продемонстрировали температурную чувствительность, сравнимую с родамином В, используемым в качестве коммерческого термосенсора. При этом, следует отметить более высокую воспроизводимость и точность оценки температуры при помощи ап-конверсионных наночастиц, так как за счет использования отношения интенсивностей, исключаются ошибки измерений, связанные с воздействием случайных посторонних факторов. Проведено исследование гипертермии in vitro на различных клеточных линиях, качественный и количественный анализ температурной устойчивости различных клеточных линий. Исследования температурной устойчивости клеточных линий проводилось на различных клеточных культурах, таких как рак шейки матки (HeLa), глиобластома (C6), моноциты (THP-1), карцинома эрлиха (ELC), а также фибробласты. Показано, что раковые клетки различных линий имеют существенно различную термоустойчивость. Так, наиболее термочувствительными оказались клетки глиобластомы С6. Для селективной гипертермии данной клеточной линии достаточно использовать нагрев до 48 С в течение 1 часа, что обеспечит минимизацию температурного воздействия на фибробласты. Клеточные линии карциномы эрлиха ELC и рака шейки матки HeLa демонстрируют существенно более высокую термоустойчивость. Для данных клеточных линий целесообразно повышать селективность гипертермического воздействия за счет селективности накопления термо агентов в раковых клетках. Высокая чувствительность моноцитов к температурному воздействию позволяет сделать предположение о целесообразности гипертермического воздействия на опухоль-ассоциированные макрофаги, являющиеся одной из перспективных мишеней при терапии рака.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Страница, посвященная проекту на сайте Researchgate: https://www.researchgate.net/project/Multifunctional-nanoparticles-containing-rare-earth-ions-for-combined-magnetic-resonance-and-optical-diagnostics-and-photothermal-therapy-with-contactless-temperature-monitoring-in-real-time Синтезированы наночастицы NaGdF4:Yb-Er и NaGdF4:Yb-Tm типа ядро-оболочка, а также наночастицы с тройным легированием NaGdF4:Yb-Er-Tm наиболее перспективных составов, проведена их физико-химическая и оптико-спектральная характеризация. Отработана методика синтеза однофазных наночастиц NaGdF4, легированных редкоземельными ионами, с высокой эффективностью ап-конверсионного преобразования. Установлено, что при увеличении температуры синтеза линейно возрастает размер областей когерентного рассеяния. Показано, что значение энергетического выхода экспоненциально возрастает при увеличении размера области когерентного рассеяния. Использование температуры синтеза 320 С позволяет получить наночастицы с размером, подходящим для биомедицинских приложений (50 нм) и интенсивной ап-конверсионной люминесценцией. Экспериментально показано, что высокие легирующие концентрации Yb3+ приводят не только к увеличению энергетического выхода, но и к увеличению размера синтезированных частиц. Концентрация ионов Tm3+ не оказывает значительного влияния на размер получаемых наночастиц. Для образцов с одинаковым размером максимальное значение энергетического выхода было получено при использовании соотношения концентраций Yb3+-Tm3+ 80:3. На основе полученных экспериментальных данных была модифицирована теоретическая модель, разработанная ранее. В результате расчетов с использованием уточненной модели оптимальной концентрацией является соотношение 80:2.5, что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Результаты расчетов показывают, что использование оптимизированных концентраций легирующих примесей позволяет до 10 раз увеличить интенсивность люминесценции в ближнем инфракрасном диапазоне. Проведена термометрия с использованием наночастиц с тройным легированием, покрытых инертной оболочкой. Полученная чувствительность составила 0.77%*С-1 и 0.14%*С-1 для наночастиц легированных Yb-Er-Tm и Yb-Er-Ho соответственно. Температурная чувствительность наночастиц с тройным легированием в видимом диапазоне ниже, чем для наночастиц с двойным легированием. Однако, тройное легирование может быть использовано для термометрии в коротковолновом инфракрасном диапазоне, где существенно ниже рассеяние биологических тканей и, соответственно, выше глубина их зондирования, что важно для in vivo приложений термометрии. Нами были проведены предварительные исследования и было показано, что при помощи наночастиц с тройным легированием Yb-Er-Ho можно определять температуру в коротковолновом инфракрасном диапазоне с чувствительностью порядка 1%*С-1. Получены стабильные водные коллоиды монодисперсных ап-конверсионных наночастиц в биосовместимых ПАВ, отработана методика их синтеза. Наиболее подходящим ПАВ, обеспечивающим стабильность синтезированных коллоидов в биологических средах, биосовместимость и интенсивность ап-конверсионной люминесценции среди исследованных, был поливинилпирролидон (PVP) с молекулярной массой 55 000. Исследование цитотоксичности полученных коллоидов проводили при помощи МТТ-теста на культуре фибробластов. Все исследованные коллоиды продемонстрировали хорошую биосовместимость. Максимальное снижение жизнеспособности клеток было зарегистрировано для TWEEN 80 и составило 24% для концентрации 150 мкг/мл и 15% для концентрации 15 мкг/мл. Разработанные термо-агенты апробированы in vitro и in vivo с оценкой реальной термочувствительности. Показано, что, используя частицы, легированные ионами Yb3+-Er3+, можно оценивать локальную температуру нагрева эукариотических клеток в интервале 30-60 С с высокой точностью, чувствительность составила 1.2 %*С-1. Получены данные о термочувствительности различных клеточных культур к локальной лазерной гипертермии с использованием ап-конверсионных наночастиц в качестве термо-агентов. Исследования температурной устойчивости клеточных линий проводилось культурах рака шейки матки (HeLa), глиобластомы (C6) и моноцитов (THP-1). При облучении плотностью мощности 1 Вт/см2 наблюдается снижение жизнеспособности культур С6 и ТНР-1 на 20%. Облучение плотностью мощности свыше 5 Вт/см2 приводит к гибели более 50% клеток в этих культурах. Облучение плотностью мощности 10 Вт/см2 привело к тотальной гибели культур С6 и ТНР-1, в то время как количество живых клеток в культуре HeLa снижается на 40%. Наиболее чувствительными к фотогипертермии с использованием ап-конверсионных наночастиц оказались клетки глиобластомы С6. Проведены исследования фотогипертермии с оценкой температуры по спектрам ап-конверсионной люминесценции in vivo на беспородных лабораторных мышах. Показано, что фотогипертермическое воздействие при использовании ап-конверсионных наночастиц носит высокоинтенсивный локальный характер и вызывает повреждение клеток-мишеней в областях накопления наночастиц, не затрагивая при этом окружающие здоровые ткани. Данный результат подтверждается результатами моделирования методом конечных разностей. Разработана теоретическая модель, описывающая локальный нагрев ап-конверсионных наночастиц, находящихся в биологической среде, под действием лазерного излучения с использованием метода конечных разностей во временной области с учетом оптических и теплофизических свойств биологических тканей. Показано, что локальная температура нагрева существенно превышает среднюю температуру нагрева окружающей среды, эффективный радиус гипертермического воздействия, в котором температура превышает 45 градусов цельсия, составляет около 60 нм для частиц с радиусом 15 нм. Локальная температура нагрева наночастицы достигает 90 С. Разработано программное обеспечение, позволяющего проводить мониторинг температуры нагрева по изменению отношения интенсивностей ап-конверсионной люминесценции в режиме реального времени.