Рентгенолюмінесцентні наноструктури на основі фториду та фосфату лантану для оптофармакології та фотодинамічної терапії пухлинних захворювань
Анотація
Метою роботи є синтез нанодисперсних люмінофорів на основі фториду та фосфату лантану, активованих тербієм (LaF3:Tb3+ та LaРО4:Tb3+, відповідно), перспективних для використання в фотодинамічній терапії та оптофармакології, вивчення їх структурних властивостей і спектрів люмінесценції при збудженні ультрафіолетовим та рентгенівським випромінюванням, а також можливості їх використання в складі нанокомпозитів з магніточутливими нанорозмірними носіями Fe3O4 та біоактивним склом 60S. Синтезовано нанокристалічні фторид та фосфат лантану гексагональної сингонії, активовані тербієм. Вивчено структурні властивості, хімічну активність та біосумісність поверхні, спектри УФ- і рентгенолюмінесценції синтезованих кристалів. Показано можливість їх використання в складі нанокомпозитів з магніточутливими нанорозмірними носіями лікарських засобів та біоактивним золь-гель склом. Встановлено кислотно-основну природу поверхневих активних центрів НЧ LaF3 та LaF3:Tb3+. Розраховано частки негативно a–, позитивно a-+ заряджених та нейтральних a-0 активних центрів у діапазоні pH 2,4 – 12,7. Виявлені активні центри поверхні можуть бути представлені кислотними (La3+) та основними (F-) центрами Льюїса, а також основними центрами Бренстеда (ОН- групи). Отримані дані можуть бути корисними при оптимізації умов адсорбційної іммобілізації з фізіологічного розчину молекул фоточутливих речовин (сенсибілізаторів) на поверхні люмінофорів на основі фториду лантану. Синтезовано ансамблі частинок магніточутливих НК Fe3O4/LaF3:Tb3+ типу ядро-оболонка. Умови синтезу НК істотно не змінювали магнітні властивості їх ядер – вихідних однодоменних НЧ Fe3O4. Композити біоскла 60S з нанодисперсним кристалічним LaF3:Tb3+ та LaPO4:Tb3+ в сухому стані, та середовищі дистильованої води, демонстрували наявність люмінесценції при збудженні УФ- та рентгенівським випромінюванням. Наведені дані свідчать про перспективність досліджень нанодисперсних люмінофорів на основі фториду та фосфату лантану, їх композитів з магніточутливими нанорозмірними носіями та біоактивним склом, для використання в оптофармакології та фотодинамічній терапії пухлинних захворювань, зокрема, локалізованих у органах черепа та кісткових тканинах. Крім того, результати досліджень можуть бути корисними для технічних застосувань, зокрема, при створенні люмінесцентних детекторів високоенергетичного електромагнітного випромінювання, розробках фото- та оптоелектронних приладів тощо.
Посилання
1. Roco M.C., Williams R.S., Alivisatos P. Vision for Nanotechnology R&D in the Next Decade. (Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 2002). 156.
2. Patent UA 99211. Gorbyk P.P., Petranovska A.L., Turelyk М.P., Turanska S.P., Vasylieva О.А., Chekhun V.F., Luk'yanova N.Yu., Shpak А.P., Korduban О.М. Nanocapsule with nanorobot functions. 2012.
3. Gorbyk P.P. Nanocomposites with functions of medico-biological nanorobots: synthesis, properties, application. Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies. 2013. 11(2): 323. [in Ukrainian].
4. Uvarova І.V., Gorbyk P.P., Gorobets' S.V., Ivashchenko О.А., Ulianchych N.V. Nanomaterials of Medical Destination. (Kyiv: Naukova Dumka, 2014). [in Ukrainian].
5. Petranovska А.L., Kusyak А.Р., Korniichuk N.M., Turanska S.P., Gorbyk P.P., Lukyanova N.Yu., Chekhun V.F. Antitumor vector systems based on bioactive lectin of Bacillus subtilis ІМВ B-7724. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2021. 12(3): 190. https://doi.org/10.15407/hftp12.03.190
6. Shpak A.P., Gorbyk P.P. (eds.) Nanomaterials and Supramolecular Structures: Physics, Chemistry, and Applications. (Netherlands: Springer, 2009). https://doi.org/10.1007/978-90-481-2309-4
7. Gorbyk P.P., Lerman L.B., Petranovska A.L., Turanska S.P., Pylypchuk I.V. Magnetosensitive Nanocomposites with Hierarchical Nanoarchitecture as Biomedical Nanorobots: Synthesis, Properties, and Application. In: Fabrication and Self-Assembly of Nanobiomaterials, Applications of Nanobiomaterials. (Elsevier, 2016). https://doi.org/10.1016/B978-0-323-41533-0.00010-6
8. Abramov M.V., Kusyak A.P., Kaminskiy O.M., Turanska S.P., Petranovska A.L., Kusyak N.V., Gorbyk P.P. Magnetosensitive nanocomposites based on cisplatin and doxorubicin for application in oncology. In: Horizons in World Physics. 2017. 293: 1.
9. Abramov M.V., Petranovska A.L., Kusyak N.V., Kusyak A.P., Korniichuk N.M., Turanska S.P., Gorbyk P.P., Luk'yanova N.Yu., Chekhun V.F. Synthesis and properties of magnetosensitive nanocomposites and ferrofluids based on magnetite, gemcitabine and HER2 antibody. Funct. Mater. 2020. 27(2): 283.
10. Gorbyk P.P., Chekhun V.F. Nanocomposites of medicobiologic destination: reality and perspectives for oncology. Funct. Mater. 2012. 19(2): 145.
11. Abramov M.V., Kusyak А.P., Kaminskyi О.М., Turanska S.P., Petranovska A.L., Kusyak N.V., Turov V.V., Gorbyk P.P. Synthesis and properties of magnetosensitive polyfunctional nanocomposites for application in oncology. Poverhnia. 2017. 9(24): 165. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2017.09.165
12. Abramov M.V., Petranovska A.L., Pylypchuk Ye.V., Turanska S.P., Opanashchuk N.М., Kusyak N.V., Gorobets' S.V., Gorbyk P.P. Magnetosensitive polyfunctional nanocomposites based on magnetite and hydroxyapatite for application in oncology. Poverhnia. 2018. 10(25): 245. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2018.10.245
13. Patent UA 112490. Chekhun V.F., Luk'yanova N.Yu., Gorbyk P.P., Todor І.М., Petranovska A.L., Boshytska N.V., Bozhko І.V. Antitumor ferromagnetic nanocomposite. 2016.
14. Kusyak А.P., Petranovska A.L., Dubok V.A., Chornyi V.S., Bur'yanov O.A., Korniichuk N.M., Gorbyk P.P. Adsorption immobilization of chemotherapeutic drug cisplatin on the surface of sol-gel bioglass 60S. Funct. Mater. 2021. 28(1): 97.
15. Kusyak А.Р., Petranovska А.L., Turanska S.P., Oranska O.I., Shuba Ya.M., Kravchuk D.I., Kravchuk L.I., Chornyi V.S., Bur'yanov O.A., Sobolevs'kyy Yu.L., Dubok V.A., Gorbyk P.P. Synthesis and properties of nanostructures based on lanthanum fluoride for photodynamic therapy of tumors of the cranial cavity and bone tissue. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2021. 12(3): 216. https://doi.org/10.15407/hftp12.03.216
16. Hench L.L., Fielder E. Biological Gel-Glasses. In: Aegerter M.A., Mennig M. Sol-Gel Technologies for Glass Producers and Users. (Springer Science, Business Media, 2004). https://doi.org/10.1007/978-0-387-88953-5_21
17. Dutra C.E.A., Pereira M.M., Serakides R., Rezende C.M.F. In vivo evaluation of bioactive glass foams associated with platelet-rich plasma in bone defects. J. Tissue Eng. Regen. Med. 2008. 2(4): 221. https://doi.org/10.1002/term.86
18. Buryanov О.А., Chornyi V.S., Protsenko V.V., Shapovalov V.S., Kusyak V.А. Analysis of replacement of bone defects by calcium phosphate biomaterials in bone diseases. Litopys Travmat. Ortoped. 2018. 1-2: 37. [in Ukrainian].
19. Dubok V.А., Protsenko V.V., Shynkaruk А.V., Atamanenko О.N. A new generation of bioactive ceramics - special features of properties and clinical results. Orthopedics, Traumatology and Prosthetics. 2008. 3: 91. [in Russian].
20. Buryanov А.А., Chornyi V.S., Dedukh N.V., Dubok V.А., Protsenko V.V., Omelchenko Т.N., Vakulich М.V., Lyanskorunskiy V.N., Shapovalov V.S., Abudeikh U. Peculiarities of regenerative reactions in filling bone defects with bioglass in combination with autologous plasma enriched with platelets. Trauma. 2019. 20(6): 56. [in Russian]. https://doi.org/10.22141/1608-1706.1.20.2019.158670
21. Medvedev I.B., Belikova Ye.I., Syamichev М.P. Photodynamic therapy in ophthalmology. (Мoscow, 2006). [in Russian].
22. Helfond М.L. Photodynamic therapy in oncology. Pract. Oncol. 2007. 8(4): 204. [in Russian].
23. Lytvynenko B.V., Korovin S.I., Litus О.І., Bashtan V.P., Lytvynenko V.Ye. Photodynamic therapy is a modern effective method of treating basal cell skin cancer. Clin. Surg. 2016. 6: 71. [in Ukrainian].
24. Gorobets' S.V., Gorobets' О.Yu., Gorbyk P.P., Uvarova І.V. Functional bio- and nanomaterials of medical destination. (Kyiv: Kondor, 2018). [in Ukrainian].
25. Kusyak А.P., Petranovska А.L., Shuba Y.М., Kravchuk D.I., Kravchuk L.І., Buryanov О.А., Chornyi V.S., Sobolevskyi Y.L., Gorbyk P.P. Synthesis and properties of nanodisperse luminophores for photodynamic and optopharmacologic therapies of tumors of cranial cavity and bone tissue. In: Chemistry, Physics and Technology of Surface. Nanostructures and Nanomaterials in Medicine: Challenges, Tasks and Perspectives. Proc. Ukr. Int. Conf., Workshop (Kyiv, 2021). Р. 125.
26. Gorbyk P.P. Medico-biological nanocomposites with functions of nanorobots: state of research, development and prospects for practical implementation. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2020. 11(1): 128. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp11.01.128
27. Min-Hua C., Yi-Jhen J., Sheng-Kai W., Yo-Shen C., Nobutaka H., Feng-Huei L. Non-invasive photodynamic therapy in brain cancer by use of Tb3+-doped LaF3 nanoparticles in combination with photosensitizer through X-ray irradiation: a proof-of-concept study. Nanoscale Res. Let. 2017. 12: 62. https://doi.org/10.1186/s11671-017-1840-3
28. Liu Y., Chen W., Wang S., Joly A.G., Westcott S., Woo B.K. X-ray luminescence of LaF3:Tb3+ and LaF3:Ce3+, Tb3+ water-soluble nanoparticles. J. Appl. Phys. 2008. 103: 063105. https://doi.org/10.1063/1.2890148
29. Hsiu-Wen C., Chien-Hao H., Chien-Hsin Y., Tzong-Liu W. Synthesis, optical properties, and sensing applications of LaF3:Yb3+/Er3+/Ho3+/Tm3+ upconversion nanoparticles. Nanomater. 2020. 10: 2477. https://doi.org/10.3390/nano10122477
30. Mangaiyarkarasi R., Chinnathambi S., Karthikeyan S., Aruna P., Ganesan S. Paclitaxel conjugated Fe3O4@LaF3:Ce3+,Tb3+ nanoparticles as bifunctional targeting carriers for cancer theranostics application. J. Magn. Magn. Mater. 2016. 399: 207. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.09.084
31. Zhang F., Braun G.B., Pallaoro A., Zhang Y., Shi Y., Cui D., Moskovits M., Zhao D., Stucky G.D. Mesoporous multifunctional upconversion luminescent and magnetic "nanorattle" materials for targeted chemotherapy. Nano Let. 2011. 12(1): 61. https://doi.org/10.1021/nl202949y
32. DiMaio J., Kokuoz B., James T.L., Harkey T., Monofsky D., Ballato J. Photoluminescent сharacterization of atomic diffusion in core-shell nanoparticles. Opt. Exp. 2008. 16(16): 11769. https://doi.org/10.1364/OE.16.011769
33. Jing K., Guo X., Diao X., Wu Q., Jiang Y., Sun Y., Zhu Y. Synthesis and characterization of dipicolinate sensitized LaF3 :Tb3+ nanoparticles and their interaction with bovine serum albumin. J. Lumin. 2015. 157: 184. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2014.08.061
34. Patro L.N., Kamala Bharathi K., Ravi Chandra Raju N. Microstructural and ionic transport studies of hydrothermally synthesized lanthanum fluoride nanoparticles. AIP Adv. 2014. 4(12): 127139. https://doi.org/10.1063/1.4904949
35. Tang Y., Hu J., Elmenoufy A.H., Yang X. Highly efficient FRET system capable of deep photodynamic therapy established on X-ray excited mesoporous LaF3:Tb scintillating nanoparticles. ACS Appl. Mater. Int. 2015. 7(22): 12261. https://doi.org/10.1021/acsami.5b03067
36. Kasturi S., Marikumar R., Vaidyanathan S. Trivalent rare-earth activated hexagonal lanthanum fluoride (LaF3:RE3+ , where RE = Tb, Sm, Dy and Tm) nanocrystals: synthesis and optical properties. Luminescence. 2018. 33(5): 897. https://doi.org/10.1002/bio.3488
37. Patent RF 2617348. Medkov М.А., Steblevskaya N.I., Belobeletskaya М.V. Method for producing lanthanum phosphate phosphor activated with cerium and terbium. 2017.
38. He H., Xie M.Y., Ding Y., Yu X.F. Synthesis of Fe3O4@LaF3:Ce,Tb nanocomposites with bright fluorescence and strong magnetism. Applied Surface Science. 2009. 255: 4623. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.11.086
39. Petranovska A.L., Abramov N.V., Turanska S.P., Gorbyk P.P., Kaminskiy A.N., Kusyak N.V. Adsorption of cis-dichlorodiammineplatinum by nanostructures based on single-domain magnetite. J. Nanostruct. Chem. 2015. 5: 275. https://doi.org/10.1007/s40097-015-0159-9
40. Abramov N.V., Turanska S.P., Kusyak A.P., Petranovska A.L., Gorbyk P.P. Synthesis and properties of magnetite/hydroxyapatite/doxorubicin nanocomposites and magnetic fluids based on them. J. Nanostruct. Chem. 2016. 6: 223. https://doi.org/10.1007/s40097-016-0196-z
41. Abramov M.V., Turanska S.P., Gorbyk P.P. Magnetic properties of superparamagnetic core-shell type nanocomposites. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2018. 40(4): 423. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/mfint.40.04.0423
42. Abramov M.V., Turanska S.P., Gorbyk P.P. Magnetic properties of fluids based on polyfunctional nanocomposites of superparamagnetic core-multilevel shell type. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2018. 40(10): 1283. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/mfint.40.10.1283
43. Foster K.A., Oster C.G., Mayer M.M., Avery M.L., Audus K.L. Characterization of the A549 cell line as a type II pulmonary epithelial cell model for drug metabolism. Exp. Cell Res. 1998. 243(2): 359. https://doi.org/10.1006/excr.1998.4172
44. Kemnitz E., Coman S. Nanoscaled Metal Fluorides in Heterogeneous Catalysis. In: New Materials for Catalytic Applications. Chapter 6. (Elsevier, 2016). https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63587-7.00006-8
45. Alain T. Functionalized Inorganic Fluorides: Synthesis, Characterization and Properties of Nanostructured Solids. (Chichester: John Wiley & Sons, 2010).
46. Kusyak А., Petranovska А., Oranska O., Turanska S., Shuba Ya., Kravchuk D., Kravchuk L., Sotkis G., Nazarenko V., Kravchuk R., Dubok V., Bur'yanov O., Chornyi V., Sobolevs'kyy Yu., Gorbyk P. Synthesis and Properties of Nanodispersed Luminescent Structures Based on Lanthanum Fluoride and Phosphate for Optopharmacology and Photodynamic Therapy of Tumor Diseases Localized in Cranial Organs and Bone Tissues. Іn: C. Bradley (Ed). What to Know about Lanthanum. Chapter 3. (NY: Nova Science Publishers, 2023). https://doi.org/10.15407/Surface.2023.15.268
