Уникальные фотолюминесцентные свойства апконверсионных наночастиц (АКНЧ) перспективны для биовизуализации за счет увеличения контрастности изображений из-за отсутствия аутофлуоресценции ткани и фотостабильности, что позволяет проводить длительную визуализацию на уровне отдельных наночастиц [1]. Данные свойства делают АКНЧ привлекательными в качестве контрастных агентов или биологических сенсоров, для биомедицинской визуализации и тераностики различных заболеваний [2].

В связи с противоречивостью данных о цитотоксичности АКНЧ часто проводится капсулирование частиц в различные носители, такие как частицы ватерита, и основанные на его ядрах-оболочках и полиэлектролитных капсулах [3]. Ранее было показано, что образование полых микрокапсул или микрокапсул ядро-оболочка помогает дистанционно контролировать проницаемость оболочек [4]. Интерес представляет разработка комплекса, содержащего в себе АКНЧ и фотосенсибилизатор (ФС).

В экспериментах использовали фибробласты L-929 и 4T1 in vitro. Клетки высевали отдельно в специальные планшеты для клеточных культур и культивировали в DMEM среде с 1% коктейлем пенициллина-стрептомицина, 2 мМ L-глутамина и 10% фетальной бычьей сыворотки. Культивирование проводили в специальном инкубаторе, содержащем 5% CO2 при 37 ° С. Среды заменяли на свежие каждые 2 дня. Культуры клеток с образованием 75-85% монослоя снимали с использованием 0,25% трипсина и подсчитывали с помощью гемоцитометра количество клеток.

В работе использовались АКНЧ собственного производства NaYF4: Yb3+, Er3+. АКНЧ (размером около 80 нм) были синтезированы гидротермальным методом. Концентрация АКНЧ составляла 5 мг/мл. В качестве ФС использовали Cy3 и Cy 5.

Выживаемость клеток изучали путем добавления суспензии АКНЧ и последующего ИК-облучения (время воздействия от 5 до 45 минут). Проведено цитологическое и морфологическое сравнение ответов клеточных линий на воздействие.

Были получены системы ядро-оболочка субмикронного размера содержащие АКНЧ и ФС. В качестве ядра были использованы субмикронные частицы CaCO3.

Показано наличие излучательного переноса энергии от АКНЧ к ФС при возбуждении люминесценции АКНЧ длинноволновым излучением (980 нм).

Частицы проявляли цитотоксические, цитостатические свойства. Полученные результаты могут быть учтены при разработке комплексных препаратов для фотодинамической терапии и изучении путей повышения их эффективности при проведении с их применением процедуры фотодинамической терапии (ФДТ).

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-72-10057, https://rscf.ru/project/21-72-10057/

[1] Li, Y. and Chen, G. (2022), Upconversion Nanoparticles for Cancer Therapy. Adv. NanoBiomed Res. 2200092. https://doi.org/10.1002/anbr.202200092

[2] Lakshmanan A, Akasov RA, Sholina NV, Demina PA, Generalova AN, Gangadharan A, Sardar DK, Lankamsetty KB, Khochenkov DA, Khaydukov EV, Gudkov SV, Jayaraman M, Jayaraman S. Nanocurcumin-Loaded UCNPs for Cancer Theranostics: Physicochemical Properties, In Vitro Toxicity, and In Vivo Imaging Studies. Nanomaterials (Basel). 2021 Aug 29;11(9):2234. doi: 10.3390/nano11092234. PMID: 34578550; PMCID: PMC8471946.

[3] Du, K., Feng, J., Gao, X. et al. Nanocomposites based on lanthanide-doped upconversion nanoparticles: diverse designs and applications. Light Sci Appl 11, 222 (2022). https://doi.org/10.1038/s41377-022-00871-z

[4] Ravindran Girija, A.; Balasubramanian, S. Theragnostic potentials of core/shell mesoporous silica nanostructures. Nanotheranostics 2019, 3 (1), 1-40. DOI: 10.7150/ntno.27877.

The unique photoluminescent properties of upconversion nanoparticles (UCNPs) are promising for bioimaging due to an increase in image contrast due to the absence of tissue autofluorescence and photostability, which allows long-term imaging at the level of individual nanoparticles [1]. These properties make UCNPs attractive as contrast agents or biological sensors for biomedical imaging and theranostics of various diseases [2].

Due to the contradictory data on the cytotoxicity of UCNPs, particles are often encapsulated in various carriers, such as vaterite particles, and based on its core-shells and polyelectrolyte capsules [3]. It was previously shown that the formation of hollow microcapsules or core-shell microcapsules helps to remotely control the permeability of the shells [4]. Of interest is the development of a complex containing UCNPs and a photosensitizer (PS).

Fibroblasts L-929 and 4T1 were used in the experiments in vitro. Cells were seeded separately in special cell culture plates and cultured in DMEM medium with 1% penicillin-streptomycin cocktail, 2 mM L-glutamine, and 10% fetal bovine serum. Cultivation was carried out in a special incubator containing 5% CO2 at 37°C. The media were replaced with fresh ones every 2 days. Cell cultures with the formation of 75-85% of the monolayer were removed using 0.25% trypsin and the number of cells was counted using a hemocytometer.

In the work, we used UCNPs of our own production NaYF4: Yb3+, Er3+. UCNPs (about 80 nm in size) were synthesized by the hydrothermal method. The concentration of UCNPs was 5 mg/mL. Cy3 and Cy5 were used as PS.

Cell viability was studied by adding a suspension of AKNP and subsequent IR irradiation (exposure time from 5 to 45 minutes). Cytological and morphological comparison of responses of cell lines to exposure was carried out.

Submicron core-shell systems containing ANNP and PS were obtained. Submicron particles of CaCO3 were used as the core.

The presence of radiative energy transfer from ANNP to PS is shown when the luminescence of UCNPs is excited by long-wavelength radiation (980 nm).

The particles exhibited cytotoxic, cytostatic properties. The results obtained can be taken into account in the development of complex preparations for photodynamic therapy and the study of ways to increase their effectiveness during the photodynamic therapy (PDT) procedure using them.

The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 21-72-10057, https://rscf.ru/project/21-72-10057/

[1] Li, Y. and Chen, G. (2022), Upconversion Nanoparticles for Cancer Therapy. Adv. NanoBiomed Res. 2200092. https://doi.org/10.1002/anbr.202200092

[2] Lakshmanan A, Akasov RA, Sholina NV, Demina PA, Generalova AN, Gangadharan A, Sardar DK, Lankamsetty KB, Khochenkov DA, Khaydukov EV, Gudkov SV, Jayaraman M, Jayaraman S. Nanocurcumin-Loaded UCNPs for Cancer Theranostics: Physicochemical Properties, In Vitro Toxicity, and In Vivo Imaging Studies. Nanomaterials (Basel). 2021 Aug 29;11(9):2234. doi: 10.3390/nano11092234. PMID: 34578550; PMCID: PMC8471946.

[3] Du, K., Feng, J., Gao, X. et al. Nanocomposites based on lanthanide-doped upconversion nanoparticles: diverse designs and applications. Light Sci Appl 11, 222 (2022). https://doi.org/10.1038/s41377-022-00871-z

[4] Ravindran Girija, A.; Balasubramanian, S. Theragnostic potentials of core/shell mesoporous silica nanostructures. Nanotheranostics 2019, 3(1), 1-40. DOI: 10.7150/ntno.27877.