VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Механизмы действия физико-химических факторов на биологические системы

Микроносители на полимерной основе, содержащие селен и золото, для комбинированной фототермической терапии, опосредованной АФК

К.А. Митусова1*, А. Рогова1,2,3, А.С. Тимин1,2

1.Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ);
2.Национальный исследовательский университет ИТМО;
3.Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет;

* mitusova.kseniya(at)mail.ru

В последнее время мультимодальная комбинированная фототермическая терапия (ФТТ) с использованием фотоактивных материалов привлекла значительное внимание к лечению рака. Однако носители лекарств, обеспечивающие эффективный нагрев в месте опухоли, еще предстоит разработать: это фундаментальное требование для широкого внедрения ФТТ в клиниках. В этой работе мы проектируем и разрабатываем гибридные носители на основе многослойных капсул, интегрированных с наночастицами селена (НЧ Se) и золотыми наностержнями (НС Au), для реализации комбинированной ФТТ, опосредованной активными формами кислорода (АФК).

Методом послойного нанесения слоев были синтезированы полимерные капсулы, в ядре которых находились НС Au и НЧ Se. Для этого, были синтезированы НЧ Se диаметром 30 ± 5 нм, диспергированные в воде и НС Au со средней длиной 114,8 ± 13,9 нм и шириной 20,3 ± 2,0 нм. НЧ Se были стабилизированы сульфонатом полистирола (PSS), придающим отрицательный дзета−потенциал, ζ = - 42,5 мВ, а НС Au стабилизировали CTAB в качестве поверхностно-активного вещества, обеспечивая положительный дзета-потенциал в водном растворе ζ = + 21,2 мВ.

Мы исследовали фототермические характеристики полимерных капсул со встроенными в ядро НЧ Se и НС Au , диспергированных в воде при облучении лазером с длиной волны 1064 нм, используя инфракрасную тепловизионную камеру. Основываясь на полученных данных, эффективность фототермического преобразования составила 36,15%. Таким образом, комбинация НЧ Se и НС Au внутри полимерных капсул повышает эффективность фототермического преобразования.

Чтобы изучить противоопухолевую активность полученных полимерных капсул in vitro, мы варьировали количество НЧ внутри полимерных капсул: НЧ Se (5, 20, 50 и 100 мкг) и НС Au (5, 10, 50 и 60 мкг). Для оценки цитотоксичности и фототермического эффекта всех протестированных образцов мы использовали три метода: кальцеин AM/ пропидий йодид, анализ на резазурин и проточную цитометрию с детекцией 7-AАD. Для всех трех методов клетки меланомы (B16-F10) инкубировали с капсулами в соотношении 1:10 в течение 12 ч. Затем несколько образцов облучали лазером с длиной волны 1064 нм (2,4 Вт/см2) в течение 5 мин. Параллельно контрольные образцы не облучались лазером. После 24 ч инкубации к образцам добавляли кальцеин AM и пропидий йодид для выявления живых и мертвых клеток. Изображения КЛСМ показали, что НЧ Se , иммобилизованные в полимерных капсулах, индуцировали гибель клеток в зависимости от концентрации НЧ Se и проявляли сходные противоопухолевые свойства как при лазерном облучении, так и без него. Из литературных данных НЧ Se могут индуцировать апоптоз в раковых клетках за счет образования АФК. Чтобы подтвердить это, мы измерили активность АФК в клетках B16-F10, инкубированных с НЧ Se (5, 20, 50 и 100 мкг), используя H2DCFDA (2',7'-дихлордигидрофлуоресцеин диацетат). H2DCFDA проникает в клетки, и в присутствии АФК он окисляется до дихлорфлуоресцеина: таким образом, можно обнаружить внутриклеточное образование гидроксила, пероксила и других форм АФК. [10.1038/Nprot200823]. Действительно, инкубация клеток с НЧ Se в ядре полимерных капсул приводила к увеличению интенсивности клеточной флуоресценции, т.е. уровня АФК, дозозависимым образом, а контрольные клетки без НЧ Se не проявляли выраженной флуоресценции. Кроме того, для образцов, обработанных лазером, НС Au проявляли незначительную токсичность для клеток B16-F10 в широком диапазоне концентраций. Однако при лазерном облучении НС Au продемонстрировали противоопухолевые способности благодаря фототермическому эффекту. Также, комбинация НЧ Se и НС Au в одной капсуле вызывала более выраженный противоопухолевый эффект, что подтверждауют данные анализа на резазурин и проточной цитометрии-процент жизнеспособности клеток меланомы был менее 10% при воздействии лазерного излучения.

Для изучения противоопухолевой эффективности разработанных капсул с НЧ Se и НС Au использовали мышей-носителей опухоли B16-F10 (размер опухоли составлял около 100 мм3 или 0,1 см3). После внутриопухолевой инъекции тестируемых капсул (50 мкл со 100 мкг Se и 60 мкг Au) опухоли облучали лазером с длиной волны 1064 нм в течение 5 мин на животное. Изменения средних объемов опухоли оценивали каждые 3-4 дня. Анализируя полученные экспериментальные данные, мы можем заключить, что комбинированный эффект от НЧ Se и НС Au заключенных в ядро капсул и подверженных лазерному облучению (1064 нм), был намного выше по сравнению с капсулами, содержащими только один из видов НЧ (НС Au или НЧ Se). Эта комбинация приводит к повышению противоопухолевой эффективности против меланомы B16-F10, что можно объяснить двумя различными механизмами действия на раковые клетки во время такой комбинированной терапии. Во-первых, НЧ Se в полимерных капсулах индуцируют внутриклеточную генерацию АФК, что приводит к апоптозу опухолевых клеток. Во-вторых, НС Au запускают фототермический эффект, который подавляет опухоль. Кроме того, НЧ Se усиливают нагрев НС Au, что позволяет говорить о том, что наш комбинированный метод лечения позволяет достичь синергической терапевтической эффективности.

Таким образом, в данной работе мы доказали, что комбинация НЧ Se и НС Au в ядре полимерных капсул позволяет нам получить гибридные носители с многообещающими АФК-опосредованными и фототермическими свойствами для усиленной комбинированной ФТТ против роста опухоли меланомы. Этот метод обладает высокой терапевтической эффективностью против опухолей меланомы B16-F10 без каких-либо существенных побочных эффектов на здоровые органы (сердце, легкие, почки, печень и селезенку). Это исследование расширяет область применения комплекса Se/Au в качестве высокоэффективного фототермического агента для разработки и синтеза многофункциональных платформ доставки лекарств (т.е. полимерных многослойных капсул) и их дальнейшего использования в комбинированной АФК-опосредованной и фотогемальной терапии злокачественных новообразований.

Работа была выполнена при поддержке государственного задания (FSEG-2022-0012).

Polymer-based microcarriers containing selenium and gold for combined photothermal and ROS-mediated therapy

K.A. Mitusova1*, A. Rogova1,2,3, A.S. Timin1,2

1.Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (Spbspu);
2.ITMO National Research University;
3.Saint Petersburg State Chemical Pharmaceutical University;

* mitusova.kseniya(at)mail.ru

Recently, multimodal combined photothermal therapy (PTT) using photoactive materials has attracted considerable attention to cancer treatment. However, drug carriers that provide effective heating at the site of the tumor have yet to be developed: this is a fundamental requirement for the widespread introduction of FTT in clinics. In this work, we design and develop hybrid carriers based on multilayer capsules integrated with selenium nanoparticles (Se NPs) and gold nanorods (Au NRs) for the implementation of combined FTT mediated by reactive oxygen species (ROS).

Polymer capsules were synthesized by the method of layer-by-layer deposition, in the core of which were Au NRs and Se NPs. For this purpose, Se NPs with a diameter of 30 ± 5 nm were synthesized, dispersed in water and Au NRs with an average length of 114.8 ± 13.9 nm and a width of 20.3 ± 2.0 nm. Se NPs were stabilized with polystyrene sulfonate (PSS), giving a negative zeta potential, ζ = − 42.5 mV, and Au NRs stabilized CTAB as a surfactant, providing a positive zeta potential in an aqueous solution ζ = + 21.2 mV.

We investigated the photothermal characteristics of polymer capsules with embedded in the core Se NPs and Au NRs, dispersed in water when irradiated with a laser with a wavelength of 1064 nm, using an infrared thermal imaging camera. Based on the data obtained, the photothermal conversion efficiency was 36.15%. Thus, the combination of Se NPs and Au NRs inside polymer capsules increases the efficiency of photothermal conversion.

To study the antitumor activity of the obtained polymer capsules in vitro, we varied the number of NPs inside the polymer capsules: Se NPs (5, 20, 50 and 100 µg) and Au NRs (5, 10, 50 and 60 µg). To assess the cytotoxicity and photothermal effect of all tested samples, we used three methods: calcein AM/propidium iodide, resazurin analysis and flow cytometry with 7-AAD. For all three methods, melanoma cells (B16-F10) were incubated with capsules in a ratio of 1:10 for 12 hours. Then several samples were irradiated with a laser with a wavelength of 1064 nm (2.4 W/cm2) for 5 min. The control samples were not irradiated with a laser. After 24 hours of incubation, calcein AM and propidium iodide were added to the samples to detect living and dead cells. CLSM images showed that Se NPs immobilized in polymer capsules induced cell death depending on the concentration of Se NPs and showed similar antitumor properties both under laser irradiation and without it. From the literature data, Se NPs can induce apoptosis in cancer cells due to the formation of ROS. To confirm this, we measured ROS activity in B16-F10 cells incubated with Se NPs (5, 20, 50 and 100 µg) using H2DCFDA (2',7'-dichlorodihydrofluorescein diacetate). H2DCFDA penetrates into cells, and in the presence of ROS it is oxidized to dichlorofluorescein: thus, intracellular formation of hydroxyl, peroxyl and other forms of ROS can be detected. Indeed, incubation of cells with Se NPs in the core of polymer capsules led to an increase in the intensity of cellular fluorescence, i.e. the level of ROS, in a dose-dependent manner, and control cells without Se NPs did not show pronounced fluorescence. In addition, for laser-treated samples, Au NRs showed negligible toxicity to B16-F10 cells in a wide range of concentrations. However, under laser irradiation, Au NRs demonstrated antitumor abilities due to the photothermal effect. Also, the combination of Se NPs and Au NRs in one capsule caused a more pronounced antitumor effect, which is confirmed by the data of resazurin analysis and flow cytometry-the percentage of viability of melanoma cells was less than 10% when exposed to laser radiation.

To study the antitumor efficacy of the developed capsules with Se NPs and Au NRs, B16-F10 tumor-carrying mice were used (the tumor size was about 100 mm^3 or 0.1 cm^3). After intratumor injection of the tested capsules (50 µl with 100 µg Se and 60 µg Au), the tumors were irradiated with a laser with a wavelength of 1064 nm for 5 minutes per animal. Changes in average tumor volumes were evaluated every 3-4 days. Analyzing the experimental data obtained, we can conclude that the combined effect of Se NPs and Au NRs enclosed in the core of capsules and exposed to laser irradiation (1064 nm) was much higher compared to capsules containing only one of the types of NPs (Au NRs or Se NPs). This combination leads to an increase in antitumor efficacy against melanoma B16-F10, which can be explained by two different mechanisms of action on cancer cells during such combination therapy. Firstly, Se NPs in polymer capsules induce intracellular generation of ROS, which leads to apoptosis of tumor cells. Secondly, Au NRs triggers a photothermal effect that suppresses the tumor. In addition, Se NPs enhances the heating of Au NRs, which suggests that our combined treatment method allows us to achieve synergistic therapeutic effectiveness.

Thus, in this work we have proved that the combination of Se NPs and Au NRs in the core of polymer capsules allows us to obtain hybrid carriers with promising ROS-mediated and photothermal properties for enhanced combined FTT against melanoma tumor growth. This method has high therapeutic efficacy against melanoma tumors B16-F10 without any significant side effects on healthy organs (heart, lungs, kidneys, liver and spleen). This study expands the scope of application of the Se/Au complex as a highly effective photothermal agent for the development and synthesis of multifunctional drug delivery platforms (i.e. polymer multilayer capsules) and their further use in combined ROS-mediated and photohemal therapy of malignant neoplasms.

The work was carried out with the support of the state task (FSEG-2022-0012).


Докладчик: Митусова К.А.
501
2023-02-15

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists