Все более актуальным становится возрастающий интерес к повышению терапевтической эффективности протонной лучевой терапии. Протонная терапия является хорошо зарекомендовавшим себя методом лучевой терапии для лечения различных видов рака и других заболеваний. Многочисленные исследования показали увеличение частоты гибели клеток вдоль протонной кривой Брэгга, что объясняется величиной относительной биологической эффективности (ОБЭ), по сравнению со стандартной фотонной лучевой терапией. Вариабельность ОБЭ протонов зависит от изменения линейной передачи энергии (ЛПЭ). [1] Многообещающая способность наночастиц различных материалов в качестве эффективных радиосенсибилизаторов для локального увеличения дозы опухоли активно изучается различными исследовательскими группами. Наночастицы с элементами с высоким атомным номером рассматриваются как стратегия улучшения нацеливания на опухоли и повышения эффективности лучевой терапии пучками протонов и ионов [2] за счет локализованного увеличение дозы облучения в ткани, заполненной такими наночастицами, по сравнению с нормальной тканью без них. Заряженные частицы могут активировать наночастицы, и образовывать радикалы при взаимодействии электронов, испускаемых наночастицами. Кластеры испускаемых электронов и активных форм кислорода могут приводить к комплексным повреждениям и усиливать гибель клеток. В качестве таких нанодисперсных радиосенсибилизаторов могут выступать соединения висмута.



Относительно низкая токсичность соединений висмута позволяет использовать их в медицинских целях. Так, в лучевой терапии до настоящего времени субцитрат висмута использовался для лечения желудочно-кишечных заболеваний в клинических условиях [3]. Кроме того, висмут с высоким атомным номером используется для рентгеновской компьютерной томографии (КТ) из-за его большого коэффициента ослабления рентгеновского излучения (висмут: 5,74 кэВ) [4]. Мы синтезировали наноформуляции оксида висмута, с последующим покрытием их плюроником. После, было произведено исследование цитотоксических и радиосенсибилизирующих свойств, синтезированных наночастиц с помощью методов МТТ-теста и клоногенного анализа. Исследования проводились на клеточных культурах фибробластов мыши линии L929, которым добавлялись навески наноформуляций оксида висмута, покрытые плюроником. Итоговые концентрации наноформуляций составляли 1, 10, 25 и 50 мкг/мл, после было произведено разделение на не облученные группы и группы клеток, облученные пучком протонов в пике Брегга в дозах 1.5, 3 и 5 Гр.

По результатам исследования с помощью метода МТТ-тест была показано, что наночастицы оксида висмута, покрытые плюроником, не проявляли токсического эффекта без облучения даже при максимальной концентрации (50 мкг/мл). В облученных группах уже при концентрации 1 мкг/мл (Р <0,0001****) было выявлено резкое концентрационно-зависимое снижение метаболической активности клеток. Максимум эффекта радиосенсибилизации наночастиц оксида висмута, покрытые плюроником проявлялся при концентрации 50 мкг/мл после облучения пучком протонов в дозе 5 Гр. Стоит отметить, что значения оптической плотности формазана не достигли значения летальной дозы 50 % (ЛД50) и максимум эффекта радиосенсибилизации лежал в пределах ~ 35 %.

Результаты параллельного исследования с помощью анализа клоногенной активности клеток выявил, что наночасицы оксида висмута, покрытые плюроником при концентрации 50 мкг/мл вызывали снижение клоногенной активности клеток в 1,74 раза по сравнению с контрольной группой. В то же время после облучения клеток L929 в дозе 5 Гр, предварительно инкубируемых с наночастицами при концентрации 50 мкг/мл, было выявлено полное прекращение пролиферативной активности клеток.



Таким образом, синтезированные наночастицы оксида висмута, покрытых плюроником можно рассматривать в качестве перспективного нанодисперсного радиосенсибилизатора для радиотерапевтических целей.



Работа выполнена в рамках соглашения с Минобрнауки о предоставлении из федерального бюджета гранта в форме субсидии от 05.10.2021 г. № 075-15-2021-1347 (внутренний номер 15.СИН.21.0017).



Список литературы:

1. Held K., Kawamura H., Kaminuma T., et al. Effects of charged particles on human tumor cells // Frontiers in Oncology– 2016. – Vol.6, No.23.

2. Lacombe S., Porcel E., Scifoni E. Particle therapy and nanomedicine: state of art and research perspectives // Cancer Nanotechnology- 2017.- Vol. 8. - P.-9

3. Nosrati H. et al. Tumor targeted albumin coated bismuth sulfide nanoparticles (Bi2S3) as radiosensitizers and carriers of curcumin for enhanced chemoradiation therapy //ACS Biomaterials Science & Engineering. – 2019. – Т. 5. – №. 9. – С. 4416-4424

4. Wei, B.; Zhang, X.; Zhang, C.; Jiang, Y.; Fu, Y.-Y.; Yu, C.; Sun, S.-K.; Yan, X.-P. Facile synthesis of uniform-sized bismuth nanoparticles for CT visualization of gastrointestinal tract in vivo. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8 (20), 12720−12726.

Increasing interest in increasing the therapeutic efficacy of proton beam therapy is becoming increasingly relevant. Proton therapy is a well-established method of radiation therapy for the treatment of various types of cancer and other diseases. Numerous studies have shown an increase in the frequency of cell death along the proton Bragg curve, which is explained by the value of relative biological effectiveness (RBE), compared with standard photon beam therapy. The variability of the RBE of protons depends on the change in linear energy transfer (LET). [1] The promising ability of nanoparticles of various materials as effective radiosensitizers for local increase in tumor dose is being actively studied by various research groups. Nanoparticles with elements with high atomic number are considered as a strategy for improving tumor targeting and increasing the effectiveness of radiation therapy with proton and ion beams [2] due to a localized increase in the radiation dose in tissue filled with such nanoparticles compared to normal tissue without them. Charged particles can activate nanoparticles, and form radicals by the interaction of electrons emitted by nanoparticles. Clusters of emitted electrons and reactive oxygen species can lead to complex damage and enhance cell death. Bismuth compounds can serve as such nanosized radiosensitizers.



The relatively low toxicity of bismuth compounds allows them to be used for medical purposes. Thus, in radiation therapy, bismuth subcitrate has been used to date for the treatment of gastrointestinal diseases in clinical settings [3]. In addition, high atomic number bismuth is used for X-ray computed tomography (CT) due to its large X-ray attenuation coefficient (bismuth: 5.74 keV) [4]. We synthesized nanoformulations of bismuth oxide, followed by coating them with pluronic. After, a study was made of the cytotoxic and radiosensitizing properties of the synthesized nanoparticles using the methods of the MTT test and clonogenic analysis. The studies were carried out on cell cultures of mouse fibroblast line L929, which were supplemented with weighed portions of bismuth oxide nanoformulations coated with Pluronic. The final concentrations of nanoformulations were 1, 10, 25, and 50 μg/mL; after that, they were divided into non-irradiated groups and groups of cells irradiated with a proton beam in the Bragg peak at doses of 1.5, 3, and 5 Gy.

According to the results of the study using the MTT test method, it was shown that bismuth oxide nanoparticles coated with pluronic did not show a toxic effect without irradiation even at the maximum concentration (50 μg/ml). In the irradiated groups, already at a concentration of 1 μg/ml (P <0.0001****), a sharp concentration-dependent decrease in the metabolic activity of cells was revealed. The maximum effect of radiosensitization of bismuth oxide nanoparticles coated with pluronic manifested itself at a concentration of 50 µg/mL after irradiation with a proton beam at a dose of 5 Gy. It should be noted that the optical density of formazan did not reach the lethal dose of 50% (LD50) and the maximum effect of radiosensitization was within ~ 35%.

The results of a parallel study using the analysis of clonogenic activity of cells revealed that bismuth oxide nanoparticles coated with pluronic at a concentration of 50 μg/ml caused a decrease in clonogenic activity of cells by 1.74 times compared with the control group. At the same time, after irradiation of L929 cells at a dose of 5 Gy, pre-incubated with nanoparticles at a concentration of 50 μg/ml, a complete cessation of cell proliferative activity was revealed.



Thus, the synthesized pluronic-coated bismuth oxide nanoparticles can be considered as a promising nanodispersed radiosensitizer for radiotherapeutic purposes.



The work was performed under an agreement with the Ministry of Education and Science on the provision of a grant from the federal budget in the form of a subsidy dated October 05, 2021, No. 075-15-2021-1347 (internal number 15.SIN.21.0017).



Bibliography:

1. Held K., Kawamura H., Kaminuma T., et al. Effects of charged particles on human tumor cells // Frontiers in Oncology– 2016. – Vol.6, No.23.

2. Lacombe S., Porcel E., Scifoni E. Particle therapy and nanomedicine: state of art and research perspectives // Cancer Nanotechnology- 2017.- Vol. 8. - P.-9

3. Nosrati H. et al. Tumor targeted albumin coated bismuth sulfide nanoparticles (Bi2S3) as radiosensitizers and carriers of curcumin for enhanced chemoradiation therapy //ACS Biomaterials Science & Engineering. – 2019. – Т. 5. – №. 9. – С. 4416-4424

4. Wei, B.; Zhang, X.; Zhang, C.; Jiang, Y.; Fu, Y.-Y.; Yu, C.; Sun, S.-K.; Yan, X.-P. Facile synthesis of uniform-sized bismuth nanoparticles for CT visualization of gastrointestinal tract in vivo. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8 (20), 12720−12726.