CC BY
52
© НЕПОМНЯЩАЯ Е.М., КОНОПАЦКОВА О.М., ТЕРЕНТЮК Г.С., МАКСИМОВА И.Л., ГУДЦКОВА Т.Н.
УДК: 615.849.19:577.3
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОРОВ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ГИПЕРТЕРМИИ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ)
Е.М. Непомнящая, О.М. Конопацкова, Г.С. Терентюк, И.Л. Максимова, Т.Н.
Г удцкова
Ростовский научно-исследовательский онкологический институт, директор -академик РАН и РАМН Ю.С. Сидоренко; Саратовский государственный
медицинский университет им. В.И. Разумовского, ректор - чл.-корр. РАМН П.В. Глыбочко; ООО «Первая ветеринарная клиника», директор - д.б.н. Г.С.
Терентюк; Саратовский государственный университет им. Чернышевского, ректор - д. ф.-м. н., проф. Л.Ю. Коссович.
Резюме. Статья представляет результаты изучения влияния лазерного излучения на динамику изменения температуры биоткани «in vivo» и «vitro» в присутствии золотых наночастиц. Анализ результатов показал, что присутствие наночастиц ускоряет повышение температуры под влиянием облучения лазером. Данный эффект наиболее заметно проявляется в первые минуты воздействия.
Ключевые слова: лазерная гипертермия, фототермия, золотые
нанооболочки, наночастица.
Непомнящая Евгения Марковна - д.м.н., проф., руководитель
патологоанатомического отделения Ростовского научно-исследовательского онкологического института; e-mail: [email protected], тел. 8(863)2914811.
Конопацкова Ольга Михайловна - д.м.н., проф. кафедра факультетской хирургии и онкологии Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского; е-mail:
Терентюк Георгий Сергеевич - д.б.н., директор ООО «Первая ветеринарная клиника, г. Саратов.
Термическая терапия злокачественных новообразований в ряде случаев имеет преимущества по сравнению с хирургическим методом: она минимально инвазивна, относительно проста в исполнении, и в перспективе может быть использована для лечения опухолей, резекция которых невозможна. Для гипертермии часто используется лазерное излучение, однако, чтобы достичь опухоли, энергия используемого для гипертермии источника должна проникнуть через здоровые ткани [1, 6]. К сожалению, обычные методики нагрева не обладают достаточной избирательностью между опухолевыми и окружающими здоровыми тканями.
Существенный прогресс в развитии лазерной гипертермии, по данным исследований последних лет, достигнут при использовании поглощающих наночастиц, благодаря возможности настройки спектрального положения и амплитуды плазмонного резонанса за счет изменения природы металла, размера, формы и структуры этих частиц [4, 7].
В опухолевых тканях могут эффективно накапливаться макромолекулы и частицы размерами от 60 до 400 нм. Для фототермической терапии особенно перспективны нанооболочки с пиком поглощения в ближней инфракрасной области, где имеется так называемое окно прозрачности биоткани. Размеры нанооболочек с пиком поглощения в ближней инфракрасной области лежат в указанном диапазоне. Избирательное накопление наночастиц объясняется особенностями сосудов опухоли. В большинстве нормальных тканей проникновение частиц ограничивается беспрерывной эндотелиальной выстилкой сосудов. Многие первичные опухоли и метастазы имеют прерывистую и высокопроницаемую систему сосудов, достаточную для выхода мелких частиц и их пассивного накопления в ткани опухоли. Такое пассивное накопление получило название эффекта увеличенной проницаемости и
задержания (enhanced permeability and retention) [2, 3, 5]. Таким образом, избирательное накопление наночастиц в опухоли является перспективным для фототермической лазерной терапии раковых опухолей.
Материалы и методы
В нашей работе было проведено экспериментальное исследование динамики изменения температуры под воздействием инфракрасного лазерного излучения с использованием золотых нанооболочек в условиях in vitro и in vivo. В настоящем исследовании использованы плазмонно-резонансные золотые наночастицы, изготовленные в лаборатории биосенсоров и наноразмерных структур ИБФРМ РАН.
Исследования in vitro проводили на образцах мышечной ткани собаки объемом 10 см . Инъекционным путем в опытные образцы вводили 0,5 мл суспензии золотых нанооболочек с диаметром кремниевого ядра 100 нм и толщиной золотой оболочки 20 нм. Концентрация частиц составляла 109 шт/мл. В контрольные образцы вводили 0,5 мл воды. Исследуемый (n=10) и контрольный образцы (n=10) облучали полупроводниковым инфракрасным лазером PhotoThera Laser System с длиной волны Х=808 nm. Выходная
мощность лазера в непрерывном режиме составляла 2,5 Вт, диаметр гауссова
2 2 пучка 2 см (по уровню 1/e ), плотность мощности 0,8 Вт/см .
В процессе лазерного облучения проводилось измерение поверхностной температуры. Поверхностная температура не равна истинной температуре нагрева опухоли, однако позволяет оценить ее значение. Температура регистрировалась инфракрасным бесконтактным термометром (пирометром) DT-8811. Пирометр регистрирует излучение в спектральном диапазоне 6-14 мкм, время одного измерения 1 сек. Расстояние от приемного элемента пирометра до исследуемого объекта - 16 см, диаметр площадки, с которой регистрируется инфракрасное излучение, равен 2 см.
Измерения температурной динамики in vivo осуществляли при следующих условиях: 0,5 мл суспензии золотых нанооболочек наливали на поверхность кожи предплечья добровольца и проводили облучение инфракрасным лазером
при тех же параметрах излучателя, что и в исследовании in vitro. Для контрольного эксперимента на поверхность кожи наносили 0,5 мл воды. Эксперимент повторялся по 6 раз на каждом из двух добровольцев.
Полученные данные статистически обрабатывали с использованием t-критерия достоверности Стьюдента. Различия считались статистически достоверными при p<0,05.
Результаты и обсуждение
Динамика изменения температуры образцов в исследовании in vitro представлена на рис. 1.
При исследовании исходная температура образцов была 220С. Температура через 10 минут увеличилась на 200С, причем это значение было одинаковым как при наличии частиц, так и без них. Через 10 минут температурная кривая выходила на насыщение. При длительном непрерывном нагреве устанавливалось тепловое равновесие, когда скорость подвода тепла равна количеству излучаемой нагретым телом энергии в единицу времени.
Различие между исследуемым и контрольным образцами наблюдалось в скорости нагрева. В образце с наночастицами нарастание температуры происходило интенсивнее: через 1 мин - на 60С, через 2 мин - на 120С, через 4 мин - на 150С. В контроле через 4 мин облучения температура образца повысилась всего на 40С, и только затем началось дальнейшее ее устойчивое повышение.
Полученные данные исследований in vivo в опытном и контрольном образце представлены на рис. 2. Начальная температура поверхности кожи составляла около 33°С, так как бесконтактный пирометр регистрирует именно температуру на основе спектрального анализа излучения поверхности объекта, которая для кожи предплечья на 3-4 градуса ниже температуры человеческого тела, измеряемой традиционным ртутным термометром.
Наибольшее повышение температуры в условиях in vivo без частиц наблюдалось через 2,5 мин - на 60С, в дальнейшем температура снизилась, и наблюдалось ее колебание в пределах от 37 до 380С (на 4-50С по сравнению с
исходной). Поверхность кожи с нанесенными наночастицами разогревалась быстрее и достигла больших температурных показателей - около 410С через 3 мин, в связи с чем, опыт из-за опасения перегрева был остановлен. Общее повышение температуры составило почти 7 С.
Сравнивая данные, полученные в исследованиях in vitro и in vivo, следует отметить, что живой объект нагревался в итоге менее интенсивно, чем неживой, что мы относим за счет явлений терморегуляции. За 2-3 минуты происходило ускорение обменных процессов, локальное усиление капиллярного кровотока и данный участок эффективно охлаждался. Однако в обоих исследованиях скорость нагрева локального участка образцов с наночастицами была значительно выше, чем в контрольных, что объясняется эффективным поглощением наночастицами энергии падающего излучения.
Скорость нагрева имеет большое значение для проведения фототермолиза in vivo, учитывая, что указанный временной интервал сопоставим со временем развития соответствующих изменений, обусловленных терморегуляцией организма.
Проведенные исследования свидетельствуют, что присутствие использованных в эксперименте наночастиц при лазерном воздействии значительно ускоряет повышение температуры облучаемого участка, что наиболее существенно проявляется в первые минуты облучения. Полученные результаты позволяют рекомендовать данные наночастицы для дальнейших испытаний с целью использования их для фототермической лазерной терапии раковых опухолей.
Работа поддержана грантами CRDG PG05-006-2 и REC-006. Авторы благодарят Ерохина П.С., Шубочкину Т.Л. и Попова Д.Н. за помощь в проведении эксперимента.
APPLICATION OF TERMO-PHOTOSENSITIZERS IN LASER HYPERTHERMIA (EXPERIMENTAL STUDY)
E.M. Nepomnyashaya, O.M. Konopatskova, G.S. Terentyuk,
I.L. Maximova, T.N. Gudzkova
Rostov Cancer Research Institute, Saratov State Medical University named after V.I.Razumovsky, Society “First Veterinary Clinic”, Saratov State University named
after N.G.Chernyshevsky.
Abstract. We studied the influence of laser radiation on temperature biotissue “in vivo” and “in vitro” in the presence of gold nanoparticles. The analysis showed that presence of nanoparticles accelerates the temperature increase in condition of laser radiation. This affect is more expressed during the first minutes.
Key words: laser hyperthermia, phototernia, gold nanosheaths, nanoparticle.
Литература
1. Chen W.R., Adams R.L., Carubelli R. et al. Laserphotosensitizer assisted immunotherapy: a novel modality for cancer treatment // Cancer Lett. - 1997. - Vol. 115. - P. 25-30.
2. Ishida O., Maruyama K., Sasaki K. et al. Sizedependent extravasation and
interstitial localization of polyethyleneglycol liposomes in solid tumor-bearing mice // Int. J. Pharm. - 1999. - Vol. 190. - P. 49-56.
3. Kong G., Braun R.D., Dewhirst M.W. Hyperthermia enables tumor-specific nanoparticle delivery: effect of particle size // Cancer Res. - 2000. - Vol. 60. - P. 4440-4445.
4. Liao H., Nehl C.L., Hafner J.H. Biomedical applications of plasmon-
resonant nanoparticles // Nanomedicine. - 2006. - Vol. 1. - P. 201-208.
5. Maeda H., The enhanced permeability and retention (EPR) effect in tumor
vasculature: the key role of tumor-selective macromolecular drug targeting // Adv. Enzyme Regul. - 2001. - Vol. 41. - P. 189-207.
6. Philipp C.M., Rohde E., Berlien H.P. Nd:YAG laser procedures in tumor
treatment // Semin. Surg. Oncol. - 1995. - Vol. 11. - P. 290-298.
7. Pitsillides C.M., Joe E.K., Wei X. et al. Selective cell targeting with light-absorbing microparticles and nanoparticles // Biophys. J. - 2003. - Vol. 84. - P. 4023-4032 (2003).
