CC BY
3_ _ SSSBSSSSS ФИЗИКА БИОТОГИЧЕСКИХ И МЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
-ПРОХОРОвОСИЕ НЕДЕЛИ-
Исследование локального внутриклеточного нагрева наночастиц оксида железа при лазерном облучении
Маркова И.В.1, Поминова Д.В.1'2, Романишкин И.Д.2
1-Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Москва 2- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва
Е-mail: 12. inessa.markova@gmail. com
DOI: 10.24412/cl-35673-2023-1-174-176
Наночастицы (НЧ) оксида железа перспективны для диагностики и терапии: их можно покрывать фотосенсибилизатором для фотодинамической терапии, лазерный или магнитный нагрев НЧ можно использовать для контролируемого высвобождения лекарств или фототерапии. Локальная температура, индуцируемая вблизи поверхности НЧ, является критическим параметром в аспекте биологических процессов, контролируемых биологической активностью белков, в том числе ферментов, поскольку от нее зависит, какой механизм клеточной гибели будет индуцирован в результате нагрева НЧ. Измерение температуры клеточных органелл, содержащих НЧ, при лазерном нагреве представляет собой сложную задачу. Решить ее можно при помощи флуоресцентных нанотермометров благодаря таким преимуществам, как быстрый временной отклик, высокая тепловая чувствительность и пространственное разрешение, фотостабильность, простота управления и возможность бесконтактного мониторинга температуры.
В данной работе проведено экспериментальное исследование «горячих точек», возникающих в ансамблях НЧ оксида железа разного размера и формы при лазерном воздействии, с оценкой распределения тепла по объему клетки методом флуоресцентной термометрии по времени жизни родамина С (RhB). При помощи конфокальной микроскопии были изучены процессы проявления митохондриального стресса, сохранение целостности лизосом, генерация активных форм кислорода (АФК) в ответ на лазерное облучение клеток, накопивших НЧ оксида железа. Для интерпретации полученных экспериментальных данных проведено численное моделирование сечений рассеяния и поглощения исследуемых НЧ оксида железа и их ансамблей, а также усиления электромагнитного (ЭМ) поля вблизи их поверхности и нагрева при взаимодействии с возбуждающим
ШКОЛ А-КОНФЕРЕНЦИЯ
МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
L -ПРОХОРОвСКИЕ НЕДЕЛИ-
24-26 октября 2023 г.
электромагнитным излучением с использованием метода конечных разностей во временной области [1, 2].
В зависимости от формы НЧ оксида железа и их положения в пространстве наблюдается существенное изменение пространственного распределения ЭМ поля вблизи поверхности НЧ. Локальный нагрев НЧ в ансамбле достигает достаточно высоких значений; относительное изменение составляет около 35 °С для НЧ Fe2Oз. Тем не менее, все исследованные водные коллоиды НЧ показали нагрев не более чем на 10 °С. Температура нагрева ансамбля зависит от теплопроводности среды, от которой зависит тепловыделение. При помещении НЧ в среду с более высокой теплопроводностью (например, воду) происходит эффективный теплообмен со средой и температура нагрева ансамбля не достигает высоких значений. Иначе обстоит дело, когда НЧ оксида железа находятся внутри клетки в лизосомах — обладающих меньшей теплопроводностью [2].
Fluorescence lifetime [ns]
Рис. 1. Распределение времен жизни флуоресценции RhB внутри клеток при нагреве термостата (серые точки) и аппроксимация температурной зависимостью для «горячих точек» в клетках с НЧ
оксида железа при лазерном воздействии. Пунктирная линия и заштрихованная область соответствуют зависимости температура-время жизни флуоресценции RhB с доверительным интервалом 95 %.
При захвате НЧ внутри клетки в лизосомы, вокруг скопления НЧ могут возникать так называемые «горячие точки» с температурой более 100 °С. Их распределение определяет тепловую реакцию всего
А. KSSSSSEK ФИЗИКА БИОТОГИЧЕСКИХ И МЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
"ПРОХОРОвОСИЕ НЕДЕЛИ-
биообразца. Такие «горячие точки» приводят к тяжелому клеточному стрессу и могут использоваться для клеточной фототерапии. На рис. 1 представлены результаты оценки температуры на поверхности НЧ оксида железа в клетках.
Таким образом, показано, что локальный нагрев НЧ в ансамбле может достигать достаточно высоких значений для повреждения клеток [2].
Авторы выражают благодарность научному руководителю, к.ф.- м.н. Рябовой А.В. за постановку научной задачи, помощь в измерениях и обсуждение результатов. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, грант № 21-52-12030 ННИО_а.
1. Поминова Д.В., Романишкин И.Д., Плотникова Е.А. и др. Biomedical Photonics. 2021. 10(4). 23-34.
2. Ryabova A.V., Pominova D.V., Markova I.V., et al. Photonics. 2023. 10(7). 705.
