CC BY
12УДК 544.77+541.18+535.8+616-006.04
ОПТИМИЗАЦИЯ ФОТОТЕРМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ЛАЗЕРНОЙ ГИПЕРТЕРМИИ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ КЛЕТОК С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОКОНЪЮГАТОВ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОЧАСТИЦ С ДНК-АПТАМЕРАМИ*
А. С. Костюков1' 2, С. А. Филимонов1, 3, А. Е. Ершов1, 2 4, В. С. Герасимов2, 4, С. В. Карпов1, 2 5 а
1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 3Институт теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН Российская Федерация, 630090, г. Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 1 4Институт вычислительного моделирования СО РАН, Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44
5Институт физики имени Л. В. Киренского Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38 аЕ-таП: karpov@iph.krasn.ru
Изучение влияния высокой радиационной нагрузки на организм человека в условиях космического полета является важным направлением онкологии и космической медицины. В работе исследуются особенности импульсной лазерной гипертермии злокачественных клеток с помощью многослойных плазмонных наночастиц.
Ключевые слова: плазмонная фототермическая терапия, многослойные наночастицы.
OPTIMIZATION OF PHOTOTHERMAL METHODS OF HYPERTHERMIA OF MALIGNANT CELLS USING NANOPARTICLE CORE-SHELL BIOCONJUGATES WITH DNA APTAMERS
A. S. Kostyukov1 2, S. A. Filimonov1 3, A. E. Ershov1 2 4, V. S. Gerasimov2 4, S. V. Karpov1 2 5 а
1 Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 3Kutateladze Institute of Thermophysics 1, Lavrentiev Av., Novosibirsk, 630090, Russian Federation 4Institute of Computational Modelling, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 50/44, Аkademgorodok' Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation
5L. V. Kirensky Institute of Physics 50/38, Аkademgorodok' Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation ""E-mail: karpov@iph.krasn.ru
Effect of corpuscular radiation on a human organism during space flight is an important area of oncology and space medicine. Peculiarities of pulsed laser hyperthermia of malignant cells are studied using multilayer plasmonic nanoparticles.
Keywords: plasmonic photothermal therapy, multilayered core-shell nanoparticles.
Конъюгаты плазмонных наночастиц с биомакромолекулами относятся к числу важнейших объектов в области биомедицины и биотехнологий [1].
Биологические комплексы на основе плазмонных наночастиц могут применяться для диагностики, терапии, визуализации и мониторинга процесса лечения злокачественных новообразований. Эти направления относятся в том числе и к космической медицине.
К числу перспективных подходов решения этих задач относится технология термического избирательного воздействия лазерным излучением на злокачественную опухоль (плазмонно-резонансная фототермическая терапии [2]). Данный метод, обладая высокой избирательностью воздействия на организм, вызывает локальный перегрев мембраны злокачественных клеток в месте расположения поглощающей наночастицы, не затрагивая здоровую ткань.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, Госзадание для Сибирского федерального университета для выполнения научных исследований в 2017-2019 гг.
Решетневскуе чтения. 2018
б
Эффективность поглощения (а) и повреждающий фактор (в логарифмическом масштабе) (б) двухслойных наночастиц
Для применения всех этих методов важен выбор длины волны излучения, которая совпадает как с полосой минимального поглощения гемоглобина, что позволяет излучению проникать на наибольшую глубину, так и с полосой плазмонного поглощения нано-частиц. Однородные металлические сферические на-ночастицы обладают существенным недостатком, связанным с тем, что максимум поглощения (плаз-монный резонанс) таких частиц лежит вне области прозрачности биологических тканей. Одним из решений этой проблемы является использование многослойных наночастиц с диэлектрическим ядром, покрытым золотой оболочкой [3]. При использовании импульсного лазерного излучения пикосекундной длительности в реальной среде в ближайшем окружении поглощающей частицы возникают высокоградиентные тепловые поля, при этом параметры частицы, обладающей наибольшим оптическим поглощением, и частицы, приводящей к наиболее эффективному повреждению мембраны злокачественной клетки, могут сильно отличаться. В рамках данного исследования была разработана модель и компьютерная программа, позволяющая рассчитать эффективность воздействия нагрева частицы на мембрану клетки. В модели учитываются оптические свойства многослойных плазмонно-резонансных наночастиц, нагрев частиц лазерным излучением, теплообмен между частицей и окружающей средой. Для расчетов оптического поглощения использовалась теория Ми для многослойных частиц [4; 5]. Описание тепловых процессов в системе основано на решении нестационарного уравнения теплопроводности методом контрольных объемов [6].
Дискретизация расчетной области выполнялась на полиэдральной неструктурированной сетке. На пикосекундных импульсах большую роль начинает играть теплообмен между ионной и электронной компонентами. Он также учитывается в разработанной модели.
Процесс термического повреждения клеточной мембраны связан с процессом разрушения входящих в нее липидов в окружающей водной электролитиче-
ской среде и конформационными переходами белков мембраны [7]. Данный процесс характеризуется повреждающим фактором - вероятностью разрушения мембраны.
В ходе исследования были выполнены расчеты спектров поглощения и повреждающих факторов для двухслойных частиц, состоящих из ядра, состоящего из AZO (оксида цинка, допированного алюминием), и равномерно покрывающей его золотой оболочки. Длина волны излучения различна для каждой частицы. Она лежит в диапазоне 700-800 нм, что соответствует перестраиваемой длине волны александрито-вого лазера, и рассчитывается, исходя из условия максимального поглощения. Длительность импульса составила 70 пс. Изменяемыми параметрами являются полный диаметр частицы dshell и диаметр внутреннего ядра dCore.
Градиентным распределением (на рисунке, а) обозначена эффективность поглощения Qa, а (на рисунке, б) - повреждающий фактор
В результате выполнения работы было установлено, что в задачах лазерной гипертермии злокачественных клеток с учетом теплопереноса от частицы к мембране клетки, максимальный эффект повреждения мембраны достигается с использованием частиц меньшего размера по сравнению с максимально поглощающими частицами.
Следовательно, при выборе наночастиц для лазерной гипертермии злокачественных клеток необходимо учитывать не только оптическое поглощение используемых наночастиц и окружающей среды, но и высокоградиентные температурные поля вблизи частицы, возникающие при её облучении лазерными импульсами пикосекундной длительности.
References
1. Khlebtsov N. G. Optics and biophotonics of nanoparticles with a plasmon resonance // Quantum Electronics, 2008. Vol. 38, No. 6. P. 504-529.
2. Plasmonic photothermal therapy (PPTT) using gold nanoparticles / X. Huang, P. K. Jain, I. H. El-Sayed et al.
а
// Lasers in Medical Science, 2008. Vol. 23, No. 3. P. 217-228.
3. Nanoshell-mediated near-infrared thermal therapy of tumors under magnetic resonance guidance / L. R. Hirsch, R. J. Stafford, J. A. Bankson et al. // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2003. Vol. 100, No. 23. P. 13549-13554.
4. Wu Z. S., Wang Y. P. Electromagnetic scattering for multilayered sphere: Recursive algorithms // Radio Science, 1991. Vol. 26, No. 6. P. 1393-1401.
5. Bohren C. F., Huffman D. R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles // Weinheim, Germany, Wiley-VCH Verlag GmbH, 1998. 530 p.
6. Patankar S. V. Numerical heat transfer and fluid flow // Hemisphere Pub. Corp., 1980. 197 p.
7. Biophysical Mechanisms of Cell Membrane Damage in Electrical Shock / Raphael Lee, John Aarsvold, Wei Chen et al. // Seminars in Neurology, 1995. Vol. 15, No. 4. P. 367-374.
© Костюков А. С., Филимонов С. А., Ершов А. Е., Герасимов В. С., Карпов С. В., 2018
