CC BY
90
Чащин Г.В., Пономарев В.О., Носов С.В., Барыбин А.С.,
Малов И.А., Вакштейн М.С.*, Дежуров С.В.*
Екатеринбургский филиал ФГУ МНТК «Микрохирургия глаза», им. акад. С.Н. Федорова
Росмедтехнологии, г. Екатеринбург *ООО «НТИЦ «Нанотех-Дубна», г Дубна E-mail- cgv@eyeclinic.ru
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ФЛУОРОФОРОВ (КВАНТОВЫХ ТОЧЕК) В ОФТАЛЬМОЛОГИИ
Предлагается использование искусственных флуорофоров для квантовой нанохирургии сетчатки, например для лечения дистрофических заболеваний сетчатки глаза путем стимуляции фоторецепторов.
Ключевые слова: офтальмология, квантовые точки.
Актуальность
Квантовые точки (КТ) - полупроводниковые кристаллы размером несколько нанометров, которые из-за малого размера обладают свойствами, отличными от объемных полупроводников. Пространственное ограничение движения носителей заряда приводит к квантово-размерному эффекту, выражающемуся в дискретной структуре электронных уровней, из-за чего КТ иногда называют «искусственными атомами»
[1.2]. Под воздействием светового излучения КТ могут поглощать световые волны, перемещая электроны на более высокий энергетический уровень, и испускать свет при переходе электронов обратно на низкий энергетический уровень.
Высокочувствительные биомаркеры, разработанные на их основе, представляют альтернативу широко известным органическим красителям для диагностики заболеваний глаз
[1.3]. К преимуществам флуоресцирующих нанокристаллов можно отнести многообразие и чистоту возможных цветов, а также высокую яркость их свечения, которая позволяет проводить сверхчувствительное детектирование, в некоторых случаях на уровне единичных молекул. Квантовые точки характеризуются высоким квантовым выходом флуоресценции (до 90%) уникальной для флуорофоров чистотой цвета (полуширина пика флуоресценции 15-30 нм), устойчивостью к фотообесцвечиванию (на 2-3 порядка выше, чем у органических флуорофоров) и уникальным спектром поглощения. Сечение поглощения возбуждающего света квантовыми точками на несколько порядков выше, чем у органических красителей. Поэтому, при витреоретинальных вмешательствах введение в витреальную полость коллоидного ра-
створа, содержащего КТ [4], позволяет отчетливо визуализировать стекловидное тело, внутреннюю пограничную мембрану, эпиретиналь-ные мембраны и др.
В офтальмологии КТ используются не только для визуализации тканей в полости глаза. Например, получен новый пептид [5] со свойствами трансдукции белка для доставки лекарственных препаратов к тканям глаза, включая сетчатку и роговицу, который, соединяясь с квантовыми точками, существенно легче проникает через клеточные мембраны и повышает эффективность действия этих препаратов.
При некоторых видах тяжелой витреоре-тинальной патологии органа зрения, биоконъюгат на основе квантовой точки (КТ), соединенный за счет химических и координационных связей с еще не на фоне какой-либо патологии фоторецепторами сетчатки глаза, представляет собой уникальный усилитель зрения. Фотон света, попавший на КТ безызлучательно возбуждает физиологический процесс фототранс-дукции, т.е. формирования нервного импульса путем преобразования энергии света в электрический сигнал и передачу этого импульса в соответствующие центры мозга, вызывая определенные зрительные ассоциации.
Цель
Теоретически обосновать выбор типа и характеристик КТ и способа их размещения в полости глаза для стимуляции фоторецепторов сетчатки.
Материалы и методы
Физической основой послужил открытый более полувека назад ферстеровский резонанс-
ный перенос энергии - FRET-эффект (Fluorescence Resonant Energy Transfer), объясняющий механизм взаимодействия между флуо-рофорами. В последнее время интерес к нему резко возрос из-за появления полупроводниковых нанокристаллов - КТ [6, 7]. При FRET-эффекте (Рис.1) энергия, поглощенная донором (Д), которым является КТ, безызлучательно переносится на акцептор (А) - фоторецептор. Для этого спектры поглощения акцептора и донора должны перекрываться, а также акцептор и донор должны быть как можно больше сближены между собой. В противном случае эффективность FRET резко убывает. При соблюдении этих условий развивается интенсивная флуоресценция между донором и акцептором.
Для осуществления экспериментов на моделях родопсина и на изолированных глазах животных нами предварительно была предпринята попытка теоретически обосновать выбор типа и характеристик КТ и способа их размещения в полости глаза для стимуляции фоторецепторов сетчатки.
Результаты
С использованием подходов теории Г. Ми нами исследована зависимость сечения экстин-кции КТ, состоящих из ядра и однослойной (двухслойной) оболочки, от размерного ряда КТ и типа окружающей матрицы в видимом диапазоне спектра. Установлены зависимости ширины пиков флюоресценции в механизме FRET, положения пиков резонансного поглощения от геометрических размеров ядра, оболочек КТ и диэлектрической проницаемости окружающей среды. Исследование было проведено с новым типом КТ на основе фосфида индия, которые имеют относительно меньший квантовый выход флуоресценции и низкую химическую токсичность по сравнению с традиционно известных КТ на основе тяжелых металлов. Уникальные для офтальмологии КТ синтезированы в научно-технологическом и испытательном центре «Нанотех-Дубна», г. Дубна. Эти КТ покрыты гидрофильной кремнийорганической оболочкой, которая выполняет защитную функцию и обеспечивает диспергируемость наночастиц в водной среде. Кроме того, функциональность поверхности КТ дает возможность их конъюгации с биомолекулами фоторецепторов. Максимум флуоресценции КТ лежит в изумрудно- зе-
леной области спектра на 520-530 нм, что практически соответствует спектру поглощения молекул родопсина дисков наружных сегментов фоторецепторов сетчатки.
Важным вопросом исследования явилась возможность стерилизации и проверка на токсичность коллоидного раствора КТ. Также, на специальном стенде будет проведено экспериментальное исследование возможности управления вектором перемещения КТ в неоднородном магнитном и электрическом поле.
Расчеты, проведенные с помощью пакета Maple показали, что для возникновения фер-стеровского резонансного переноса энергии, квантовая точка, как донор, должна помещаться на расстоянии (так называемый ферстеровс-кий радиус переноса энергии) не более 22 нм от фоторецептора, который является акцептором. Как варианты мы рассматриваем присоединение КТ к наружному сегменту фоторецептора или к микровилам пигментного эпителия.
В остром эксперименте на модели отслойки сетчатки (Рис.2) планируется ввести коллоидный раствор КТ в полость между пигментным эпителием и слоем фоторецепторов до наружной пограничной мембраны. Простым прижатием или за счет циркляжа восстановить последствия отслойки сетчатки, т.е. совместить пигментный эпителий со слоем фоторецепторов. После этого проводится фотостимуляция и регистрируются электрические ответы в виде потенциалов электроретинограммы.
hv (X,) hv (Х2)
Рисунок 2. Схема прикрепления квантовых точек к фоторецепторам на модели отслойки сетчатки
Доказательством эффективности введения КТ послужит усиление электрических ответов от сетчатки глаза. Джеффри Олсеном [8] в аналогичном исследовании было установлено, что крысы, которым были введены КТ в сетчатку глаза, показали более высокую электрическую активность в сетчатке, чем те, которые получили инъекции солевого раствора, или вообще не подвергались никакому воздействию.
Заключение
Таким образом, идея стимулирования электрической активности глаза за счет введения КТ прямо в сетчатку может послужить реальной альтернативой бионическому глазу, подразумевающему установку кремниевого чипа, чтобы электрически стимулировать нервы сетчатки, что требует экспериментального подтверждения.
----------------------------- 12.10.2011
Список литературы:
1. Казайкин В.Н., Ремпель А.А., Разводов А.А., Кожевникова Н.С., Чащин Г.В. Возможности визуализации нанообъектов в витреоретинальной хирургии (предварительное сообщение) //Материалы XV научно-практической конференции офтальмологов, Екатеринбург,2008, С.41-43.
2. Brus L.E. // J. Phys. Chem.; - 1986. - № 90. - Р. 2555-2560.
3. Smith AM, Duan H, Mohs AM, Nie S. Bioconjugated quantum dots for in vivo molecular and cellular imaging // Adv Drug Deliv Rev. 2008.- V.17.- №11. P.1226-1240.
4. Yamamoto S., Manabe N., Fujioka K., Hoshino A., Yamamoto K. Visualizing Vitreous Using Quantum Dots as Imaging Agents // IEEE Trans. NanoBioscience // 2007. - V.6. - №.1. - P. 94-98.
5. Johnson L.N., Cashman S.M., Kumar-Singh R. Cell-penetrating Peptide for Enhanced Delivery of Nucleic Acids and Drugs to Ocular Tissues Including Retina and Cornea // Mol. Ther. 2008. - V.16. - №1. - P. 107-114.
6. Igor L.Medintz and Hedi Mattoussi, «Quantum dot-based resonance energy transfer and its growing application in biology», Phys.Chem.Chem.Phys., 2009, 11, P. 17-45.
7. Ronit Freeman, Yang Li, Ran Tel-Vered, Etery Sharon, Johann Elbaz and Itamar Willner, «Self-assembly of supramolecular aptamer structures for optical or electrochemical sensing», Analyst, 2009, 134, -P. 653-656.
8. Olson, J., (US patent), wo/2008/106605, «Method for stimulating retinal response using photoactive devices».
UDC 617.7-001.15
Chashchin G.V., Ponomarev V.O., Nosov S.V., Barybin A.S., Malov I.A., Vakshteyn M.S., Dezhurov S.V. PERSPECTIVES OF ARTIFICIAL FLUOROFORES (QUANTUM DOTS) IN OPHTHALMOLOGY
Use of artificial fluorofores for quantum nanosurgery of the retina, for example for treatment of dystrophic diseases of retina by stimulation of photoreceptors is offered.
Key words: ophthalmology, quantum dots.
Bibliography:
1. Kazaykin V.N., Rempel A.A., Razvodov A.A., Kozhevnikova N.S., Chashchin G.V. Possibilities of visualization of nanoobjects in vitreoretinal surgery (provisional report)//Materials of XV research and practice conference of ophthalmologists, Ekaterinburg, 2008, P41-43.
2. Brus L.E. // J. Phys. Chem.; - 1986. - № 90. - Р. 2555-2560.
3. Smith AM, Duan H, Mohs AM, Nie S. Bioconjugated quantum dots for in vivo molecular and cellular imaging // Adv Drug Deliv Rev. 2008.- V.17.- №11. P.1226-1240.
4. Yamamoto S., Manabe N., Fujioka K., Hoshino A., Yamamoto K. Visualizing Vitreous Using Quantum Dots as Imaging Agents // IEEE Trans. NanoBioscience // 2007. - V.6. - №.1. - P. 94-98.
5. Johnson L.N., Cashman S.M., Kumar-Singh R. Cell-penetrating Peptide for Enhanced Delivery of Nucleic Acids and Drugs to Ocular Tissues Including Retina and Cornea // Mol. Ther. 2008. - V.16. - №1. - P 107-114.
6. Igor L.Medintz and Hedi Mattoussi, «Quantum dot-based resonance energy transfer and its growing application in biology», Phys.Chem.Chem.Phys., 2009, 11, P. 17-45.
7. Ronit Freeman, Yang Li, Ran Tel-Vered, Etery Sharon, Johann Elbaz and Itamar Willner, «Self-assembly of supramolecular aptamer structures for optical or electrochemical sensing», Analyst, 2009, 134, -P 653-656.
8. Olson, J., (US patent), wo/2008/106605, «Method for stimulating retinal response using photoactive devices».
