ВИЗУАЛИЗАЦИЯ СИЛЬНОРАССЕИВАЮЩИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД В КОРОТКОВОЛНОВОМ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ ПРИ ПОМОЩИ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ, ЛЕГИРОВАННЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ИОНАМИ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВО-2021- МЕДИЦИНСКАЯ ФОТОНИКА И АГРОФОТОНИКА

DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-243-244

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ СИЛЬНОРАССЕИВАЮЩИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД В КОРОТКОВОЛНОВОМ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ ПРИ ПОМОЩИ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ, ЛЕГИРОВАННЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ИОНАМИ

12* 1 1 12 12 Поминова Д.В. ' , Пройдакова В.Ю. , Романишкин И.Д. , Грачев П.В. ' , Рябова А.В. '

'Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, г. Москва

2НИЯУМИФИ, г. Москва E-mail: pominovadv@gmail.com

В аспекте развития ранней медицинской диагностики наиболее перспективно использовать люминесцентные методы, так как они неинвазивны, безопасны для пациентов, а также обладают рекордной чувствительностью (вплоть до уровня отдельных клеток) [1-3]. Однако, применение люминесцентных методов ограничено глубиной проникновения излучения в биологические ткани. В связи с этим, важной задачей в области люминесцентной диагностики по-прежнему остается повышение глубины и качества визуализации сильнорассеивающих биологических сред.

Недавние исследования показали, что за счет низкого рассеяния в коротковолновой инфракрасной области (КВИК, 1100 - 2000 нм, так называемые второе, 1100 - 1350 нм, и третье, 1600-1870 нм, окна прозрачности биологических тканей) можно значительно повысить глубину и чувствительность люминесцентной визуализации, а также получать люминесцентные изображения с превосходным контрастом и рекордно высоким соотношением сигнал/шум [4, 5]. Внедрение люминесцентной визуализации в КВИК диапазоне в клиническую практику затрудняется тем, что достаточно мало веществ обладают полосами поглощения и люминесценции в данном диапазоне, а их квантовая эффективность сравнительно низкая.

В рамках данной работы в качестве люминесцентных маркеров КВИК диапазона были исследованы наночастицы NaGdF4, легированные редкоземельными ионами (РЗИ). Наночастицы были синтезированы сольвотермальным методом в олеиновой кислоте [6]. Дополнительно осуществлялось покрытие наночастиц инертной оболочкой NaYF4 для предотвращения тушения люминесценции. Была исследована глубина биовизуализации при помощи наночастиц, легированных РЗИ, в КВИК диапазоне и проведено сравнение с глубиной визуализации в красном (люминесценция Er) и ближнем инфракрасном (люминесценция Tm ) диапазонах. Экспериментальные исследования проводились на фантомах биотканей, имитирующих их рассеивающие и поглощающие свойства, а также накопление исследуемых люминофоров. Для моделирования рассеивающих свойств биологических тканей был использован раствор жировой эмульсии Липофундин®, для моделирования поглощающих свойств - эритроцитарная масса. Наночастицы помещались на разную глубину в толще фантомов, при помощи оптоволоконных спектрометров ЛЭСА-01 (Биоспек, Россия) и DWARF-Star (StellarNet, США) измерялись спектры люминесценции в видимом и ближнем инфракрасном, а также КВИК диапазонах соответственно. Использовалось непрерывное и импульсно периодическое возбуждение. Полосы люминесценции РЗИ ионов Er , Tm и Ho в КВИК диапазоне были использованы как для биовизуализации, так и для бесконтактной термометрии по отношению интенсивностей люминесценции нескольких ионов за счет температурной зависимости вероятности нерезонансной фонон-опосредованной передачи энергии [7]. Такой подход позволяет проводить оценку температуры биологических тканей не только на поверхности, но и в толще.

Было показано, что при использовании красной люминесценции ионов Er3+ удается уверенно детектировать люминесцентный сигнал для глубины до 6 мм. Использование импульсно-периодического возбуждения позволяет повысить глубину зондирования до 12 мм. Использование полос люминесценции РЗИ в КВИК диапазоне позволяет увеличить глубину зондирования в 1.5 раза, при этом интенсивность сигнала остается достаточной для детектирования температуры спектроскопичекими методами.

Таким образом, использование наночастиц, легированных РЗИ позволяет повысить качество и глубину оптической визуализации сильнорассеивающих биологических сред. Бесконтакное определение температуры позволяет проводить мониторинг физиологических изменений, которые связаны с гиперметаболизмом и гиперваскуляризацией и создают источник тепла с более высокой

ВКВО-2019- МЕДИЦИНСКАЯ ФОТОНИКА И АГРОФОТОНИКА

температурой. Использование бесконтактной термометрии по люминесценции РЗИ позволит дополнительно получать информацию о функциональном состоянии исследуемых биотканей. Увеличение глубины зондирования и получение дополнительной информации о физиологических изменениях, происходящих в биотканях при развитии различных патологий имеет большую фундаментальную значимость в аспекте исследования процессов прогрессии как онкологических, так и других заболеваний (например, сердечно-сосудистых заболеваний, диабета и сопутствующих патологий).

Работа выполнена в рамках государственного задания на фундаментальные научные исследования государственных академий наук на 2013-2021 годы (тема «Физические методы в медицине и биологии» № 0024-2019-0003).

Литература

1. Santos H.D. A., et al, Adv. Funct. Mater. 28, 1803924 (2018)

2. Li Y.B. et al, Adv. Healthcare Mater. 6, 1601231 (2017)

3. Ozawa T. et al, Anal Chem. 85(2), 590-609 (2013)

4. Hong G. et al, Nat Photon,8,723-730 (2014)

5. Bruns O.T. et al, Nat. Biomed. Engineering, 1, 0056 (2017)

6. Liu J. et al, Nanoscale, 9, 91-98 (2017)

7. Sekiyama S. et al, Scientific reports 8, 16979 (2018)