RU2345805C1 - Laser photothermolysis procedure for sickle-cell erythrocytes - Google Patents
Laser photothermolysis procedure for sickle-cell erythrocytes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2345805C1 RU2345805C1 RU2007125326/14A RU2007125326A RU2345805C1 RU 2345805 C1 RU2345805 C1 RU 2345805C1 RU 2007125326/14 A RU2007125326/14 A RU 2007125326/14A RU 2007125326 A RU2007125326 A RU 2007125326A RU 2345805 C1 RU2345805 C1 RU 2345805C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- sickle
- laser
- gold
- blood
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radiation-Therapy Devices (AREA)
- Medicines That Contain Protein Lipid Enzymes And Other Medicines (AREA)
- Pharmaceuticals Containing Other Organic And Inorganic Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области биомедицинских технологий, в частности к созданию неинвазивного селективного оптического гемодиализа элементов крови человека in vivo на основе предлагаемого фототермолиза серповидных эритроцитов, конъюгированных с отрицательно заряженными золотыми наночастицами, облучаемыми лазером с длиной волны, совпадающей с плазменным резонансом наночастиц.The invention relates to the field of biomedical technologies, in particular to the creation of non-invasive selective optical hemodialysis of human blood elements in vivo based on the proposed photothermolysis of sickle-shaped erythrocytes conjugated to negatively charged gold nanoparticles irradiated with a laser with a wavelength matching the plasma resonance of the nanoparticles.
Из медицинской гематологической статистики известно, что более 8% афроамериканцев в США являются носителями такого генетического заболевания, как серповидно-клеточная анемия, приводящего к сердечно-сосудистым патологиям, связанным с кислородным голоданием клеток, и являющегося основной причиной смерти таких больных, особенно при физических нагрузках.According to medical hematological statistics, more than 8% of African Americans in the United States carry a genetic disease such as sickle cell anemia, which leads to cardiovascular pathologies associated with oxygen starvation of cells, and which is the main cause of death in such patients, especially during physical exertion .
Известен способ инактивации раковых клеток, основанный на введении в кровь фотосенсибилизатора, накопление фотосенсибилизатора в раковой ткани, облучение опухоли лазерным излучением с длиной волны, соответствующей максимуму полосы поглощения фотосенсибилизатора, приводящей к разрушению плазматической мембраны раковых клеток в течение воздействия лазерного излучения, вследствие генерации активных форм молекул кислорода (в частности, синглетного кислорода) путем передачи энергии возбуждения от молекул фотосенсибилизатора, поглотивших лазерные кванты, молекулам кислорода, растворенным в биоткани и находящимся в невозбужденном энергетическом состоянии (см. патент РФ №2184578, МПК A61N 5/06, см. Photodynamic therapy / Ed. T.J.Dougherty // J. Clin. Laser Med. Surg. 1996. V.14. P.219-348).A known method of inactivation of cancer cells, based on the introduction of a photosensitizer into the blood, the accumulation of a photosensitizer in cancer tissue, irradiation of a tumor with laser radiation with a wavelength corresponding to the maximum absorption band of the photosensitizer, leading to the destruction of the plasma membrane of cancer cells during exposure to laser radiation, due to the generation of active forms oxygen molecules (in particular, singlet oxygen) by transferring excitation energy from photosensitizer molecules, absorb their laser quanta, oxygen molecules dissolved in biological tissue and in an unexcited energy state (see RF patent No. 2184578, IPC
Однако при таком фотодинамическом механизме инактивации клеток происходит разрушение плазматических мембран как у патологических клеток, так и нормальных, вследствие того, что краситель не обладает селективной избирательностью к тканям, а синглетный кислород генерируется в той пространственной области биоткани, где происходит освещение лазерным пучком. Эксперименты показывают, что в раковых клетках фотосенсибилизатор накапливается в два-три раза больше, чем в нормальных, лишь только за счет того, что в новообразованиях большая плотность кровеносных сосудов.However, with such a photodynamic mechanism of cell inactivation, plasma membranes are destroyed both in pathological and normal cells, due to the fact that the dye does not have selective tissue selectivity, and singlet oxygen is generated in the spatial area of the biological tissue where the laser beam illuminates. Experiments show that in cancer cells the photosensitizer accumulates two to three times more than in normal cells, only due to the fact that the neoplasms have a high density of blood vessels.
Известен способ, основанный на введении фотосенсибилизатора типа "Визудин" в кровь, где происходит его захват эндотелиальными клетками аномальных кровеносных сосудов хориоидеи, имеющих высокую концентрацию рецепторов к комплексу липопротеин-визудин. Облучение сетчатки глаза пациента лазерным излучением, попадающим в полосу поглощения красителя, вызывает генерацию синглетного кислорода, приводящего к окклюзии аномальных кровеносных сосудов (Каталог продукции компании "Новартис Фарма САС"). Компания "Карл Цейсс" выпускает полупроводниковый лазер типа "Visulas 690 s" с длиной волны 690 нм и плотностью мощности 600 мВт/см2 специально для фотодинамической терапии для активации фермента-фотосенсибилизатора Визудин (каталог продукции компании "Карл Цейсс").There is a method based on the introduction of a Vizudin-type photosensitizer into the blood, where it is captured by the endothelial cells of abnormal choroid blood vessels having a high concentration of receptors for the lipoprotein-vizudin complex. Irradiating the patient’s retina with laser radiation entering the dye absorption band causes the generation of singlet oxygen, which leads to occlusion of abnormal blood vessels (Novartis Pharma SAS product catalog). The Carl Zeiss company produces a Visulas 690 s semiconductor laser with a wavelength of 690 nm and a power density of 600 mW / cm 2 specifically for photodynamic therapy to activate the Visudin photosensitizer enzyme (Karl Zeiss product catalog).
Данный способ обладает фотодинамической селективностью к разрушению только аномальных кровеносных сосудов и не позволяет селективно разрушать патологические форменные элементы крови.This method has photodynamic selectivity for the destruction of only abnormal blood vessels and does not allow selective destruction of pathological shaped elements of the blood.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ разрушения патологических (раковых) клеток, основанный на введении в кровь коньюгатов золота, состоящих из наночастиц, химически соединенных с фолатом (витамином В12, являющимся производным фолиевой кислоты), и селективном облучении патологических клеток лазерным излучением, попадающим в полосу поглощения плазменного резонанса наночастиц (см. http://news.bbc.co.uk/hi/russian/sci/tech/newsid_4740000/4740639.stm).Closest to the proposed method is a method of destruction of pathological (cancerous) cells, based on the introduction into the blood of gold conjugates consisting of nanoparticles chemically connected to folate (vitamin B 12 , which is a derivative of folic acid), and selective irradiation of pathological cells with laser radiation that enters into the absorption band of plasma resonance of nanoparticles (see http://news.bbc.co.uk/hi/russian/sci/tech/newsid_4740000/4740639.stm).
Однако данный способ используется для разрушения только раковых клеток, которые при своем интенсивном и непрерывном делении для производства ДНК используют производные фолиевой аминокислоты, поэтому такой способ не может быть использован для разрушения патологических серповидно-клеточных эритроцитов крови человека, отличающихся от нормальных эритроцитов химической формулой гемоглобина, содержащегося внутри клетки, отражающейся в изменении характерной формы эритроцитов, а также в значении мембранного плазматического потенциала. При этом следует отметить, что иммунная система человека, являющегося носителем такой патологии, не идентифицирует эти эритроциты как патологические и, таким образом, макрофаги и лимфоциты их не уничтожают, в то время как при стандартном значении гематокрита крови (40) организм больного испытывает сильнейшую ишемию (гематокрит 16-20), особенно при физических нагрузках, что является основной причиной смерти.However, this method is used to destroy only cancer cells, which, using their intensive and continuous division for the production of DNA, use folic acid derivatives, therefore, this method cannot be used to destroy pathological sickle-cell erythrocytes of human blood that differ from normal red blood cells by the chemical formula of hemoglobin, contained inside the cell, reflected in a change in the characteristic form of red blood cells, as well as in the value of the plasma membrane potential. It should be noted that the immune system of a person who is a carrier of such a pathology does not identify these erythrocytes as pathological and, therefore, macrophages and lymphocytes do not destroy them, while with a standard blood hematocrit value (40), the patient's body experiences severe ischemia (hematocrit 16-20), especially during physical exertion, which is the main cause of death.
Задачей изобретения является селективное разрушение патологических эритроцитов крови человека, не способных переносить кислород, на основе избирательного лазерного фототермолиза серповидных эритроцитов, соединенных с наночастицами, в процессе облучения потока крови in vivo импульсным лазерным излучением.The objective of the invention is the selective destruction of pathological human blood erythrocytes, unable to carry oxygen, based on selective laser photothermolysis of sickle-shaped erythrocytes connected to nanoparticles during irradiation of the blood flow in vivo with pulsed laser radiation.
Поставленная задача решается тем, что в способе селективного разрушения патологических клеток, включающем введение в кровь наночастиц из золота и облучение лазерным излучением с длиной волны, совпадающей со спектральным максимумом поглощения плазменного резонанса наночастиц, вызывающим фототермолиз клеток, отличающемся тем, что перед введением наночастиц в кровь их поверхность заряжают отрицательным зарядом, соизмеримым с мембранным потенциалом нормальных эритроцитов, для обеспечения физической адгезии к плазматической мембране патологических клеток, а именно серповидно-клеточных эритроцитов, с концентрацией наночастиц в рН нейтральном физиологическом растворе порядка концентрации эритроцитов, облучению подвергают венозную кровь, проходящую через катетер, содержащую серповидно-клеточные эритроциты крови человека, при этом наночастицы имеют плазменный резонанс в области прозрачности биотканей 700-1100 нм, а длительность лазерных импульсов должна лежать в диапазоне 10 мкс-100 нс при плотности энергии в лазерном импульсе не более 100 мДж/ см2 и скважности лазерных импульсов не менее 3. Наночастицы представляют собой ядра из окиси кремния диаметром 50-140 нм из двуокиси кремния, покрытые оболочкой из золота или серебра толщиной в диапазоне 2-20 нм, или золотые или серебряные наностержни с отношением длины к диаметру от 2.5 до 5 при диаметре 10-40 нм.The problem is solved in that in a method for the selective destruction of pathological cells, including the introduction of gold nanoparticles into the blood and irradiation with laser radiation with a wavelength that matches the spectral maximum absorption of the plasma resonance of the nanoparticles, causing photothermolysis of the cells, characterized in that before the introduction of nanoparticles into the blood their surface is charged with a negative charge commensurate with the membrane potential of normal red blood cells to ensure physical adhesion to the plasma membrane of atopic cells, namely sickle cell red blood cells, with a concentration of nanoparticles in a pH neutral physiological solution of the order of the concentration of red blood cells, the venous blood passing through a catheter containing sickle cell red blood cells of a human blood is irradiated, while the nanoparticles have a plasma resonance in the transparency region of biological tissues 700 -1100 nm, and the laser pulse duration should be in the
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа селективного лазерного фототермолиза серповидно-клеточной анемии при использовании резонансных наночастиц.Figure 1 presents a block diagram of a device for implementing the proposed method of selective laser photothermolysis of sickle cell anemia using resonant nanoparticles.
На фиг.2 представлены результаты лазерного (810 нм) фототермолиза нормальных нативных эритроцитов крови человека при наличии селективных золотых нанооболочек SiO2/Au со спектральным максимумом плазменного резонанса (800 нм) и нейтральным электрическим зарядом на внешней оболочке: (а) - обычная и (б) - темнопольная цифровая микрофотография при воздействии непрерывного лазерного излучения мощностью 2 Вт в течение двух минут.Figure 2 presents the results of laser (810 nm) photothermolysis of normal native human blood erythrocytes in the presence of selective gold SiO 2 / Au nanoshells with a spectral maximum of plasma resonance (800 nm) and a neutral electric charge on the outer shell: (a) normal and ( b) - dark-field digital micrograph under the influence of continuous laser radiation with a power of 2 W for two minutes.
На фиг.3 представлены результаты адгезии золотых наночастиц, имеющих нейтральный заряд к мембране нативных нормальных эритроцитов крови человека.Figure 3 presents the results of adhesion of gold nanoparticles having a neutral charge to the membrane of native normal human blood red blood cells.
На фиг.4 представлены результаты фототермолиза физиологического раствора золотых нанооболочек, облучаемых резонансным лазерным излучением (810 нм) при фиксированной средней мощности (2 Вт) для различных длительностей лазерных импульсов 10 мс, 1 мс, 200 мкс при их скважности, равной 1.Figure 4 presents the results of photothermolysis of a physiological solution of gold nanoshells irradiated with resonant laser radiation (810 nm) at a fixed average power (2 W) for various laser pulses of 10 ms, 1 ms, 200 μs with a duty cycle of 1.
На фиг.5 представлены результаты дефрагментации золотых нанооболочек (кремниевое ядро диаметром 140 нм и золотой оболочки толщиной 15 нм) при воздействии сфокусированного излучения твердотельного YAG:Nd лазера (1064 нм) при энергии импульса 10 мДж при длительности 4 нс, проявляющейся в разрушении золотых оболочек при импульсном лазерном фототермолизе, что отражается в смещении плазменного резонанса с длины волны 900 нм до воздействия до длины волны 530 нм после лазерного воздействия, что отражается в окрашивании области воздействия в малиновый цвет, обусловленной соответствующим плазменным резонансом, характерном для золотых частиц размером менее 50 нм, что и подтвердили исследования размера и формы наночастиц с помощью электронного микроскопа с увеличением от 30 до 500 тысяч.Figure 5 presents the results of defragmentation of gold nanoshells (a silicon core with a diameter of 140 nm and a gold shell with a thickness of 15 nm) when exposed to focused radiation from a solid-state YAG: Nd laser (1064 nm) at a pulse energy of 10 mJ for a duration of 4 ns, which manifests itself in the destruction of gold shells during pulsed laser photothermolysis, which is reflected in the shift of the plasma resonance from a wavelength of 900 nm before exposure to a wavelength of 530 nm after laser exposure, which is reflected in the coloring of the exposure area in raspberry color Due to the corresponding plasma resonance characteristic gold particle size less than 50 nm, and studies have confirmed the size and shape of nanoparticles with an electron microscope with a magnification of 30 to 500 thousand.
На фиг.6 представлены результаты экспериментального исследования спектра пропускания плазменно-резонансных нанооболочек до воздействия лазерных импульсов (кривая 1) и после (кривая 2). В результате дефрагментации максимум плазменного резонанса смещается с 900 нм к 540 нм (по оси абсцисс - длины волн в обратных сантиметрах).Figure 6 presents the results of an experimental study of the transmission spectrum of plasma-resonant nanoshells before exposure to laser pulses (curve 1) and after (curve 2). As a result of defragmentation, the maximum of the plasma resonance shifts from 900 nm to 540 nm (the abscissa shows the wavelengths in inverse centimeters).
Позициями на чертежах обозначены:The positions in the drawings indicate:
1 - блок питания полупроводникового инжекционного гетеролазера, работающего в режиме импульсной генерации;1 - power supply unit of a semiconductor injection heterolaser operating in the pulse generation mode;
2 - полупроводниковый инжекционный гетеролазер;2 - semiconductor injection heterolaser;
3 - оптический световод с системой формирования цилиндрически облучающего лазерного пучка;3 - an optical fiber with a system for forming a cylindrically irradiating laser beam;
4 - оптически прозрачный в ближней ИК-области катетер, внутри которого протекает венозная кровь с наночастицами in vivo;4 - a catheter optically transparent in the near infrared region, inside which venous blood flows with nanoparticles in vivo;
5 - серповидный эритроцит с адгезированной на его плазматической мембране наночастицей;5 - sickle-shaped erythrocyte with a nanoparticle adhered to its plasma membrane;
6 - серповидный эритроцит с наночастицей, облучаемый импульсным лазерным излучением;6 - sickle-shaped erythrocyte with a nanoparticle irradiated with pulsed laser radiation;
7 - фрагменты разрушенного патологического серповидного эритроцита в результате фототермолиза;7 - fragments of a destroyed pathological sickle-shaped erythrocyte as a result of photothermolysis;
8 - нормальный эритроцит без наночастиц, который не подвергается лазерному фототермолизу;8 - normal erythrocyte without nanoparticles, which is not subjected to laser photothermolysis;
9 - устройство для гемофильтрации, применяемое при стандартном гемодиализе крови;9 - a device for hemofiltration used in standard blood hemodialysis;
10 - золотые наночастицы;10 - gold nanoparticles;
11 - разрушенные вследствие фототермолиза эритроциты;11 - erythrocytes destroyed due to photothermolysis;
12 - нормальные эритроциты;12 - normal red blood cells;
13 - длительность лазерного импульса 10 мс при скважности 2 (ромбики на фиг.4);13 - laser pulse duration of 10 ms with duty cycle 2 (rhombuses in figure 4);
14 - длительность лазерного импульса 1 мс при скважности 2 (квадратики на фиг.4);14 - the duration of the laser pulse 1 MS with duty cycle 2 (squares in figure 4);
15 -длительность лазерного импульса 200 мкс при скважности 2 (треугольнички на фиг.4);15 — laser pulse duration of 200 μs at duty cycle 2 (triangles in FIG. 4);
16 - кривая спектра пропускания плазменно-резонансных нанооболочек до воздействия лазерных импульсов;16 is a curve of the transmission spectrum of plasma-resonant nanoshells before exposure to laser pulses;
17 - кривая спектра пропускания плазменно-резонансных нанооболочек после воздействия лазерных импульсов.17 is a curve of the transmission spectrum of plasma-resonant nanoshells after exposure to laser pulses.
Способ осуществляется следующим образом: пациенту вводится в вену физиологический раствор с золотыми наночастицами с концентрацией порядка концентрации эритроцитов (5·109 см-3) в крови, при этом наночастицы представляют собой, например, ядра диаметром 80-140 нм из двуокиси кремния, покрытые оболочкой из золота толщиной в диапазоне 10-25 нм с поверхностным потенциалом не менее - 50 мВ. Часть венозного кровотока отводится в катетер, прозрачный для ближней ИК-области спектра, который просвечивается лазерным пучком, прошедшим цилиндрическую линзу, которая формирует протяженный пучок света вдоль катетера. Длину волны лазера выбирают из области биологической прозрачности биоткани (700-1100 нм), соответствующей максимуму плазменного резонанса наночастиц. Устанавливают длительность импульсов в диапазоне 10 мкс-100 нс, при скважности не менее 2-х, а среднюю плотность энергии не более 100 мДж/см2, при этом время воздействия последовательности лазерных импульсов на эритроциты должно составлять не более одной минуты, что вызывает селективный нагрев (фототермолиз) только серповидно-клеточных эритроцитов, так как на их плазматической мембране находятся наночастицы, а соседние нормальные эритроциты не повреждаются. Поврежденные в результате лазерного фототермолиза плазматическая мембрана серповидно-клеточных эритроцитов и внутриклеточные органеллы удаляются с помощью стандартной гемофильтрации, применяемой при гемодиализе.The method is as follows: the patient is injected into a vein with physiological saline with gold nanoparticles with a concentration of the order of the concentration of red blood cells (5 · 10 9 cm -3 ) in the blood, while the nanoparticles are, for example, nuclei with a diameter of 80-140 nm of silicon dioxide, coated gold sheath with a thickness in the range of 10-25 nm with a surface potential of at least - 50 mV. Part of the venous blood flow is diverted to the catheter, which is transparent to the near infrared region of the spectrum, which is illuminated by a laser beam passing through a cylindrical lens, which forms an extended beam of light along the catheter. The laser wavelength is selected from the biological transparency of the biological tissue (700-1100 nm), corresponding to the maximum plasma resonance of the nanoparticles. The pulse duration is set in the range of 10 μs-100 ns, with a duty cycle of at least 2, and the average energy density of not more than 100 mJ / cm 2 , while the exposure time of the laser pulse sequence to red blood cells should be no more than one minute, which causes selective heating (photothermolysis) of only sickle cell erythrocytes, since there are nanoparticles on their plasma membrane, and neighboring normal red blood cells are not damaged. Damaged as a result of laser photothermolysis, the plasma membrane of sickle cell red blood cells and intracellular organelles are removed using standard hemofiltration used in hemodialysis.
Основной механизм селективного разрушения серповидно-клеточных эритроцитов с помощью лазерного фототермолиза с помощью технологии наночастиц основан на электрофизиологии клеточных мембран. Из классических работ Поллинга по катафорезу клеток крови в электрическом поле известно (см. «Начала Физиологии» под ред. акад. А.Д.Ноздрачева, СПб., 2001), что скорость диффузии серповидно-клеточных эритроцитов значительно меньше нормальных эритроцитов, что связано с генетической патологией серповидно-клеточных эритроцитов, проявляющейся в нейтрализации заряда на мембране. Именно это электростатическое свойство мембраны патологических эритроцитов является причиной невозможности переноса ими молекул кислорода.The main mechanism for the selective destruction of sickle cell red blood cells using laser photothermolysis using nanoparticle technology is based on the electrophysiology of cell membranes. From Polling's classic work on cataphoresis of blood cells in an electric field, it is known (see “Beginnings of Physiology” under the editorship of Acad. A. Nozdrachev, St. Petersburg, 2001) that the diffusion rate of sickle cell red blood cells is significantly lower than normal red blood cells, which is associated with the genetic pathology of sickle cell red blood cells, manifested in the neutralization of charge on the membrane. It is this electrostatic property of the membrane of pathological red blood cells that causes the impossibility of their transfer of oxygen molecules.
Из гематологии известно, что один из механизмов свертывания крови связан с запуском тромбоцитами образования фибрина, который при взаимодействии с мембраной эритроцитов уменьшает его мембранный электрический потенциал, что и обуславливает образование так называемых «монетных столбиков» из эритроцитов, когда они слипаются (Киричук В.Ф. Физиология крови. СГМУ, 2005, с.13). В то время как в нормальном состоянии, вследствие отрицательного мембранного потенциала мембраны каждого эритроцита, достигающего нескольких десятков милливольт, эритроциты электростатически отталкиваются при сближении в соответствии с законом Кулона.It is known from hematology that one of the mechanisms of blood coagulation is associated with the initiation of fibrin formation by platelets, which, when interacting with the erythrocyte membrane, reduces its membrane electric potential, which causes the formation of so-called “coin columns” of red blood cells when they stick together (V. Kirichuk Blood physiology. SSMU, 2005, p.13). While in the normal state, due to the negative membrane potential of the membrane of each erythrocyte, reaching several tens of millivolts, the red blood cells electrostatically repel when approaching in accordance with the Coulomb law.
По известной технологии получения золотых наночастиц в ходе химического восстановления поверхность золотых частиц легирована Au(I) с цитрат-ионами в коионном слое (Stendroff C.J., Herschbach D.R. Kinetics of Displacement and Charge Transfer Reactions Probed by SERS: Evidence for Distinct Donor and Acceptor Sites on Colloidal Gold Surfaces // Langmuir. 1985. V.1. P.131-135; Mirkin Ch. Programming the Assembly of Two-and Three-Dimensional Architectures with DNA and Nanoscale Inorganic Building Blocks // Inorg. Chem. 2000. V.39. P.2258-2272).According to the well-known technology for producing gold nanoparticles during chemical reduction, the surface of gold particles is doped with Au (I) with citrate ions in the coion layer (Stendroff CJ, Herschbach DR Kinetics of Displacement and Charge Transfer Reactions Probed by SERS: Evidence for Distinct Donor and Acceptor Sites on Colloidal Gold Surfaces // Langmuir. 1985. V.1. P.131-135; Mirkin Ch. Programming the Assembly of Two-and Three-Dimensional Architectures with DNA and Nanoscale Inorganic Building Blocks // Inorg. Chem. 2000. V. 39. P.2258-2272).
При этом электрокинетический потенциал золотых наночастиц сохраняется примерно одинаковым для частиц различных размеров и составляет - 50 мВ (Shulepov S.Yu., Frens G. Surface roughness and particle size effect on the rate of perikinetic coagulation: experimental // J. colloid and interface sci. 1996. V.182 P.388-394).In this case, the electrokinetic potential of gold nanoparticles remains approximately the same for particles of various sizes and is - 50 mV (Shulepov S. Yu., Frens G. Surface roughness and particle size effect on the rate of perikinetic coagulation: experimental // J. colloid and interface sci 1996. V.182 P.388-394).
Как показали проведенные нами эксперименты на нормальных эритроцитах при введении в кровь отрицательно-заряженных наночастиц (-50 мВ), не наблюдается их адгезии к плазматической мембране эритроцитов. Однако если заряд наночастицы сделать нейтральным, то происходит адгезия нано частиц на поверхности плазматической мембраны эритроцитов, что нетрудно видеть из Фиг.3.As shown by our experiments on normal red blood cells with the introduction of negatively charged nanoparticles (-50 mV) into the blood, their adhesion to the plasma membrane of red blood cells is not observed. However, if the charge of the nanoparticle is made neutral, then the adhesion of nanoparticles on the surface of the plasma membrane of red blood cells occurs, which is easy to see from Figure 3.
Проведенные нами эксперименты по резонансному нагреву наночастиц, растворенных в физиологическом растворе, при условии, что длина волны лазерного излучения совпадает с плазменным резонансом, показали существенное уменьшение средней температуры от длительности лазерных импульсов (Фиг.4). Такое уменьшение температуры связано с конечным временем установления температуры при импульсном нагреве наночастиц. Проведенные эксперименты показали, что при длительности лазерных импульсов менее 1 мкс должен наблюдаться локальный нагрев наночастиц, при этом область нагрева не превысит 10 диаметров наночастиц, т.е. порядка 1 микрона. Поэтому эритроциты, имеющие размер порядка 8 микрон и находящиеся на расстоянии не менее диаметра друг от друга, в смеси с наночастицами будут повреждаться при лазерном импульсном фототермолизе только в случае адгезии наночастиц на поверхности их плазматических мембран.Our experiments on the resonant heating of nanoparticles dissolved in physiological saline, provided that the wavelength of the laser radiation coincides with the plasma resonance, showed a significant decrease in the average temperature from the duration of the laser pulses (Figure 4). Such a decrease in temperature is associated with a finite time of temperature establishment upon pulsed heating of nanoparticles. The experiments showed that with a laser pulse duration of less than 1 μs, local heating of the nanoparticles should be observed, while the heating region will not exceed 10 nanoparticle diameters, i.e. about 1 micron. Therefore, erythrocytes having a size of the order of 8 microns and located at a distance of at least a diameter from each other, in a mixture with nanoparticles will be damaged during laser pulsed photothermolysis only in the case of adhesion of nanoparticles on the surface of their plasma membranes.
Параметры золотых нанооболочек выбираются из условия настройки плазменного резонанса в область прозрачности биотканей (700-1100 нм). Известно, что в ближней ИК-области спектра 700-1100 нм наблюдается минимальное поглощение оптического излучения клетками крови и молекулами воды (В.В.Тучин. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Саратов. СГУ. 1998).The parameters of the gold nanoshells are selected from the conditions for tuning the plasma resonance to the transparency region of biological tissues (700-1100 nm). It is known that in the near infrared region of the spectrum of 700-1100 nm there is a minimal absorption of optical radiation by blood cells and water molecules (V.V. Tuchin. Lasers and fiber optics in biomedical research. Saratov. SSU. 1998).
На Фиг.5 показаны результаты впервые обнаруженного нами эффекта дефрагментации нанооболочек с плазменным резонансом на 900 нм при воздействии наносекундных оптических импульсов (4 нс) при энергии в импульсе 10 мДж YAG:Nd лазера (1.06 мкм). В результате сфокусированного лазерного пучка плотность мощности превышала 109 Вт/см2, что вызывало разрушения нанооболочек, состоящих из ядра из окиси кремния диаметром 140 нм и золотой оболочки толщиной 15 нм. В результате импульсного лазерного нагрева происходило разрушение нанооболочек и образование мелких золотых наночастиц с плазменным резонансом на длине волны 530 нм, что и отражается на цвете наночастиц (малиновая область). Эти исследования позволили установить границу на минимальную длительность лазерных импульсов и их энергию для локального разрушения клеток при технологии лазерного фототермолиза на основе плазменно-резонансных наночастиц, не вызывающих лазерных тепловых микровзрывов в биоткани и обеспечивающих клеточную локальность теплового повреждения.Figure 5 shows the results of our first discovered defragmentation effect of nanoshells with a plasma resonance of 900 nm when exposed to nanosecond optical pulses (4 ns) at a pulse energy of 10 mJ of a YAG: Nd laser (1.06 μm). As a result of the focused laser beam, the power density exceeded 10 9 W / cm 2 , which caused destruction of the nanoshells consisting of a core of silicon oxide with a diameter of 140 nm and a gold shell with a thickness of 15 nm. As a result of pulsed laser heating, the destruction of the nanoshells and the formation of small gold nanoparticles with a plasma resonance at a wavelength of 530 nm occurred, which is reflected in the color of the nanoparticles (crimson region). These studies made it possible to establish a boundary for the minimum duration of laser pulses and their energy for local destruction of cells using laser photothermolysis technology based on plasma-resonant nanoparticles that do not cause laser thermal microexplosions in biological tissues and provide cellular locality of thermal damage.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007125326/14A RU2345805C1 (en) | 2007-07-04 | 2007-07-04 | Laser photothermolysis procedure for sickle-cell erythrocytes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007125326/14A RU2345805C1 (en) | 2007-07-04 | 2007-07-04 | Laser photothermolysis procedure for sickle-cell erythrocytes |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2345805C1 true RU2345805C1 (en) | 2009-02-10 |
Family
ID=40546622
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007125326/14A RU2345805C1 (en) | 2007-07-04 | 2007-07-04 | Laser photothermolysis procedure for sickle-cell erythrocytes |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2345805C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10098839B2 (en) | 2014-03-20 | 2018-10-16 | The Regents Of The University Of California | Hydrogel toxin-absorbing or binding nanoparticles |
| US10285952B2 (en) | 2013-08-08 | 2019-05-14 | The Regents Of The University Of California | Nanoparticles leverage biological membranes to target pathogens for disease treatment and diagnosis |
| US10610493B2 (en) | 2015-04-29 | 2020-04-07 | The Regents Of The University Of California | Detoxification using nanoparticles |
-
2007
- 2007-07-04 RU RU2007125326/14A patent/RU2345805C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| HUANG CHIH-CHING et al. Aptamer-modified gold nanoparticles for colorimetric determination of platelet-derived growth factors and their receptors., Anal. Chem., 2005, 77, №17, pp.5735-5741. ANDERSON R.R. et al. "Selective Photothermolysis: Precise Microsurgery by Selective Absorption of Pulsed Radiation", Science, 1983, 220:524-527. * |
| Наночастицы натравили на раковые клетки. Обновлено 03.08.2005, [он лайн], найдено 06.05.2008, найдено из Интернета: http://news.bbc.co.uk/hi/russian/sci/tech/newsid_4740000/4740639.stm. * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10285952B2 (en) | 2013-08-08 | 2019-05-14 | The Regents Of The University Of California | Nanoparticles leverage biological membranes to target pathogens for disease treatment and diagnosis |
| US10098839B2 (en) | 2014-03-20 | 2018-10-16 | The Regents Of The University Of California | Hydrogel toxin-absorbing or binding nanoparticles |
| US10632070B2 (en) | 2014-03-20 | 2020-04-28 | The Regents Of The University Of California | Hydrogel toxin-absorbing or binding nanoparticles |
| US11007147B2 (en) | 2014-03-20 | 2021-05-18 | The Regents Of The University Of California | Hydrogel toxin-absorbing or binding nanoparticles |
| US10610493B2 (en) | 2015-04-29 | 2020-04-07 | The Regents Of The University Of California | Detoxification using nanoparticles |
| US11357736B2 (en) | 2015-04-29 | 2022-06-14 | The Regents Of The University Of California | Detoxification using nanoparticles |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sun et al. | One-pot fabrication of hollow porphyrinic MOF nanoparticles with ultrahigh drug loading toward controlled delivery and synergistic cancer therapy | |
| You et al. | ROS-generating TiO2 nanoparticles for non-invasive sonodynamic therapy of cancer | |
| Sheng et al. | Review of the progress toward achieving heat confinement—the holy grail of photothermal therapy | |
| Ren et al. | Relighting photosensitizers by synergistic integration of albumin and perfluorocarbon for enhanced photodynamic therapy | |
| Rwei et al. | Photoresponsive nanoparticles for drug delivery | |
| Jin et al. | Ablation of hypoxic tumors with dose-equivalent photothermal, but not photodynamic, therapy using a nanostructured porphyrin assembly | |
| Pan et al. | Photosensitive drug delivery systems for cancer therapy: Mechanisms and applications | |
| Zhao et al. | Simultaneous photodynamic and photothermal therapy using photosensitizer-functionalized Pd nanosheets by single continuous wave laser | |
| Giraudeau et al. | Indocyanine green: photosensitizer or chromophore? Still a debate | |
| El-Hussein et al. | Comparative study between the photodynamic ability of gold and silver nanoparticles in mediating cell death in breast and lung cancer cell lines | |
| Zhen et al. | Ferritin nanocages to encapsulate and deliver photosensitizers for efficient photodynamic therapy against cancer | |
| Palumbo | Photodynamic therapy and cancer: a brief sightseeing tour | |
| Baba et al. | New method for delivering a hydrophobic drug for photodynamic therapy using pure nanocrystal form of the drug | |
| ES2780930T3 (en) | Compositions and methods for directed thermomodulation | |
| Khdair et al. | Surfactant− polymer nanoparticles enhance the effectiveness of anticancer photodynamic therapy | |
| Appidi et al. | Light-triggered selective ROS-dependent autophagy by bioactive nanoliposomes for efficient cancer theranostics | |
| US20040147501A1 (en) | Photodynamic therapy | |
| Inglut et al. | Predictors and limitations of the penetration depth of photodynamic effects in the rodent brain | |
| AU2001229674A1 (en) | Local drug delivery using photosensitizer-mediated and electromagnetic radiation-enhanced vascular permeability | |
| EP1251828A1 (en) | Local drug delivery using photosensitizer-mediated and electromagnetic radiation-enhanced vascular permeability | |
| US20040171601A1 (en) | Photodynamic and sonodynamic therapy | |
| Fekrazad et al. | The combination of laser therapy and metal nanoparticles in cancer treatment originated from epithelial tissues: A literature review | |
| RU2519936C2 (en) | Method of photodynamic therapy of tumours | |
| Protti et al. | Targeting photochemical scalpels or lancets in the photodynamic therapy field—the photochemist's role | |
| Dubey et al. | Application of photodynamic therapy drugs for management of glioma |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120705 |