RU2347563C1 - Method for selective destruction of melanoma - Google Patents

Method for selective destruction of melanoma Download PDF

Info

Publication number
RU2347563C1
RU2347563C1 RU2007143167/14A RU2007143167A RU2347563C1 RU 2347563 C1 RU2347563 C1 RU 2347563C1 RU 2007143167/14 A RU2007143167/14 A RU 2007143167/14A RU 2007143167 A RU2007143167 A RU 2007143167A RU 2347563 C1 RU2347563 C1 RU 2347563C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nanoparticles
laser
gold
melanoma
radiation
Prior art date
Application number
RU2007143167/14A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Гариф Газизович Акчурин (RU)
Гариф Газизович Акчурин
Георгий Гарифович Акчурин (RU)
Георгий Гарифович Акчурин
Владимир Александрович Богатырев (RU)
Владимир Александрович Богатырев
Ирина Леонидовна Максимова (RU)
Ирина Леонидовна Максимова
Галина Никифоровна Маслюкова (RU)
Галина Никифоровна Маслюкова
Георгий Сергеевич Терентюк (RU)
Георгий Сергеевич Терентюк
Борис Николаевич Хлебцов (RU)
Борис Николаевич Хлебцов
Николай Григорьевич Хлебцов (RU)
Николай Григорьевич Хлебцов
Александр Викторович Шантроха (RU)
Александр Викторович Шантроха
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского"
Priority to RU2007143167/14A priority Critical patent/RU2347563C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2347563C1 publication Critical patent/RU2347563C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Medicines That Contain Protein Lipid Enzymes And Other Medicines (AREA)
  • Pharmaceuticals Containing Other Organic And Inorganic Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: medicine; oncology.
SUBSTANCE: method includes introduction of solution of chemical compound of amino acid L-phenylalanine with gold or silver nanoparticles intravenously prior to radiation. At that minimum concentration of nanoparticles is 108 cm-3, and maximum concentration is 1012 cm-3. Plasma resonance of nanoparticles has spectral maximum in the area of biotissues transparency at the wave length of 750-1200 nm. These nanoparticles are gold or silver nanoshells with core of silicon dioxide or nanorods. Radiation of melanoma is performed at least after 1 hour and not more than after 4 hours after solution introduction, laser beam with length of radiation wave that coincides with spectral maximum of nanoparticles plasma resonance absorption. At that radiation is done by sequence of laser impulses with duration of laser impulse in the range of 10 microseconds - 100 ns at minimum porosity of three and higher, at energy density of at least 20 J/cm2, but not more than 200 J/cm2.
EFFECT: local performance of melanoma destruction with minimum destruction of surrounding healthy cells.
10 dwg

Description

Изобретение относится к области биомедицинских технологий, в частности к созданию неинвазивного селективного лазерного фототермолиза злокачественных клеток меланомы на основе технологии плазмонно-резонансных золотых или серебрянных наночастиц. При лечении таких новообразований как меланома у теплокровных животных или людей традиционными способами хирургии не всегда возможен из-за особенностей локализации опухоли (например, в области твердого неба или глотки), а также, даже если иссекается более трех сантиметров здоровой ткани от границы опухоли, в большинстве случаев возникают метастазы, а при химиотерапии возникает много осложнений (Руководство по химиотерапии опухолевых заболеваний, под. ред Н.И.Переводчиковой. М. Практическая медицина. 2005, с.581-657; Уайт Р. Онкологические заболевания мелких домашних животных. М.: Аквариум, 2003).The invention relates to the field of biomedical technologies, in particular to the creation of non-invasive selective laser photothermolysis of malignant melanoma cells based on plasmon resonance gold or silver nanoparticle technology. In the treatment of neoplasms such as melanoma in warm-blooded animals or people by traditional methods of surgery, it is not always possible due to the peculiarities of tumor localization (for example, in the area of the hard palate or pharynx), and also, even if more than three centimeters of healthy tissue are excised from the border of the tumor, metastases occur in most cases, and many complications arise during chemotherapy (Guidelines for the Chemotherapy of Tumor Diseases, edited by N.I. Perevodchikova. M. Practical Medicine. 2005, p. 581-657; White R. Cancer Evan small pets. M .: Aquarium, 2003).

Известен способ близкофокусной рентгенотерапии с суммарной очаговой дозой 100-120 Гр и дистанционной гамма-терапии при лучевом разрушении злокачественных клеток меланомы с суммарной очаговой дозой 30-40 Гр (Ш.Х.Ганцев. Онкология. М.: Медицинское информационное агентство. 2004, с.190-204; Stephen J., Withrow E., MacEwen G. Smal animal clinical oncology - 2001, p.305-308).There is a method of short-focus x-ray therapy with a total focal dose of 100-120 Gy and remote gamma-ray therapy for radiation destruction of malignant melanoma cells with a total focal dose of 30-40 Gy (Sh.Kh. Gantsev. Oncology. M.: Medical information agency. 2004, p. .190-204; Stephen J., Withrow E., MacEwen G. Smal animal clinical oncology - 2001, p.305-308).

Однако данный способ, несмотря на распространенность, обладает следующими недостатками. При лечении меланомы с помощью дистанционной гамма-терапии даже в сочетании с иммунотерапией, как показывает опыт, приводит к 75-90% рецидиву опухолей, а через 2-6 месяцев возникают метастазы.However, this method, despite the prevalence, has the following disadvantages. In the treatment of melanoma with the help of remote gamma therapy, even in combination with immunotherapy, as experience shows, leads to a 75-90% tumor recurrence, and metastases occur after 2-6 months.

Известен способ фотодинамического разрушения опухолей, включающий внутривенное введение фотосенсибилизатора и облучение опухоли непрерывным лазерным излучением с длиной волны, совпадающей с полосой поглощения фотосенсибилизатора (Photodynamic therapy /Ed.T.J.Dougherty/ J. Clin. Laser Med Surg. 1996, Vol.14, P.219-348; Патент РФ №2184578, МПК A61N 5/06; Странадко. Анализ непосредственных результатов ФДТ злокачественных новообразований. Новые достижения лазерной медицины. - М. - СПб., 1993, с.218). Селективный фотодинамический механизм разрушения раковых клеток основан на более высокой плотности (контрастности) накопления фотосенсибилизатора в опухолевых клетках по сравнению с обычными, что связано с большей плотностью кровеносных сосудов в опухоли по сравнению со здоровой биотканью.A known method of photodynamic destruction of tumors, including intravenous administration of a photosensitizer and irradiation of the tumor with continuous laser radiation with a wavelength that matches the absorption band of the photosensitizer (Photodynamic therapy / Ed. TJ Dougherty / J. Clin. Laser Med Surg. 1996, Vol.14, P. 219-348; RF Patent No. 2184578, IPC A61N 5/06; Stranadko. Analysis of the direct results of PDT of malignant neoplasms. New advances in laser medicine. - M. - St. Petersburg., 1993, p. 218). The selective photodynamic mechanism of destruction of cancer cells is based on a higher density (contrast) of photosensitizer accumulation in tumor cells compared to ordinary cells, which is associated with a higher density of blood vessels in the tumor compared to healthy biological tissue.

Однако этот контраст для различных опухолей не превышает двух-трех раз. При поглощении лазерного излучения фотосенсибилизатором молекулы красителя переходят в возбужденное электронное состояние и при столкновении с молекулами кислорода, растворенного в биоткани, переводят его из невозбужденного в возбужденное электронное синглетное состояние, с типичным временем жизни несколько микросекунд. За это время молекулы синглетного кислорода, пройдя характерный путь, соизмеримый с размерами клеток при взаимодействии с плазматической мембраной клетки, повреждают ее, и клетка гибнет вследствие некроза. Таким образом, разрушение клеток происходит лишь во время воздействия лазерного излучения в пространственной области облучения лазерным пучком.However, this contrast for various tumors does not exceed two to three times. When laser radiation is absorbed by a photosensitizer, the dye molecules transform into an excited electronic state and, when they collide with oxygen molecules dissolved in biological tissues, transfer it from an unexcited to an excited electronic singlet state with a typical lifetime of several microseconds. During this time, the molecules of singlet oxygen, having passed a characteristic path commensurate with the size of the cells when interacting with the plasma membrane of the cell, damage it, and the cell dies due to necrosis. Thus, cell destruction occurs only during exposure to laser radiation in the spatial region of laser beam irradiation.

Фотодинамический способ при разрушении клеток меланомы имеет ряд недостатков. Коэффициент поглощения меланина достигает 104-3 см-1 в ультрафиолетовой и фиолетовой области и спадает до 102 см-1 в красной области, поэтому глубина проникновения лазерного излучения менее сотен микрон. Используемые в практике фотосенсибилизаторы - фталационины, порфирины, хлорины имеют полосы поглощения фотосенсибилизаторов в ультрафиолетовой или видимой области спектра, и используемые лазеры не могут эффективно проникать в меланому. Кроме того, фотодинамический способ обладает малой контрастностью накопления фотосенсибилизаторов в раковых клетках.The photodynamic method for the destruction of melanoma cells has several disadvantages. The absorption coefficient of melanin reaches 10 4-3 cm -1 in the ultraviolet and violet region and drops to 10 2 cm -1 in the red region, so the depth of laser radiation penetration is less than hundreds of microns. The photosensitizers used in practice - phthalacins, porphyrins, chlorins have absorption bands in the ultraviolet or visible spectral range of the photosensitizers, and the lasers used cannot penetrate the melanoma. In addition, the photodynamic method has a low contrast accumulation of photosensitizers in cancer cells.

Наиболее близким к предлагаемому способу является нейтрон-захватный способ селективного разрушения меланомы (В.Н.Митин, Н.Г.Козловская, A.M.Арнопольская. Нейтрон-захватная терапия опухолей ротовой полости у собак. Всероссийский ветеринарный журнал. 2006. №1, с.9-10).Closest to the proposed method is a neutron capture method for the selective destruction of melanoma (V. N. Mitin, N. G. Kozlovskaya, AM Arnopol. Neutron capture therapy of oral tumors in dogs. All-Russian Veterinary Journal. 2006. No. 1, p. 9-10).

Способ включает введение в кровь внутривенно L-борфенилаланина, который селективно накапливается в определенной опухоли-меланоме, так как L-фенилаланин является незаменимой аминокислотой, из которой вырабатывается меланин, образующий меланоциты, содержащиеся в клетках меланомы. Таким образом, происходит селективное накопление L-борфенилаланина в клетках меланомы. При облучении пространственной зоны, соизмеримой с опухолью, содержащей L-борфенилалан пучком медленных нейтронов, получаемых по нейтроноводу из ядерного реактора, происходит разрушение клеток меланомы, вследствие индуцированного вторичного локального излучения бора.The method involves intravenous administration of L-borphenylalanine, which selectively accumulates in a particular melanoma tumor, since L-phenylalanine is an essential amino acid from which melanin is produced, which forms melanocytes contained in melanoma cells. Thus, selective accumulation of L-borphenylalanine in melanoma cells occurs. Upon irradiation of a spatial zone commensurate with a tumor containing L-borphenylalan by a beam of slow neutrons obtained by a neutron guide from a nuclear reactor, melanoma cells are destroyed due to the induced secondary local radiation of boron.

Однако данный способ обладает следующими недостатками.However, this method has the following disadvantages.

1. Радиационное облучение пациентов, которое лишь частично уменьшается при использовании литиевого защитного фартука.1. Radiation exposure of patients, which is only partially reduced when using a lithium protective apron.

2. Сложная и очень дорогая установка, включающая компактный ядерный реактор, требующий для обслуживания квалифицированных специалистов немедицинского профиля, в частности физиков-ядерщиков.2. A complex and very expensive installation, including a compact nuclear reactor, requiring qualified non-medical specialists, in particular nuclear physicists, to serve.

3. Длительное время облучения пациентов в течение часа при мониторинге сердечно-сосудистой системы.3. A long exposure time of patients for an hour when monitoring the cardiovascular system.

4. Применение общей анестезии.4. The use of general anesthesia.

Задачей настоящего изобретения является повышение локальности способа селективного разрушения меланомы при минимальном разрушении окружающих здоровых клеток биоткани.The objective of the present invention is to increase the locality of the method of selective destruction of melanoma with minimal destruction of the surrounding healthy biological tissue cells.

Технический результат заключается в эффективности повреждения злокачественных клеток меланомы при проведении операции без общей анестезии.The technical result consists in the effectiveness of damage to malignant melanoma cells during surgery without general anesthesia.

Поставленная задача решается тем, что в способе селективного разрушения меланомы, включающем внутривенное введение раствора аминокислоты L-фенилаланина и облучение меланомы, согласно решению в качестве раствора используют химическое соединение аминокислоты L-фенилаланина с золотыми или серебрянными наночастицами, представляющими собой золотые или серебрянные нанооблочки или наностержни при минимальной концентрации 108 см-3 и максимальной концентрации 1012/см-3 с плазменным резонансом, имеющим спектральный максимум в области прозрачности биотканей на длине волны 750-1200 нм, облучение меланомы проводят лазерным пучком с длиной волны излучения, совпадающей с спектральным максимумом поглощения плазменного резонанса наночастиц, при этом для локального разрушения клеток меланомы облучение производят последовательностью лазерных импульсов с длительностью лазерного импульса в диапазоне 10 мкс - 100 нс при минимальной скважности три и более при плотности энергии не менее 20 Дж/см2, но не более 200 Дж/см2.The problem is solved in that in a method for the selective destruction of melanoma, including intravenous administration of a solution of the amino acid L-phenylalanine and irradiation of melanoma, according to the solution, the chemical compound of the amino acid L-phenylalanine with gold or silver nanoparticles representing gold or silver nanoblocks or nanorods is used as a solution at a minimum concentration of 10 8 cm -3 and a maximum concentration of 10 12 / cm -3 with plasmon resonance, having a spectral maximum in transparency biological tissue at a wavelength of 750-1200 nm, irradiation of melanoma is carried out with a laser beam with a radiation wavelength coinciding with the spectral maximum absorption of the plasma resonance of nanoparticles, while for local destruction of melanoma cells, irradiation is carried out by a sequence of laser pulses with a laser pulse duration in the range of 10 μs - 100 ns with a minimum duty cycle of three or more with an energy density of at least 20 J / cm 2 but not more than 200 J / cm 2 .

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 показана блок-схема эксперимента по разрушению меланомы лабораторной крысы in vivo на основе импульсного лазерного фототермолиза при использовании технологии плазмонно-резонансных золотых или серебрянных наночастиц, где 1 - лабораторная крыса, 2 - химическое соединение L-фенилаланина с золотыми или серебряными плазмонно-резонансными наночастицами, состоящими из нанооболочек или наностержней; 3 - злокачественная опухоль - меланома; 4 - импульсный инфракрасный (750-1200 нм) полупроводниковый лазер с волоконно-оптическим световодом.Figure 1 shows a block diagram of an experiment in the destruction of laboratory rat melanoma in vivo based on pulsed laser photothermolysis using plasmon resonance gold or silver nanoparticle technology, where 1 is a laboratory rat, 2 is a chemical compound of L-phenylalanine with gold or silver plasmon -resonant nanoparticles consisting of nanoshells or nanorods; 3 - malignant tumor - melanoma; 4 - pulsed infrared (750-1200 nm) semiconductor laser with a fiber optic fiber.

На фиг.2 - изображение золотых наночастиц, полученное с помощью электронного микроскопа: (а) - наносферы диаметром 5 нм, (б) - золотые нанооболочки диаметром 90 нм с ядром из двуокиси кремния, (в) - золотые наностержни с диаметром 15 нм и длиной 50 нм.Figure 2 - image of gold nanoparticles obtained using an electron microscope: (a) - nanospheres with a diameter of 5 nm, (b) - gold nanoshells with a diameter of 90 nm with a silicon dioxide core, (c) - gold nanorods with a diameter of 15 nm and 50 nm long.

На фиг.3 - зависимость коэффициента экстинкции (поглощение и рассеяние света) от длины волны (нм) при изменении геометрических параметров наночастиц: (а) - золотые наносферы, (б) - золотые наностержни с отношение длины к диаметру от 1 до 6; (в) - золотые оболочки с толщиной 2 нм с диаметром ядра из двуокиси кремния от 10 до 90 нм.Figure 3 - dependence of the extinction coefficient (absorption and scattering of light) on the wavelength (nm) when changing the geometric parameters of the nanoparticles: (a) gold nanospheres, (b) gold nanorods with a ratio of length to diameter from 1 to 6; (c) - gold shells with a thickness of 2 nm with a diameter of the core of silicon dioxide from 10 to 90 nm.

На фиг.4 - термограмма эффективности нагрева золотых плазмонно-резонансных нанооболочек при воздействии непрерывного и импульсного лазерного излучения с длиной волны 810 нм при одинаковой средней оптической мощности 2 Вт и времени облучения 1 минута.Figure 4 is a thermogram of the heating efficiency of gold plasmon resonance nanoshells when exposed to continuous and pulsed laser radiation with a wavelength of 810 nm with the same average optical power of 2 W and an irradiation time of 1 minute.

На фиг.5 - экспериментальная термограмма неравномерности нагрева по глубине кюветы при облучении лазерным пучком плазмонно-резонансных золотых нанооболочек с различной концентрацией: (а) - N=5·109 мл-1, (б) - N/8=0.61·109 мл-1.Figure 5 - experimental thermogram of uneven heating along the depth of the cuvette when the laser beam irradiates plasmon resonance gold nanoshells with different concentrations: (a) N = 5 · 10 9 ml -1 , (b) N / 8 = 0.61 · 10 9 ml -1 .

На фиг.6 представлена фотография лабораторной крысы при воздействии излучения полупроводникового лазера, используемого для нагрева плазмонно-резонансных наночастиц с помощью непрерывного (крестики) и импульсного режима (точки) при одинаковой средней плотности лазерной энергии.Figure 6 presents a photograph of a laboratory rat when exposed to radiation from a semiconductor laser used to heat plasmon resonance nanoparticles using continuous (crosses) and pulsed mode (points) at the same average laser energy density.

На фиг.7 представлена термограмма эффективности лазерного фототермолиза биотканей с введенными на разную глубину золотыми плазмонно-резонансными наночастицами: (а) - контроль без наночастиц; (б) - внутимышечное введение объема 0.1 мл SiO2/Au на глубину 5 мм; (в) подкожное введение; (г) внутрикожное введение.Figure 7 presents a thermogram of the effectiveness of laser photothermolysis of biological tissues with gold plasmon resonance nanoparticles introduced at different depths: (a) control without nanoparticles; (b) intramuscular injection of a volume of 0.1 ml SiO 2 / Au to a depth of 5 mm; (c) subcutaneous administration; (d) intradermal administration.

На фиг.8 - гистологический срез биоткани лабораторной крысы после внитримышечного введения плазмонно-резонансных нанооболочек на глубину 5 мм при последующем воздействии излучением полупроводникового лазера с длиной волны 810 нм в течение 30 секунд, мощностью 2 Вт в непрерывном режиме, (а) - снимок в темном поле, (б) - снимок в проходящем свете.On Fig - histological section of the biological tissue of a laboratory rat after intramuscular injection of plasmon resonance nanoshells to a depth of 5 mm with subsequent exposure to radiation of a semiconductor laser with a wavelength of 810 nm for 30 seconds, a power of 2 W in continuous mode, (a) - picture in dark field, (b) - a picture in transmitted light.

На фиг.9 - гистологический срез от эпидермиса до мышечной ткани после внитримышечного введения золотых плазмонно-резонансных нанооболочек на глубину 5 мм при воздействии излучения полупроводникового лазера с длиной волны 810 нм в течение 10 секунд: (а) - импульсный режим, длительность импульса 1 мс, скважность 5; (б) - непрерывный режим с одинаковой лазерной энергией 20 Дж.Figure 9 is a histological section from the epidermis to muscle tissue after extra-muscular injection of gold plasmon resonance nanoshells to a depth of 5 mm when exposed to radiation from a semiconductor laser with a wavelength of 810 nm for 10 seconds: (a) pulse mode, pulse duration 1 ms , duty cycle 5; (b) - continuous mode with the same laser energy of 20 J.

На фиг.10 - разрушение меланомы слизистой ротовой полости у собаки при лазерном фототермолизе на основе технологии плазмонно-резонансных наночастиц: (а) - фотография (б) - термограмма.Figure 10 - destruction of the melanoma of the oral mucosa in a dog during laser photothermolysis based on plasmon resonance nanoparticle technology: (a) photograph (b) thermogram.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Человеку или животному внутривенно, например, лабораторной крысе 1 в хвостовую вену с помощью инсулинового шприца вводится раствор, состоящий из химического соединения 2 L-фенилаланина с золотыми или серебряными плазмонно-резонансными нанооболочками или наностержнями (биоконъюгат) при концентрации не менее 108 см-3 и не более 1012 см-3, растворенном в физиологическом растворе, не менее чем через 1 час и не более чем 4 часа, соответствующих оптимальному накоплению наночастиц в злокачественной опухоли - меланоме 3, производят облучение меланомы импульсным полупроводниковым лазером 4 с длиной волны, совпадающей с максимумом плазменного резонанса наночастиц, лежащим в области прозрачности биотканей (750-1200 нм), в течение времени, которое определяется соответствующим уровнем плотности энергии воздействующего лазерного пучка не менее 20 Дж/см2 и не более 200 Дж/см2. Следует отметить, что в качестве импульсного лазера с микро- и наносекундной длительностью может быть использован твердотельные лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом с длиной волны 960 и 1064 нм.To a person or animal, for example, laboratory rat 1, a solution consisting of chemical compound 2 L-phenylalanine with gold or silver plasmon resonance nanoshells or nanorods (bioconjugate) at a concentration of not less than 10 8 cm -3 is injected into the tail vein using an insulin syringe and not more than 10 12 cm -3, dissolved in saline, is not less than 1 hour and no more than 4 hours respective optimal accumulation of nanoparticles in cancer - melanoma 3, produce irradiation melanomas pulsed semiconductor laser 4 having a wavelength coinciding with the maximum plasmon resonance nanoparticles lying in the region of transparency of tissues (750-1200 nm) for a time which is determined by the appropriate level of energy density incident laser beam is not less than 20 J / cm 2 and not more than 200 J / cm 2 . It should be noted that solid state lasers based on yttrium aluminum garnet with neodymium with a wavelength of 960 and 1064 nm can be used as a pulsed laser with a micro- and nanosecond duration.

Нижний предел плотности энергии используемых лазеров определяется температурой нагрева биоткани, содержащей наночастицы, вызывающий некроз клеток опухоли, а верхний предел определяется уровнем плотности лазерной энергии, не вызывающей патологических изменений биоткани, в которой не содержатся плазмонно-резонансные наночастицы.The lower limit of the energy density of the used lasers is determined by the heating temperature of the biological tissue containing nanoparticles, which causes necrosis of the tumor cells, and the upper limit is determined by the level of laser energy density, which does not cause pathological changes in the biological tissue, which does not contain plasmon resonance nanoparticles.

В лаборатории размерных наносенсоров ИБФРМ РАН авторами заявки разработана технология и реально изготавливаются плазмонно-резонансные наночастицы с возможностью управления спектральным положением плазмонного резонанса золотых или серебряных наночастиц при изменении геометрических параметров наночастиц как показано на фиг.4 (Н.Г.Хлебцов, В.А.Богатырев, Л.А.Дыкман, Б.Н.Хлебцов. Золотые наноструктуры с плазменным резонансом для биомедицинских исследований // Российские нанотехнологии. 2007. Т.2. №3-4. С.69-86; Khiebtsov N.G., Trachuk L.A., Melnikov A.G. Proc. SPIE, 2004. V.5475, 1-11).In the laboratory of dimensional nanosensors of the IBFRM RAS, the authors of the application developed a technology and actually produced plasmon resonance nanoparticles with the ability to control the spectral position of the plasmon resonance of gold or silver nanoparticles by changing the geometric parameters of the nanoparticles as shown in Fig. 4 (N.G. Khlebtsov, V.A. Bogatyrev, L. A. Dykman, B. N. Khlebtsov. Gold nanostructures with plasma resonance for biomedical research // Russian Nanotechnologies. 2007. V.2. No. 3-4. P.69-86; Khiebtsov NG, Trachuk LA, Melnikov AG Proc. SPIE, 2004. V.5 475, 1-11).

Из сравнения лазерного нагрева кюветы с плазмонно-резонансными золотыми нанооболочками объемом 2 мл (фиг.5) при непрерывном (максимальная температура нагрева 57,4°С) и импульсном (максимальная температура нагрева 40,7°С) (длительность лазерных импульсов 2 мс и временное расстояние между импульсами 14 мс, скважность 7) облучении при одинаковой средней энергии лазерного излучения 150 Дж (в непрерывном режиме лазерная мощность 2,5 Вт в течение 1 минуты). Нетрудно видеть, что при импульсном воздействии кювета нагревается на 17°С меньше по сравнению с непрерывным нагревом, что экспериментально доказывает локальность нагрева плазмонно-резонансных золотых нанооболочек, обусловленною конечностью времени установления температуры.From a comparison of laser heating of a cuvette with plasmon-resonant gold nanoshells with a volume of 2 ml (Fig. 5) at continuous (maximum heating temperature 57.4 ° C) and pulsed (maximum heating temperature 40.7 ° C) (laser pulse duration 2 ms and time interval between pulses 14 ms, duty cycle 7) irradiation with the same average laser energy of 150 J (in continuous operation, laser power 2.5 W for 1 minute). It is easy to see that under pulsed exposure, the cuvette heats up by 17 ° C less than continuous heating, which experimentally proves the local heating of plasmon resonance gold nanoshells, due to the finite time it takes to establish the temperature.

Концентрация плазмонно-резонансных золотых или серебряных наночастиц должна находиться в определенном диапазоне. Максимальное значение концентрации плазмонно-резонансных золотых или серебряных наночастиц определяется процессами образования кластеров и уширения плазменного резонанса. Нижняя граница концентрации плазмонно-резонансных золотых или серебряных наночастиц определяется эффективностью лазерного нагрева. На фиг.5. показана экспериментальная термограмма неравномерности нагрева плазмонно-резонансных золотых нанооболочек по глубине при облучении лазерным пучком при различных концентрациях. Пробирка типа Эппендорф с золотыми плазмонно-резонансными нанооболочками, растворенными в физрастворе объемом 2 мл с разной концентрацией наночастиц 5·109 мл-1 (а) и 0.61·109 мл (отличающихся в 8 раз) при воздействии непрерывного лазерного излучения с длиной волны 810 нм, совпадающей с максимумом поглощения наночастиц при одинаковой средней лазерной мощности 2 Вт и времени облучения 2 минуты.The concentration of plasmon resonance gold or silver nanoparticles should be in a certain range. The maximum concentration of plasmon resonance gold or silver nanoparticles is determined by the processes of cluster formation and broadening of plasma resonance. The lower limit of the concentration of plasmon resonance gold or silver nanoparticles is determined by the efficiency of laser heating. In Fig.5. An experimental thermogram is shown of the uneven heating of plasmon resonance gold nanoshells in depth when irradiated with a laser beam at various concentrations. Eppendorf type tube with gold plasmon resonance nanoshells dissolved in a 2 ml saline solution with different nanoparticle concentrations of 5 · 10 9 ml -1 (a) and 0.61 · 10 9 ml (8 times different) when exposed to continuous laser radiation with a wavelength 810 nm, which coincides with the maximum absorption of nanoparticles at the same average laser power of 2 W and an irradiation time of 2 minutes.

При этом, как показали контрольные эксперименты, проведенные по облучению биотканей лабораторных крыс с введенными в опухоль золотыми плазмонно-резонансными наночастицами (фиг.6) и последующим гистологическим анализом (фиг.8) были определены режимы лазерного облучения, в частности, длительность оптических импульсов, временное расстояние между ними и плотность лазерной энергии, вызывающий при фототермолизе биотканей локальный некроз клеток меланомы (см. статью I.L.Maksimova, G.G.Akchurin, B.N.Khiebtsov, G.S.Terentyuk, G.G.Akchurin, I.A.Ermolaev, A.A.Skaptsov, E.P.Soboleva, N.G.Khiebtsov and V.V.Tuchin. Near-infrared laser photothermal therapy of cancer by using gold nanoparticles:computer simulations and experiment. Medical Laser Application, 2007, V.22).Moreover, as shown by control experiments conducted on the irradiation of biological tissues of laboratory rats with gold plasmon resonance nanoparticles introduced into the tumor (Fig. 6) and subsequent histological analysis (Fig. 8), the modes of laser irradiation were determined, in particular, the duration of optical pulses, the time distance between them and the laser energy density that causes local necrosis of melanoma cells during photothermolysis of biological tissues (see article ILMaksimova, GGAkchurin, BNKhiebtsov, GSTerentyuk, GGAkchurin, IAErmolaev, AASkaptsov, EPSoboleva, NGKhiebtsov and n. Near-infrared laser photothermal therapy of cancer by using gold nanoparticles: computer simulations and experiment. Medical Laser Application, 2007, V.22).

Как показано на фиг.8 в результате лазерого фототермолиза на основе технологии плазмонно-резонансных наночастиц по данным гистологического исследования наблюдается деструкция и фрагментация поперечно-полосатой мышцы, незначительный отек. На снимке в темном поле отчетливо видны наночастицы, расположенные в области исчерченности поперечно-полосатой мышцы.As shown in Fig. 8, as a result of laser photothermolysis based on plasmon resonance nanoparticle technology according to histological data, destruction and fragmentation of the striated muscle, slight edema are observed. In the image in a dark field, nanoparticles located in the striated area of the striated muscle are clearly visible.

Результаты сравнения лазерного фототермолиза при импульсном и непрерывном лазерном облучении представлены на фиг.9, где показан гистологический срез от эпидермиса до мышечной ткани после внутримышечного введения золотых плазмонно-резонансных нанооболочек на глубину 5 мм. При воздействии излучения полупроводникового лазера с длиной волны 810 нм в течение 10 секунд: (а) - импульсный режим, длительность импульса 1 мс, скважность 5; (б) - непрерывный режим с одинаковой лазерной энергией 20 Дж, следует, что при импульсном воздействии наблюдается лишь отек и разрыхление соединительной ткани, клеточная инфильтрация, свидетельствующая о воспалительном процессе. При непрерывном воздействии (б), в результате лазерного фототермолиза возникают очаги дестукции в дерме в виде гомогенизации и набухания основного вещества и коллагеновых волокон.The results of comparing laser photothermolysis with pulsed and continuous laser irradiation are presented in Fig. 9, which shows a histological section from the epidermis to muscle tissue after intramuscular injection of gold plasmon resonance nanoshells to a depth of 5 mm. When exposed to radiation from a semiconductor laser with a wavelength of 810 nm for 10 seconds: (a) pulsed mode, pulse duration 1 ms, duty cycle 5; (b) - a continuous mode with the same laser energy of 20 J, it follows that when pulsed exposure is observed only swelling and loosening of the connective tissue, cell infiltration, indicating an inflammatory process. Under continuous exposure (b), as a result of laser photothermolysis, foci of destruction in the dermis appear in the form of homogenization and swelling of the main substance and collagen fibers.

При импульсном нагреве золотых наночастицей длительность лазерного импульса определяет локальность нагрева наночастиц окружающей биоткани. Оценки показывают, что при облучении наносекундными импульсами эффективный радиус нагрева окружающей биоткани составляет не более 1 микрона (Khlebtsov B.N., Zharov V.P., Melnikov A.G., Tuchin V.V., Khlebtsov N.G. Optical amplification of photothermal therapy with gold nanoparticles and nanoclusters. Nanotechnology, 2006; 17, 5267-5179).During pulsed heating of gold nanoparticles, the duration of the laser pulse determines the locality of heating of the nanoparticles of the surrounding biological tissue. Estimates show that when irradiated with nanosecond pulses, the effective heating radius of the surrounding biological tissue is no more than 1 micron (Khlebtsov BN, Zharov VP, Melnikov AG, Tuchin VV, Khlebtsov NG Optical amplification of photothermal therapy with gold nanoparticles and nanoclusters. Nanotechnology, 2006; 17, 5267-5179).

Однако обнаруженный эффект дефрагментации плазмонно-резонансных золотых нанооболочек при энергии одиночного лазерного импульса более 2 мДж и длительности 4 нс, вызывающих разрушение нанооболочек или локальное оплавление наностержней приводит к ограничению на интенсивность лазерного излучения сверху и его минимальную длительность. (G.Akchurin, В.Khlebtsov, G.Akchurin, V.Tuchin, V.Zharov, N.Khiebtsov. Laser-induced phonodestruction of silica/gold nanoshells under single nanosecond pulses. Nanothechnology, 2007, V.18).However, the detected effect of defragmentation of plasmon resonance gold nanoshells at an energy of a single laser pulse of more than 2 mJ and a duration of 4 ns, causing the destruction of nanoshells or local melting of nanorods, limits the laser radiation intensity from above and its minimum duration. (G. Akchurin, B. Khlebtsov, G. Akchurin, V. Tuchin, V. Zharov, N. Khiebtsov. Laser-induced phonodestruction of silica / gold nanoshells under single nanosecond pulses. Nanothechnology, 2007, V.18).

Таким образом, параметры лазерного импульсного воздействия определялись экспериментально на фантомах биоткани и in vivo на спонтанных опухолях животных, при последующем гистологическом анализе и минимальная длительность лазерного импульса ограничивалась условием, указанным в формуле изобретения.Thus, the parameters of laser pulsed exposure were determined experimentally on phantoms of biological tissue and in vivo on spontaneous animal tumors, with subsequent histological analysis and the minimum duration of the laser pulse was limited by the condition specified in the claims.

Проведенный по патентуемой методике лазерный фототермолиз на основе технологии плазмонно-резонансных золотых нанооболочек меланомы слизистой рта у собак и кошек вызвал рубцевание ткани без ремиссии и метастаз уже в течение от нескольких месяцев до одного года.The laser photothermolysis carried out by the patented technique based on the technology of plasmon resonance gold nanoshells of the melanoma of the oral mucosa in dogs and cats caused tissue scarring without remission and metastasis for several months to one year.

Claims (1)

Способ селективного разрушения меланомы, включающий облучение меланомы, отличающийся тем, что дополнительно, до облучения, внутривенно вводят раствор химического соединения аминокислоты L-фенилаланина с золотыми или серебряными наночастицами, представляющими собой золотые или серебряные нанооболочки с ядром из двуокиси кремния или наностержни при минимальной концентрации 108 см-3 и максимальной концентрации 1012 см-3 с плазменным резонансом, имеющим спектральный максимум в области прозрачности биотканей на длине волны 750-1200 нм, облучение меланомы проводят не менее чем через 1 ч и не более чем через 4 ч после введения раствора лазерным пучком с длиной волны излучения, совпадающей со спектральным максимумом поглощения плазменного резонанса наночастиц, при этом облучение производят последовательностью лазерных импульсов с длительностью лазерного импульса в диапазоне 10 мкс - 100 нс при минимальной скважности три и более, при плотности энергии не менее 20 Дж/см2, но не более 200 Дж/см2. A method for the selective destruction of melanoma, including irradiating melanoma, characterized in that, additionally, prior to irradiation, a solution of the chemical compound of the amino acid L-phenylalanine with gold or silver nanoparticles, which are gold or silver nanoshells with a core of silicon dioxide or a nanorod, is introduced at a minimum concentration of 10 8 cm -3 and a maximum concentration of 10 12 cm -3 with a plasma resonance having a spectral maximum in the transparency region of biological tissues at a wavelength of 750-1200 nm, is irradiated melanomas are carried out not less than 1 hour and not more than 4 hours after the injection of the solution by a laser beam with a radiation wavelength coinciding with the spectral maximum of absorption of the plasma resonance of the nanoparticles, while irradiation is carried out by a sequence of laser pulses with a laser pulse duration in the range of 10 μs - 100 ns with a minimum duty cycle of three or more, with an energy density of at least 20 J / cm 2 but not more than 200 J / cm 2 .
RU2007143167/14A 2007-11-21 2007-11-21 Method for selective destruction of melanoma RU2347563C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007143167/14A RU2347563C1 (en) 2007-11-21 2007-11-21 Method for selective destruction of melanoma

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007143167/14A RU2347563C1 (en) 2007-11-21 2007-11-21 Method for selective destruction of melanoma

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2347563C1 true RU2347563C1 (en) 2009-02-27

Family

ID=40529697

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007143167/14A RU2347563C1 (en) 2007-11-21 2007-11-21 Method for selective destruction of melanoma

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2347563C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2447915C1 (en) * 2010-09-02 2012-04-20 Любовь Андреевна Осминкина Method for ultrasound amplification in hyperthermia therapy of tumour tissues with using silicone nanoclusters
RU2474443C1 (en) * 2011-11-28 2013-02-10 Борис Николаевич Хлебцов Thermal sensitiser for laser hyperthermia and method for producing it
RU2653801C1 (en) * 2015-06-18 2018-05-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Method of selective laser photothermolysis of cancer cells by plasmon resonance nanoparticles

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIAOHUA H. et al. Cancer Cell Imaging and Photothermal Therapy in the Near-Infrared Region by Using Gold Nanorods, J. Am. Chem. Soc., 128 (6), 2115-2120, 2006, Web Release Date: January 21, 2006, найдено в Интернет {http://pubs.acs.org/cgi-bin/abstract.cgi/jacsat/2006/128/i06/abs/ja057254a.html}, 05.-8.2008. Immunonanoshells for Selective Photothermal Therapy (Abstract 3198) and Nanoshells for Combined Cancer Therapy and Imaging in vivo (Abstract 2711), 17.11.2005, American Association for Cancer Research, News Archives: 2005, найдено в Интернет {http://www.aacr.org/home/publicmedia/news/news-archives-2005.aspx?d=557}, 05.08.2008. DOUGHERTY TJ. et al. Photodynamic therapy, J Natl Cancer Inst. 1998 Jun 17; 90(12):889-905. *
МИТИН В.Н. и др. Нейтрон-захватная терапия опухолей ротовой полости у собак. - Всероссийский ветеринарный журнал, 2006, №1, с.9-10. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2447915C1 (en) * 2010-09-02 2012-04-20 Любовь Андреевна Осминкина Method for ultrasound amplification in hyperthermia therapy of tumour tissues with using silicone nanoclusters
RU2474443C1 (en) * 2011-11-28 2013-02-10 Борис Николаевич Хлебцов Thermal sensitiser for laser hyperthermia and method for producing it
RU2653801C1 (en) * 2015-06-18 2018-05-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Method of selective laser photothermolysis of cancer cells by plasmon resonance nanoparticles

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lloyd et al. Selective photothermolysis of the sebaceous glands for acne treatment
Svanberg et al. Photodynamic therapy of non‐melanoma malignant tumours of the skin using topical δ‐amino levulinic acid sensitization and laser irradiation
Terentyuk et al. Laser-induced tissue hyperthermia mediated by gold nanoparticles: toward cancer phototherapy
RU2382659C1 (en) Method of local tumor destruction by means of shf heating of magnetic nanoparticles
JP4662631B2 (en) Apparatus for treating pigmented tissue using light energy
US9108045B2 (en) Method and apparatus for optical inhibition of photodynamic therapy
Chu et al. Second near-infrared photothermal therapy with superior penetrability through skin tissues
RU2347563C1 (en) Method for selective destruction of melanoma
Chang et al. In vitro and in vivo photosensitizing capabilities of 5‐ALA versus Photofrin® in vascular endothelial cells
RU2424831C1 (en) Method of laser photothermolysis of cancer cells
Farrell et al. Dependence of photodynamic threshold dose on treatment parameters in normal rat liver in vivo
Masumoto et al. Tissue distribution of a new photosensitizer ATX-S10Na (II) and effect of a diode laser (670 nm) in photodynamic therapy
RU2425701C1 (en) Method of laser hyperthermia therapy of tumours
RU2446842C2 (en) Method of treating locally advanced oncological diseases in experiment
Star et al. Wavelength dependence of hematoporphyrin derivative photodynamic treatment effects on rat ears
RU2405600C9 (en) Method of selective destruction of malignant cells by magnetic microcontainers with photodynamic or photothermal dyes
Honda et al. Determination of optical property changes by laser treatments using inverse adding-doubling method
RU2617090C1 (en) Method for photodynamic therapy of malignant tumours
RU2653801C1 (en) Method of selective laser photothermolysis of cancer cells by plasmon resonance nanoparticles
RU2815258C1 (en) Method for determining optimal energy parameters of laser-induced photodynamic therapy of dysplasia and cervical cancer
Guo et al. Simulating PDT of port-wine stains in the in vivo chicken wattle model using Hemoporfin and radiation at 532 nm: Comparison of a LED and a laser source
Abu-Taha et al. Broadband Infrared Tissue Absorption using Miniature Homemade Infrared Light Source: Preliminary study for Tumor Heating
Efendiev et al. Combined use of 5-ALA-induced protoporphyrin IX and chlorin e6 for fluorescence diagnostics and photodynamic therapy of skin tumors
Yaseen et al. Photothermal and photochemical effects of laser light absorption by indocyanine green (ICG)
Fanjul-Vélez et al. Photochemical model of Photodynamic Therapy applied to skin diseases by a topical photosensitizer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20091122