RU2607579C2 - Biocompatible nanomaterial for photosensitivity singlet oxygen and method for production thereof - Google Patents

Biocompatible nanomaterial for photosensitivity singlet oxygen and method for production thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2607579C2
RU2607579C2 RU2014141085A RU2014141085A RU2607579C2 RU 2607579 C2 RU2607579 C2 RU 2607579C2 RU 2014141085 A RU2014141085 A RU 2014141085A RU 2014141085 A RU2014141085 A RU 2014141085A RU 2607579 C2 RU2607579 C2 RU 2607579C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cds
solution
temperature
singlet oxygen
cations
Prior art date
Application number
RU2014141085A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014141085A (en
Inventor
Олег Владимирович Овчинников
Михаил Сергеевич Смирнов
Тамара Сергеевна Шатских
Борис Иссакович Шапиро
Василий Николаевич Попов
Виктор Юрьевич Башмаков
Владимир Юрьевич Хохлов
Алексей Сергеевич Перепелица
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ")
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ")
Priority to RU2014141085A priority Critical patent/RU2607579C2/en
Publication of RU2014141085A publication Critical patent/RU2014141085A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2607579C2 publication Critical patent/RU2607579C2/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61KPREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/48Preparations in capsules, e.g. of gelatin, of chocolate
    • A61K9/50Microcapsules having a gas, liquid or semi-solid filling; Solid microparticles or pellets surrounded by a distinct coating layer, e.g. coated microspheres, coated drug crystals
    • A61K9/51Nanocapsules; Nanoparticles
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61KPREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K47/00Medicinal preparations characterised by the non-active ingredients used, e.g. carriers or inert additives; Targeting or modifying agents chemically bound to the active ingredient
    • A61K47/30Macromolecular organic or inorganic compounds, e.g. inorganic polyphosphates
    • A61K47/42Proteins; Polypeptides; Degradation products thereof; Derivatives thereof, e.g. albumin, gelatin or zein
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G11/00Compounds of cadmium
    • C01G11/02Sulfides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Medicinal Preparation (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)
  • Pharmaceuticals Containing Other Organic And Inorganic Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: group of inventions refers to medicine, in particular to oncology, and describes a biocompatible nanomaterial and method of its production. Proposed biocompatible nanomaterial is a hybrid associates of colloidal quantum dots CdS with average size of 2–4 nm with cations of methylene blue (MB+) in concentration 10-1–10-4 paintsCdS). Method involves double jet merging of 0.6–5 % solution of sodium sulphide and 0.8–7 % solution of cadmium bromide with melt of gelatin with producing of colloidal solution, containing colloidal quantum dots of CdS, solution is held at temperature of 4–10 °C, produced gelatine jelly is crushed to grain with size 5–10 mm, washed in distilled water at temperature from 7 to 13 °C for 30 minutes, decant excess water and granules are heated to temperature above 40°C. Nanomaterial is highly efficient generation of singlet oxygen and satisfactory parameters of cytotoxicity, testifies to its biocompatibility.
EFFECT: invention can be used in medicine and biology for photodynamic therapy of oncological and other human diseases.
2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к областям медицины и биологии и может быть использовано в методе фотодинамической терапии (ФДТ) онкологических заболеваний.The invention relates to the fields of medicine and biology and can be used in the method of photodynamic therapy (PDT) of cancer.

В современной онкологии, наряду с хирургией, различными радиоизотопными методами, химиотерапией и т.п. признано перспективным направление фотодинамической терапии (ФДТ). В ФДТ исходным действующим агентом является высокоактивный синглетный кислород 1O2. Его действие губительно для раковых клеток [Захаров С.Д. Светокислородный эффект в клетках и перспективы его применения в терапии опухолей / С.Д. Захаров, А.В. Иванов // Квантовая электроника. 1999. Т. 29, №3. С. 192-197], а также положительно для детоксикации организма, стимуляции обменных и регенеративных процессов в тканях и фотобактерицидных целей [А.А. Красновский, Фотодинамическая регуляция биологических процессов. Проблемы регуляции в биологических системах, Под общей ред. А.Б. Рубина. М.: Ижевск, (2006)]. Продуцирование синглетного кислорода светом в больных тканях и клетках возможно только в присутствии фотосенсибилизаторов, поскольку прямой фотопереход 3О21О2 запрещен по орбитальным и спиновым правилам отбора [Шинкаренко Н.В. Синглетный кислород, методы получения и обнаружения / Н.В. Шинкаренко, В.Б. Алесковский // Успехи химии. 1981. T.L. В.3. С. 406-427; Захаров, С.Д. Светокислородный эффект в клетках и перспективы его применения в терапии опухолей / С.Д. Захаров, А.В. Иванов // Квантовая электроника. 1999. Т. 29, №3. С. 192-197].In modern oncology, along with surgery, various radioisotope methods, chemotherapy, etc. The direction of photodynamic therapy (PDT) was recognized as promising. In PDT, the starting active agent is highly active singlet oxygen 1 O 2 . Its effect is detrimental to cancer cells [Zakharov SD Oxygen effect in cells and the prospects for its use in the treatment of tumors / S.D. Zakharov, A.V. Ivanov // Quantum Electronics. 1999.Vol. 29, No. 3. P. 192-197], and also positively for detoxification of the body, stimulation of metabolic and regenerative processes in tissues and photobactericidal purposes [A.A. Krasnovsky, Photodynamic regulation of biological processes. Problems of regulation in biological systems, Under the general ed. A.B. Ruby. M .: Izhevsk, (2006)]. The production of singlet oxygen by light in diseased tissues and cells is possible only in the presence of photosensitizers, since the direct 3 O 21 O 2 phototransition is prohibited by the orbital and spin selection rules [Shinkarenko N.V. Singlet oxygen, methods of obtaining and detection / N.V. Shinkarenko, V.B. Aleskovsky // Advances in Chemistry. 1981. TL B.3. S. 406-427; Zakharov, S.D. Oxygen effect in cells and the prospects for its use in the treatment of tumors / S.D. Zakharov, A.V. Ivanov // Quantum Electronics. 1999.Vol. 29, No. 3. S. 192-197].

В качестве фотосенсибилизаторов наибольшее распространение пока получили гетероциклические органические красители, обладающие высоким выходом триплетов. Однако их успешному использованию препятствуют низкопороговая фотодеградация, часто необратимая, а также склонность к внутри- и межмолекулярным взаимодействиям, приводящим к формированию новых форм красителя. В результате спектральные условия фотосенсибилизации нарушаются [А.А. Красновский, Фотодинамическая регуляция биологических процессов. Проблемы регуляции в биологических системах, Под общей ред. А.Б. Рубина. М.: Ижевск, (2006)]. Следовательно, разработка новых более устойчивых к окружению и действию света фотосенсибилизаторов синглетного кислорода для терапии онкологических заболеваний является крайне важным и необходимым предметом исследований в области интегрированных нано- и биотехнологий [С.Д. Захаров, А.В. Иванов, Квантовая электроника. 29, №3. 192-197, (1999); А.А. Красновский, Фотодинамическая регуляция биологических процессов. Проблемы регуляции в биологических системах, Под общей ред. А.Б. Рубина. М.: Ижевск, (2006); A. Fernandez-Fernandez, R. Manchanda, A.J. McGoron, Appl. Biochem. Biotechnol, 165, №7-8, 1628-1651, (2011)].As photosensitizers, heterocyclic organic dyes with a high triplet yield have so far been most widely used. However, their successful use is hindered by low-threshold photodegradation, often irreversible, as well as a tendency to intra- and intermolecular interactions, leading to the formation of new forms of the dye. As a result, the spectral conditions of photosensitization are violated [A.A. Krasnovsky, Photodynamic regulation of biological processes. Problems of regulation in biological systems, Under the general ed. A.B. Ruby. M .: Izhevsk, (2006)]. Consequently, the development of new singlet oxygen photosensitizers more resistant to the environment and the action of light for the treatment of cancer is an extremely important and necessary subject of research in the field of integrated nano- and biotechnologies [S.D. Zakharov, A.V. Ivanov, Quantum Electronics. 29, No. 3. 192-197, (1999); A.A. Krasnovsky, Photodynamic regulation of biological processes. Problems of regulation in biological systems, Under the general ed. A.B. Ruby. M .: Izhevsk, (2006); A. Fernandez-Fernandez, R. Manchanda, A.J. McGoron, Appl. Biochem. Biotechnol, 165, No. 7-8, 1628-1651, (2011)].

На сегодняший день реализованы конструкции фотосенсибилизаторов синглетного кислорода на основе фуллеренов [US 5866316, 02.02.1999], кремниевых нанокристаллов [JP 20020176515, 18.06.2002; RU 2329061, 20.07.2008], металлопорфиринов, органических красителей (метиленовый голубой, тионин и др.) и их производных [US 20120302557, 29.11.2012], а также композитов на основе светоизлучающих наночастиц в сочетании с молекулами органических фотосенсибилизаторов [US 20020127224, 12.09.2002].To date, the construction of singlet oxygen photosensitizers based on fullerenes [US 5866316, 02.02.1999], silicon nanocrystals [JP 20020176515, 06/18/2002; RU 2329061, 07.20.2008], metalloporphyrins, organic dyes (methylene blue, thionine, etc.) and their derivatives [US 20120302557, 11.29.2012], as well as composites based on light-emitting nanoparticles in combination with molecules of organic photosensitizers [US 20020127224, 09/12/2002].

Так, в патенте US 5866316, 02.02.1999 предложен метод получения фотосенсибилизатора синглетного кислорода на основе фуллеренов С60 в растворе, которые характеризуются квантовым выходом сенсибилизации синглетного кислорода, близким к единице и обладают низкой токсичностью. Однако существенным недостатком фуллеренов, полученных описанным способом, является гидрофобность, а также склонность к агрегации в необходимых для сенсибилизации синглетного кислорода концентрациях, что накладывает ограничения на применение подобного фотосенсибилизатора в ФДТ.So, in the patent US 5866316, 02.02.1999, a method for producing a singlet oxygen photosensitizer based on C 60 fullerenes in solution, which are characterized by a quantum yield of singlet oxygen sensitization close to unity and have low toxicity, is proposed. However, a significant drawback of the fullerenes obtained by the described method is hydrophobicity, as well as a tendency to aggregate at concentrations necessary for sensitization of singlet oxygen, which imposes restrictions on the use of such a photosensitizer in PDT.

Часть недостатков фотосенсибилизатора, предложенного в патенте US 5866316, 02.02.1999, устранена в патенте RU 2329061, 20.07.2008, где авторы предлагают использовать нанокомпозиты на основе кремниевых нанокристаллов размером 2-100 нм с адсорбированными на поверхности молекулами фуллерена при относительном содержании фуллерена от 0.3 до 4% по весу. Недостатком данного изобретения является использование токсичных растворителей (например, тетрахлорида углерода) при синтезе нанокристаллов кремния. Удовлетворительные приемы очистки синтезируемых нанокристаллов, позволяющие их активно использовать в медицине и биологии, отсутствуют.Part of the drawbacks of the photosensitizer proposed in patent US 5866316, 02.02.1999, eliminated in patent RU 2329061, 07.20.2008, where the authors propose the use of nanocomposites based on silicon nanocrystals of 2-100 nm in size with fullerene molecules adsorbed on the surface with a relative fullerene content from 0.3 to 0.3 up to 4% by weight. The disadvantage of this invention is the use of toxic solvents (for example, carbon tetrachloride) in the synthesis of silicon nanocrystals. There are no satisfactory methods for the purification of synthesized nanocrystals that allow them to be actively used in medicine and biology.

Использование органических красителей в качестве фотосенсибилизаторов синглетного кислорода хорошо известно [Methylene blue in photodynamic therapy: From basic mechanisms to clinical applications / Joao Paulo Tardivo, Auro Del Giglio, Carla Santos de Oliveira, Dino Santesso Gabrielli, Helena Couto Junqueira, Dayane Batista Tada, Divinomar Severino, Rozane de Fatima Turchiello, Mauricio S. Baptista Ph.D. // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy (2005) 2, 175-191; Баштанов M.E. Влияние растворителей на квантовую эффективность индуцированной синглетным кислородом замедленной флуоресценции фталоцианина при лазерном возбуждении / М.Е. Баштанов, А.А. Красновский // Квантовая электроника. 1999. Т. 26. № 2. С. 163-167]. Так, в патенте US 20120302557, 29.11.2012, описан метод использования растворов метиленового голубого и его производных для ФДТ. Использование растворов метиленового голубого для ФДТ имеет ряд недостатков. Например, ввиду высокой растворимости молекул метиленового голубого при его введении в организм человека возможно распространение вне воздействуемых органов и тканей. Кроме того, использованию растворов метиленового голубого для ФДТ препятствуют трудности, связанные как с низкопороговой фотодеградацией, часто необратимой, так и внутри- и межмолекулярными взаимодействиями, приводящими к формированию новых форм красителя и нарушению спектральных условий сенсибилизации [Красновский А.А. (мл.) Фотодинамическая регуляция биологических процессов // Проблемы регуляции в биологических системах / Под общей ред. А.Б. Рубина. М.: Ижевск. 2006. 480 с.]. Для избежания нежелательных последствий необходимо сопряжение красителя с различными агентами.The use of organic dyes as photosensitizers of singlet oxygen is well known [Methylene blue in photodynamic therapy: From basic mechanisms to clinical applications / Joao Paulo Tardivo, Auro Del Giglio, Carla Santos de Oliveira, Dino Santesso Gabrielli, Helena Couto Junqueira, Dayane Batista Tada, Divinomarar Severino, Rozane de Fatima Turchiello, Mauricio S. Baptista Ph.D. // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy (2005) 2, 175-191; Bashtanov M.E. The effect of solvents on the quantum efficiency of the delayed fluorescence of phthalocyanine induced by singlet oxygen under laser excitation / M.E. Bashtanov, A.A. Krasnovsky // Quantum Electronics. 1999. T. 26. No. 2. S. 163-167]. So, in patent US 20120302557, 11.29.2012, describes a method for using solutions of methylene blue and its derivatives for PDT. The use of methylene blue solutions for PDT has a number of disadvantages. For example, due to the high solubility of methylene blue molecules when it is introduced into the human body, distribution outside the affected organs and tissues is possible. In addition, the use of methylene blue solutions for PDT is hindered by difficulties associated with both low threshold photodegradation, often irreversible, and intra- and intermolecular interactions, leading to the formation of new forms of dye and violation of the spectral conditions of sensitization [Krasnovsky A.A. (ml.) Photodynamic regulation of biological processes // Problems of regulation in biological systems / Ed. A.B. Ruby. M .: Izhevsk. 2006. 480 p.]. To avoid undesirable effects, it is necessary to pair the dye with various agents.

Наиболее близким аналогом изобретения является предложенный в патенте US 20020127224, опубликованном 12.09.2002, материал для применения в ФДТ на основе агрегатов различных светоизлучающих полупроводниковых наночастиц (нанокристаллов, квантовых точек, квантовых стержней) и органических фотосенсибилизаторов. При поглощении кванта света происходит возбуждение наночастиц с последующим переносом энергии возбуждения от наночастиц к молекулам фотосенсибилизатора. Фотосенсибилизатор отдает энергию молекулам триплетного кислорода и они переходят в возбужденное синглетное состояние. В качестве наночастиц предлагается использовать CdSe/ZnS либо их смеси с наночастицами TiO2, а в качестве фотосенсибилизаторов различные уже применяемые препараты для лечения онкологических заболеваний, в том числе белковые ингибиторы (тропонин, ангиостатин и др.), различные энзимы, различные красители (methylene blue (метиленовый голубой), индоцианин зеленый и др.) и т.д.The closest analogue of the invention is proposed in patent US 20020127224, published September 12, 2002, material for use in photodynamic therapy based on aggregates of various light-emitting semiconductor nanoparticles (nanocrystals, quantum dots, quantum rods) and organic photosensitizers. When a light quantum is absorbed, nanoparticles are excited, followed by the transfer of excitation energy from nanoparticles to photosensitizer molecules. The photosensitizer gives energy to triplet oxygen molecules and they go into an excited singlet state. It is proposed to use CdSe / ZnS as nanoparticles or their mixtures with TiO 2 nanoparticles, and as photosensitizers various drugs already used for the treatment of cancer, including protein inhibitors (troponin, angiostatin, etc.), various enzymes, various dyes (methylene blue (methylene blue), indocyanin green, etc.), etc.

Данный материал обладает рядом недостатков: отсутствуют данные о возможности генерации такими системами синглетного кислорода, предполагается использование квантовых точек, синтезированных с применением высокотоксичного триоктилфосфиноксида (ТОРО), гидрофобность получаемых в таком случае коллоидных растворов, для преодоления которой необходимо введение дополнительных технологических процедур, например, сопряжения наночастиц с веществами меркапто группы (меркаптоуксусной кислотой и др.), что приводит к усложнению технологии и удорожанию конечного продукта, отсутствуют сведения о конкретной реализации предложенного принципа.This material has several disadvantages: there is no data on the possibility of generating singlet oxygen by such systems, it is assumed to use quantum dots synthesized using highly toxic trioctylphosphine oxide (TOPO), the hydrophobicity of the colloidal solutions obtained in this case, to overcome which it is necessary to introduce additional technological procedures, for example, pairing nanoparticles with substances of the mercapto group (mercaptoacetic acid, etc.), which leads to a complication of technology and ozhaniyu final product, there is no information about the specific implementation of the proposed principle.

Задачей данного изобретения является разработка биосовместимого наноматериала, обладающего способностью фотосенсибилизировать процесс образования синглетного кислорода и способа его получения.The objective of the invention is to develop a biocompatible nanomaterial with the ability to photosensitize the process of formation of singlet oxygen and a method for its production.

Технический результат настоящего изобретения заключается в расширении арсенала фотосенсибилизаторов синглетного кислорода для фотодинамической терапии.The technical result of the present invention is to expand the arsenal of singlet oxygen photosensitizers for photodynamic therapy.

Технический результат достигается тем, что биосовместимый наноматериал для фотосенсибилизации синглетного кислорода представляет собой низкотоксичные гибридные ассоциаты люминесцирующих коллоидных квантовых точек CdS с катионами метиленового голубого (МВ+) в соотношении 10-1-10-4краситCdS), а способ его получения включает двуструйное сливания 0,6-5% раствора сульфида натрия и 0,8-7% раствора бромида кадмия в термостатируемом реакторе, с расплавом желатины при постоянной температуре 40°C, согласно изобретению, вводят в полученный коллоидный раствор, содержащий коллоидные квантовые точки CdS, на завершающей стадии кристаллизации квантовых точек раствор катионов МВ+ в соотношении 10-1-10-4краситCdS), с последующим охлаждением полученного золя до температуры от 4 до 10°C, раствор выдерживают при данной температуре на протяжении суток, после чего полученный желатиновый студень измельчают до размера гранул 5-10 мм, промывают в дистиллированной воде при температуре от 7 до 13°C в течение 30 мин, после чего сцеживается лишняя вода и гранулы нагреваются до температуры свыше 40°C.The technical result is achieved in that the biocompatible nanomaterial for photosensitization of singlet oxygen is a low-toxic hybrid associates of luminescent colloidal quantum dots CdS with cations of methylene blue (MV + ) in a ratio of 10 -1 -10 -4color / ν CdS ), and its method the preparation includes two-jet draining of a 0.6-5% solution of sodium sulfide and a 0.8-7% solution of cadmium bromide in a temperature-controlled reactor, with a gelatin melt at a constant temperature of 40 ° C, according to the invention, is introduced into the resulting colloid solution was containing colloidal quantum dots, CdS, quantum dots in the final crystallization step MV + cations dissolved in the ratio of 10 -1 -10 -4colors / ν CdS), followed by cooling the obtained sol to a temperature of from 4 to 10 ° C, the solution is kept at this temperature for 24 hours, after which the gelatin gel obtained is crushed to a granule size of 5-10 mm, washed in distilled water at a temperature of 7 to 13 ° C for 30 minutes, after which excess water is decanted and the granules are heated to a temperature over 40 ° C.

В результате получают однородный расплав.The result is a uniform melt.

Используют водорастворимые коллоидные квантовые точки сульфида кадмия, синтезированные с помощью низкотемпературного золь-гель метода с использованием низкотоксичных компонентов синтеза в специальном термостатируемом реакторе (Патент на полезную модель РФ 134445, от 20.11.2013). Сопряжение катионов метиленового голубого (МВ+) с коллоидными КТ CdS приводит к увеличению длительности процесса фотосенсибилизации синглетного кислорода за счет блокирования механизмов фотодеградации метиленового голубого, а также предотвращения перехода красителя в другие протолитические и агрегатные формы, не пригодные для фотосенсибилизации синглетного кислорода.Water-soluble colloidal cadmium sulfide quantum dots are used, synthesized using the low-temperature sol-gel method using low-toxic synthesis components in a special thermostatic reactor (Utility Model Patent of the Russian Federation 134445, November 20, 2013). The conjugation of methylene blue (MV +) cations with colloidal CdS QDs increases the duration of the process of photosensitization of singlet oxygen by blocking the photodegradation mechanisms of methylene blue, as well as preventing the dye from transitioning to other protolytic and aggregate forms that are not suitable for photosensitizing singlet oxygen.

На фиг. 1 приведена модель фотофизических процессов, происходящих при сенсибилизации процесса продуцирования синглетного кислорода катионами МВ+, сопряженным с КТ CdS.In FIG. Figure 1 shows a model of photophysical processes that occur during sensitization of the production of singlet oxygen by MB + cations coupled with CdS quantum dots.

На фиг. 2 представлены спектры: поглощения коллоидных КТ CdS - 1; люминесценции коллоидных КТ CdS - 2; люминесценции ассоциатов коллоидных КТ CdS с катионами метиленового голубого (МВ+), в соотношении 10-2краситCdS) - 3. На врезке приведены: электронная фотография коллоидных КТ CdS, распределение по размеру коллоидных КТ CdS и рентгеновская дифракция коллоидных КТ CdS.In FIG. 2 shows the spectra: absorption of colloidal CT CdS - 1; luminescence of colloidal CT CdS - 2; luminescence of associates of CdS colloidal QDs with methylene blue cations (MV + ), in the ratio of 10 -2color / ν CdS ) - 3. The inset shows: electronic photograph of colloidal CdS QDs, size distribution of colloidal CdS QDs, and X-ray diffraction of colloidal QDs Cds.

На фиг. 3 представлены спектры люминесценции синглетного кислорода в растворах: катионов МВ+ при λвозб=660 нм - 1; ассоциатов коллоидных КТ CdS с катионами МВ+ в соотношении 10-2краситCdS) при λвозб=660 нм - 2; катионов МВ+ при λвозб=405 нм - 3; ассоциатов коллоидных КТ CdS с катионами MB+ в соотношении 10-2краситCdS) при λвозб=405 нм - 4. На врезке приведены зависимости продуцирования 1О2 от времени в растворах катионов МВ+ - 1 и ассоциатов коллоидных КТ CdS с катионами MB+ в соотношении 10-2краситCdS).In FIG. Figure 3 shows the luminescence spectra of singlet oxygen in solutions: MV + cations at λ exc = 660 nm - 1; associates of colloidal CdS QDs with MB + cations in a ratio of 10 -2color / ν CdS ) at λ exc = 660 nm - 2; cations MV + at λ exc = 405 nm - 3; associates of colloidal CdS QDs with MB + cations in a ratio of 10 -2color / ν CdS ) at λ exc = 405 nm - 4. The inset shows the dependence of 1 O 2 production on time in solutions of MV + - 1 cations and colloidal CT associates CdS with MB + cations in a ratio of 10 -2color / ν CdS ).

На фиг. 4 приведена таблица интенсивности дыхания крыс Rattus norvegicus в зависимости присутствия КТ CdS, катионов МВ+ и гибридных ассоциатов коллоидных КТ CdS с катионами МВ+.In FIG. Figure 4 shows a table of the respiratory rate of rats Rattus norvegicus depending on the presence of CdS CT, MB + cations, and hybrid associates of colloidal CdS CT with MB + cations.

На фиг. 5 представлены временные диаграммы поглощение кислорода изолированными митохондриями печени крыс в присутствии КТ CdS, катионов МВ+ и гибридных ассоциатов коллоидных КТ CdS с катионами МВ+.In FIG. Figure 5 shows the time diagrams of oxygen uptake by isolated rat liver mitochondria in the presence of CdS QDs, MB + cations and hybrid associates of colloidal CdS QDs with MB + cations.

На фиг. 6 приведена гистограмма отражающая влияние КТ CdS, катионов МВ+ и гибридных ассоциатов коллоидных КТ CdS с катионами МВ+ на генерацию перекиси водорода митохондриями печени крыс.In FIG. Figure 6 shows a histogram showing the effect of CdS QDs, MB + cations, and hybrid associates of colloidal CdS QDs with MB + cations on the generation of hydrogen peroxide by rat liver mitochondria.

Физический принцип функционирования предложенного биосовместимого наноматериала для продуцирования синглетного кислорода заключается в следующем. Предлагаемый наноматериал обеспечивает возможность получения синглетного кислорода под действием излучения из двух диапазонов (фиг. 1): излучением с длиной волны 600-750 нм, которое соответствует области поглощения катионов метиленового голубого (МВ+), и 380-450 нм, приходящимся на область поглощения квантовых точек CdS. В первом случае при поглощении кванта света непосредственно катионами метиленового голубого (МВ+) (600-750 нм) энергия от молекулы красителя передается кислороду, переводя его из основного триплетного состояния в одно из возбужденных синглетных состояний, при этом наблюдается тушение люминесценции красителя в полосе триплетов. Энергия триплетного уровня возбуждения метиленового голубого 1.47 эВ и при его тушении может происходить только переход в первое синглетное состояние молекулы кислорода [Красновский, А.А. мл. Фотосенсибилизированная люминесценция синглетного кислорода в растворе. / А.А. Красновский // Биофизика. 1976. Т.21. N.4. С. 748-749, Krasnovsky, А.А. Jr. Photoluminescence of singlet oxygen in pigment solutions / A.A. Krasnovsky Jr.: Photochem. Photobiol. 1979. V. 29. № 1. P. 29-36]. Из синглетного состояния молекула кислорода переходит с излучением (λ=1270 нм) в свое основное триплетное состояние. Наличие свечения в этой области позволяет контролировать образование синглетного кислорода. Во втором случае более коротковолновое излучение (380-450 нм) поглощается квантовой точкой CdS, энергия возбуждения которой передается катионам метиленового голубого (МВ+). Далее энергия, запасенная в катионах метиленового голубого (МВ+), передается молекулам кислорода, переводя его из основного триплетного состояния в одно из возбужденных синглетных состояний.The physical principle of functioning of the proposed biocompatible nanomaterial for the production of singlet oxygen is as follows. The proposed nanomaterial provides the possibility of obtaining singlet oxygen under the action of radiation from two ranges (Fig. 1): radiation with a wavelength of 600-750 nm, which corresponds to the absorption region of methylene blue cations (MV + ), and 380-450 nm per absorption region quantum dots of CdS. In the first case, when a light quantum is directly absorbed by methylene blue cations (MV + ) (600-750 nm), the energy from the dye molecule is transferred to oxygen, transferring it from the ground triplet state to one of the excited singlet states, and dye luminescence quenching in the triplet band is observed . The energy of the triplet level of excitation of methylene blue 1.47 eV and when it is quenched, only a transition to the first singlet state of the oxygen molecule can occur [Krasnovsky, A.A. ml Photosensitized luminescence of singlet oxygen in solution. / A.A. Krasnovsky // Biophysics. 1976.V.21. N.4. S. 748-749, Krasnovsky, A.A. Jr. Photoluminescence of singlet oxygen in pigment solutions / AA Krasnovsky Jr .: Photochem. Photobiol. 1979. V. 29. No. 1. P. 29-36]. From the singlet state, the oxygen molecule passes with radiation (λ = 1270 nm) into its main triplet state. The presence of glow in this area allows you to control the formation of singlet oxygen. In the second case, shorter wavelength radiation (380-450 nm) is absorbed by the CdS quantum dot, the excitation energy of which is transferred to methylene blue cations (MV + ). Further, the energy stored in the cations of methylene blue (MV + ) is transferred to oxygen molecules, transferring it from the ground triplet state to one of the excited singlet states.

Для получения биосовместимого наноматериала для фотосенсибилизации синглетного кислорода производится следующая последовательность операций. Для синтеза полупроводниковых коллоидных квантовых точек используется 1-5% раствор сульфида натрия и 1.1-7% раствор бромида кадмия в дистиллированной воде температурой от 7 до 13°C; 2.5-5% раствор полимера в дистиллированной воде загружается в реактор однократно до сливания растворов сульфида натрия и бромида кадмия при температуре 20-30°C, причем объем растворов - сульфида натрия: бромида кадмия: полимера 1:1:4, раствор желатина нагревается до 40-90°C, в реактор заливается 96%-этанол 2.5% от объема раствора желатина, после чего производят двуструйное сливание растворов сульфида натрия и бромида кадмия в реактор при постоянном перемешивании со скоростью 100-600 об/мин, по окончании сливания осуществляют перемешивание на протяжении 1-300 мин.To obtain a biocompatible nanomaterial for photosensitization of singlet oxygen, the following sequence of operations is performed. For the synthesis of semiconductor colloidal quantum dots, a 1-5% solution of sodium sulfide and a 1.1-7% solution of cadmium bromide in distilled water with a temperature of 7 to 13 ° C are used; A 2.5-5% polymer solution in distilled water is loaded into the reactor once until the solutions of sodium sulfide and cadmium bromide are drained at a temperature of 20-30 ° C, and the volume of the solutions is sodium sulfide: cadmium bromide: polymer 1: 1: 4, the gelatin solution is heated to 40-90 ° C, 96% ethanol 2.5% of the volume of gelatin solution is poured into the reactor, after which two solutions of sodium sulfide and cadmium bromide are poured into the reactor with constant stirring at a speed of 100-600 rpm, at the end of the mixing, they are mixed for 1 -300 min

На завершающей стадии кристаллизации коллоидных квантовых точек CdS диспергированых в желатине добавляется раствор метиленового голубого в соотношении 10-l÷10-4краситCdS)At the final stage of crystallization of colloidal CdS quantum dots dispersed in gelatin, a methylene blue solution is added in a ratio of 10 -l ÷ 10 -4color / ν CdS )

После указанных процедур проводится охлаждение раствора до температуры от 4 до 10°C и раствор выдерживается при данной температуре на протяжении суток, после чего охлажденный раствор измельчают до размера гранул 5-10 мм, промывка проводится погружением в дистиллированную воду при температуре от 7 до 13°C на 30 мин, после чего сцеживается лишняя вода и гранулы нагреваются до температуры свыше 40°C для получения однородного расплава.After these procedures, the solution is cooled to a temperature of 4 to 10 ° C and the solution is maintained at this temperature for 24 hours, after which the cooled solution is crushed to a granule size of 5-10 mm, washing is carried out by immersion in distilled water at a temperature of 7 to 13 ° C for 30 minutes, after which excess water is decanted and the granules are heated to a temperature above 40 ° C to obtain a uniform melt.

В результате получается биосовместимый наноматериал для фотосенсибилизации синглетного кислорода, представляющий собой гибридные ассоциаты коллоидных КТ CdS размером 2-4 нм с катионами метиленового голубого МВ+ в соотношении 10-1-10-4краситCdS).The result is a biocompatible nanomaterial for photosensitization of singlet oxygen, which is a hybrid associates of colloidal CdS QDs 2-4 nm in size with methylene blue MB + cations in a ratio of 10 -1 -10 -4color / ν CdS ).

Формирование коллоидных КТ CdS подтверждается данными рентгеноской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии (фиг. 2, врезка). Наличие гибридной ассоциации КТ CdS с катионами МВ+ подтверждается наличием провала в спектре люминесценции ассоциатов КТ CdS с катионами МВ+, приходящегося на область поглощения красителя, которого не наблюдалось в спектре люминесценции чистых КТ CdS (фиг. 2).The formation of colloidal CdS QDs is confirmed by X-ray diffraction and transmission electron microscopy (Fig. 2, inset). The presence of a hybrid association of CdS QDs with MB + cations is confirmed by the presence of a dip in the luminescence spectrum of the associates of CdS QDs with MB + cations, which falls on the dye absorption region, which was not observed in the luminescence spectrum of pure CdS QDs (Fig. 2).

Фотосенсибилизация синглетного кислорода предлагаемым биосовместимым наноматериалом подтверждалась наличием полосы в районе 1270 нм, соответствующей люминесценции синглетного кислорода (фиг. 3).The photosensitization of singlet oxygen by the proposed biocompatible nanomaterial was confirmed by the presence of a band in the region of 1270 nm, corresponding to the luminescence of singlet oxygen (Fig. 3).

Для установления биосовместимости предлагаемого наноматериала проводилась оценка уровня и скорости потребления кислорода у крыс Rattus norvegicus L. (Wistar) возрастом 5 месяцев, так как изменение интенсивности дыхания свидетельствует не только об эффективной, но и безопасной интенсификации работы электрон-транспортной цепи (ЭТЦ).To establish the biocompatibility of the proposed nanomaterial, an assessment was made of the level and rate of oxygen consumption in rats Rattus norvegicus L. (Wistar) 5 months old, since a change in respiration rate indicates not only effective, but also safe intensification of the electron transport chain (ETC).

Для введения наноматериала в организм животных был выбран пероральный путь. Измерение скорости дыхания in vivo проводили с помощью оксиметра Vernier LabQuest (Vernier, США), оснащенного кислородным и углекислотным сенсорами. Животные получали 100 мг терапевтической композиции, через 24 часа осуществляли первое измерение. Выбранная доза не являлась токсической для животных. В течение срока эксперимента смертности среди крыс не наблюдалось. Масса тела также оставалась неизменной. Животные содержались при стандартной температуре 22°C, 12 часовом световом цикле в замкнутом герметичном объеме и перед началом экспериментов содержание кислорода в этом пространстве достигало 18-20%, как в обычной атмосфере.The oral route was chosen to introduce nanomaterial into the animal organism. In vivo respiration rate was measured using a Vernier LabQuest oximeter (Vernier, USA) equipped with oxygen and carbon dioxide sensors. Animals received 100 mg of the therapeutic composition; after 24 hours, the first measurement was performed. The selected dose was not toxic to animals. No mortality was observed among rats during the duration of the experiment. Body weight also remained unchanged. The animals were kept at a standard temperature of 22 ° C, a 12-hour light cycle in a closed sealed volume, and before the start of experiments, the oxygen content in this space reached 18-20%, as in a normal atmosphere.

Данные об оценке уровня и скорости потребления газообразного кислорода лабораторными крысами Rattus norvegicus линии Wistar обобщены в таблице 1. Снижение скорости потребления кислорода в условиях терапии квантовыми точками представляется незначительным и находящимся в пределах статистической погрешности.The data on the assessment of the level and rate of oxygen gas consumption by laboratory rats of Rattus norvegicus of the Wistar strain are summarized in Table 1. The decrease in the rate of oxygen consumption under quantum dot therapy conditions seems insignificant and is within the limits of statistical error.

КТ CdS и метиленовый голубой оказывают стимулирующее влияние на дыхание изолированных митохондрий печени крыс. При этом вид респираторной кривой не отклоняется от стандартного, что говорит о нормальной реакции митохондрий на присутствие препарата квантовых точек в среде регистрации (Фиг. 5). Поглощение кислорода изолированными митохондриями печени крысы в присутствии квантовых точек, метиленового голубого и гибридных ассоциатов КТ CdS с катионами МВ+ демонстрирует отсутствие токсического эффекта наноматериала (угнетения клеточного дыхания).CT CdS and methylene blue have a stimulating effect on the respiration of isolated rat liver mitochondria. In this case, the form of the respiratory curve does not deviate from the standard one, which indicates the normal reaction of mitochondria to the presence of the quantum dot preparation in the recording medium (Fig. 5). The absorption of oxygen by isolated rat liver mitochondria in the presence of quantum dots, methylene blue, and hybrid associates of CdS CT with MB + cations demonstrates the absence of the toxic effect of the nanomaterial (oppression of cellular respiration).

Исследование на изолированных митохондриях печени крыс в присутствии красителя метиленового голубого, КТ CdS и гибридных ассоциатов КТ CdS с катионами МВ+ генерации перекиси водорода как основного представителя группы активных форм кислорода, образуемых митохондриями, показало увеличение продукции активных форм кислорода в присутствии наноматериала (фиг. 6). Данный факт указывает на фотосенсибилизированное образование активных форм кислорода в митохондриях в присутствии красителя метиленового голубого, КТ CdS и гибридных ассоциатов КТ CdS с катионами МВ+. При этом дальнейшие добавки к митохондриям ротенона, индуцирующего обратный ток электронов и антимицина, блокирующего Q-цикл, показали, что митохондрии в каждом случае отвечали на них сходным паттерном изменении скорости продукции перекиси, соответствующим таковому в норме. Этот факт свидетельствует о сохранении респираторной активности митохондрий, их молекулярной организации и, таким образом, биосовместимости наноматериала.A study on isolated mitochondria of rat liver in the presence of methylene blue dye, CdS CT and hybrid CdS CT associates with MB + cations generating hydrogen peroxide as the main representative of the group of reactive oxygen species formed by mitochondria showed an increase in the production of reactive oxygen species in the presence of nanomaterial (Fig. 6 ) This fact indicates the photosensitized formation of reactive oxygen species in mitochondria in the presence of methylene blue dye, CdS quantum dots and hybrid associates of CdS quantum dots with MB + cations. Moreover, further additions to mitochondria of rotenone, which induces a reverse current of electrons and antimycin, which blocks the Q-cycle, showed that mitochondria in each case responded to them with a similar pattern of change in the rate of peroxide production, which corresponds to that normal. This fact indicates the preservation of the respiratory activity of mitochondria, their molecular organization and, thus, the biocompatibility of the nanomaterial.

Claims (2)

1. Биосовместимый наноматериал для фотосенсибилизации синглетного кислорода, представляет собой низкотоксичные гибридные ассоциаты люминесцирующих коллоидных квантовых точек CdS размером 2-4 нм с катионами метиленового голубого МВ+ в соотношении 10-1-10-4краситCdS).1. A biocompatible nanomaterial for photosensitization of singlet oxygen, is a low-toxic hybrid associates of luminescent colloidal CdS quantum dots with a size of 2-4 nm with cations of methylene blue MB + in a ratio of 10 -1 -10 -4color / ν CdS ). 2. Способ получения биосовместимого наноматериала по п.1 для фотосенсибилизации синглетного кислорода включает двуструйное сливания 0,6-5% раствора сульфида натрия и 0,8-7% раствора бромида кадмия в термостатируемом реакторе с расплавом желатины при постоянной температуре 40°C, характеризующийся тем, что вводят в полученный коллоидный раствор, содержащий коллоидные квантовые точки CdS, на завершающей стадии кристаллизации квантовых точек раствор катионов МВ+ в соотношении 10-1-10-4краситCdS), с последующим охлаждением полученного золя до температуры от 4 до 10°C, раствор выдерживают при данной температуре на протяжении суток, после чего полученный желатиновый студень измельчают до размера гранул 5-10 мм, промывают в дистиллированной воде при температуре от 7 до 13°C в течении 30 мин, сцеживают лишнюю воду и гранулы нагреваются до температуры свыше 40°C.2. The method for producing the biocompatible nanomaterial according to claim 1 for photosensitizing singlet oxygen includes two-jet draining of a 0.6-5% solution of sodium sulfide and 0.8-7% solution of cadmium bromide in a temperature-controlled reactor with a gelatin melt at a constant temperature of 40 ° C, characterized by injecting a solution of MV + cations in a ratio of 10 -1 -10 -4color / ν CdS ) into the resulting colloidal solution containing colloidal quantum dots CdS, at the final stage of crystallization of quantum dots, followed by cooling of the obtained sol to t temperatures from 4 to 10 ° C, the solution is kept at this temperature for 24 hours, after which the gelatin gel obtained is crushed to a granule size of 5-10 mm, washed in distilled water at a temperature of 7 to 13 ° C for 30 minutes, decanted water and granules are heated to temperatures above 40 ° C.
RU2014141085A 2014-10-10 2014-10-10 Biocompatible nanomaterial for photosensitivity singlet oxygen and method for production thereof RU2607579C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014141085A RU2607579C2 (en) 2014-10-10 2014-10-10 Biocompatible nanomaterial for photosensitivity singlet oxygen and method for production thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014141085A RU2607579C2 (en) 2014-10-10 2014-10-10 Biocompatible nanomaterial for photosensitivity singlet oxygen and method for production thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014141085A RU2014141085A (en) 2016-04-27
RU2607579C2 true RU2607579C2 (en) 2017-01-10

Family

ID=55759378

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014141085A RU2607579C2 (en) 2014-10-10 2014-10-10 Biocompatible nanomaterial for photosensitivity singlet oxygen and method for production thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2607579C2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107394014B (en) * 2017-07-14 2019-07-02 徐州强越机械制造有限公司 A kind of preparation method of LED quantum dot coating fluid

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020127224A1 (en) * 2001-03-02 2002-09-12 James Chen Use of photoluminescent nanoparticles for photodynamic therapy
CN101759946A (en) * 2010-01-29 2010-06-30 浙江大学 High-performance quantum dot-polymer fluorescent nano composite material and preparation method thereof
RU2540385C2 (en) * 2013-06-17 2015-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ") Method of obtaining semiconductor colloid quantum points of cadmium sulphide

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020127224A1 (en) * 2001-03-02 2002-09-12 James Chen Use of photoluminescent nanoparticles for photodynamic therapy
CN101759946A (en) * 2010-01-29 2010-06-30 浙江大学 High-performance quantum dot-polymer fluorescent nano composite material and preparation method thereof
RU2540385C2 (en) * 2013-06-17 2015-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ") Method of obtaining semiconductor colloid quantum points of cadmium sulphide

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
T.S.SHATSKIKH et al, Luminescence of hybride associatesof CdS, Zn0,5Cd0,5S, Ag2S quantum dots with methylene blue, Luminescence, 2012, v. 27, p.p. 534-572. ОВЧИННИКОВ О.В. и др., Спектральные свойства диспергированных в желатине квантовых точек CdS и их ассоциатов с молекулами красителей, Теоретическая и экспериментальная химия, 2012, т. 48, N 1, с.с. 43-48. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014141085A (en) 2016-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Synthesis strategies, luminescence mechanisms, and biomedical applications of near-infrared fluorescent carbon dots
Liu et al. Triarylboron‐doped acenethiophenes as organic sonosensitizers for highly efficient sonodynamic therapy with low phototoxicity
Jia et al. Recent advances and prospects of carbon dots in cancer nanotheranostics
Li et al. Recent advances and prospects of carbon dots in phototherapy
Krajczewski et al. Role of various nanoparticles in photodynamic therapy and detection methods of singlet oxygen
Lu et al. Graphene quantum dots for optical bioimaging
Yu et al. Oxygen self-sufficient NIR-activatable liposomes for tumor hypoxia regulation and photodynamic therapy
Dong et al. Lanthanide nanoparticles: from design toward bioimaging and therapy
Gu et al. Recent advances in design and fabrication of upconversion nanoparticles and their safe theranostic applications
Wang et al. Upconversion nanoparticles for photodynamic therapy and other cancer therapeutics
Morselli et al. Luminescent copper indium sulfide (CIS) quantum dots for bioimaging applications
Lin et al. Near-infrared light activated delivery platform for cancer therapy
WO2013181076A1 (en) Coated up-conversion nanoparticles
Xin et al. Upconversion nanomaterials: a platform for biosensing, theranostic and photoregulation
Girma et al. Albumin-functionalized CuFeS2/photosensitizer nanohybrid for single-laser-induced folate receptor-targeted photothermal and photodynamic therapy
Uprety et al. Semiconductor quantum dots for photodynamic therapy: Recent advances
Cai et al. Polypyrrole-coated UCNPs@ mSiO 2@ ZnO nanocomposite for combined photodynamic and photothermal therapy
Arguinzoniz et al. Light harvesting and photoemission by nanoparticles for photodynamic therapy
Li et al. Advancing biomedical applications via manipulating intersystem crossing
CN104027806B (en) Nanometer material of mesoporous silica coated trimanganese tetroxide for modifying CuS nano particles, as well as preparation method and application thereof
Wen et al. Multifunctional hemoporfin-Cu9S8-MnO2 for magnetic resonance imaging-guided catalytically-assisted photothermal-sonodynamic therapies
Hu et al. A thermally activated delayed fluorescence photosensitizer for photodynamic therapy of oral squamous cell carcinoma under low laser intensity
CN113559064A (en) Novel self-oxygen-supply liposome nanoparticle and preparation method and application thereof
CN114539232B (en) PH reversible activated near infrared two-region aggregation-induced emission type I photosensitizer and application thereof
RU2607579C2 (en) Biocompatible nanomaterial for photosensitivity singlet oxygen and method for production thereof

Legal Events

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

Effective date: 20171011