Для цитирования:
Верховский Р. А., Анисимов Р. А., Ломова М. В., Тучина Д. К., Лазарева Е. Н., Доронкина А. А., Мыльников А. М., Наволокин Н. А., Кочубей В. И., Янина И. Ю. Цитотоксичность апконверсионных наночастиц с оболочками. Обзор // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2022. Т. 22, вып. 4. С. 357-373. DOI: 10.18500/1817-3020-2022-22-4-357-373, EDN: DLYOKR
Цитотоксичность апконверсионных наночастиц с оболочками. Обзор
В работе приведен обзор результатов исследований цитотоксичности различных видов апконверсионных наночастиц непокрытых/покрытых разнообразными типами оболочек. В биологических и медицинских исследованиях использование наночастиц, люминесцирующих при возбуждении светом ИК диапазона, представляется крайне перспективным, так как биологические ткани обладают наибольшей прозрачностью в дальней красной и ближней инфракрасной области спектра. Люминесценция таких частиц основана на механизме апконверсии (апконверсионные наночастицы), позволяющем вследствие многоступенчатого возбуждения получить люминесценцию с энергией кванта большей, чем энергия кванта излучения, используемого для возбуждения. Рассмотрено собственное неспецифическое цитотоксическое действие наночастиц, покрытых дополнительными оболочками или функционализированных с помощью адресных или фотоактивных молекул без использования их облучения («темновая» цитотоксичность).
Токсическое воздействие наночастиц на живые организмы имеет определяющее значение при их использовании в терапии или диагностике. Цитотоксичность частиц зависит от общего количества наночастиц, проникших в клетку, т. е. от концентрации, и в большинстве случаев носит дозозависимый эффект. На основе полученных данных можно сделать вывод, что у частиц, как правило, не наблюдалось заметной токсичности и максимальное снижение активности метаболических процессов наблюдалось при дозе 800 мкг/мл, зависящее от типа и размеров наночастиц и клеток. Покрытие из диоксида кремния (SiO2) является более подходящим для применения в медицинской практике благодаря низкой цитотоксичности.
- Wang M., Abbineni G., Clevenger A., Mao C., Xu S. Upconversion nanoparticles: Synthesis, surface modification and biological applications // Nanomed. : Nanotechnol. Biol. Med. 2011. Vol. 7. P. 710–729. https://doi.org/10.1016/j.nano.2011.02.013
- Cao Y., Wu J., Zheng X., Lu Y., Piper J. A., Lu Y., Packer N. H. Assessing the activity of antibodies conjugated to upconversion nanoparticles for immunolabeling // Anal. Chim. Acta. 2022. Vol. 1209. P. 339863. https://doi.org/10.1016/j.aca.2022.339863
- Li Y., Chen C., Liu F., Liu J. Engineered lanthanidedoped upconversion nanoparticles for biosensing and bioimaging application // Microchim. Acta. 2022. Vol. 189. P. 109. https://doi.org/10.1007/s00604-022-05180-1
- Liang G., Wang H., Shi H., Wang H., Zhu M., Jing A., Li J., Li G. Recent progress in the development of upconversion nanomaterials in bioimaging and disease treatment // J. Nanobiotechnol. 2020. Vol. 18. P. 154. https://doi.org/10.1186/s12951-020-00713-3
- Rafique R., Kailasa S. K., Park T. J. Recent advances of upconversion nanoparticles in theranostics and bioimaging applications // Trends Anal. Chem. 2019. Vol. 120, № 115646. P. 1–19. https://doi.org/10.1016/j.trac.2019.115646
- Ai X., Lyu L., Zhang Y., Tang Y., Mu J., Liu F., Zhou Y., Zuo Z., Liu G., Xing B. Remote regulation of membrane channel activity by site-specific localization of lanthanide-doped upconversion nanocrystals // Angew. Chem. Int. Ed. 2017. Vol. 56, № 11. P. 3031–3035. https://doi.org/10.1002/anie.201612142
- Sun M., Xu L., Ma W., Wu X., Kuang H., Wang L., Xu C. Phototherapy: Hierarchical plasmonic nanorods and upconversion core-satellite nanoassemblies for multimodal imaging-guided combination phototherapy // Adv. Mater. 2016. Vol. 28, № 5. P. 897. https://doi.org/10.1002/adma.201670033
- Wang C., Tao H., Cheng L., Liu Z. Near-infrared light induced in vivo photodynamic therapy of cancer based on upconversion nanoparticles // Biomaterials. 2011. Vol. 32, № 26. P. 6145–6154. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2011.05.007
- Tian G., Zhang X., Gu Z., Zhao Y. Recent advances in upconversion nanoparticles-based multifunctional nanocomposites for combined cancer therapy // Adv. Mater. 2015. Vol. 27, № 47. P. 7692–7712. https://doi.org/10.1002/adma.201503280
- Wang M., Hu C., Su Q. Luminescent Lifetime Regulation of Lanthanide-Doped Nanoparticles for Biosensing // Biosensors. 2022. Vol. 12, № 2. P. 131. https://doi.org/10.3390/bios12020131
- He S., Song J., Liu J., Liu L., Qu J., Cheng Z. Enhancing Photoacoustic Intensity of Upconversion Nanoparticles by Photoswitchable Azobenzene-Containing Polymers for Dual NIR-II and Photoacoustic Imaging In Vivo // Adv. Opt. Mater. 2019. Vol. 7. P. 1900045. https://doi.org/10.1002/adom.201900045
- Yuan S., Liu Z., Liang T., Jin D., Wang H., Qiao R., Dong M., Gong P. Au-decorated NaYF4:Yb,Tm@NaGdF4:Yb@TiO2 nanophotosensitizers for photodynamic therapy and MR/PET imaging // Mater. Lett. 2022. Vol. 314. P. 131926. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.131926
- Ni J., Xu H., Zhong Y., Zhou Y., Hu S. Activatable UCL/CT/MR-enhanced in vivo imaging-guided radiotherapy and photothermal therapy // J. Mater. Chem. B. 2022. Vol. 10. P. 549–561. https://doi.org/10.1039/D1TB02006D
- Ge J., Chen L., Huang B., Gao Y., Zhou D., Zhou Y., Chen C., Wen L., Li Q., Zeng J., Zhong Z., Gao M. Anchoring Group-Mediated Radiolabeling of Inorganic Nanoparticles – A Universal Method for Constructing Nuclear Medicine Imaging Nanoprobes // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022. Vol. 14, № 7. P. 8838–8846. https://doi.org/10.1021/acsami.1c23907
- Lisjak D., Plohl O., Ponikvar-Svet M., Majaron B. Dissolution of upconverting fluoride nanoparticles in aqueous suspensions // RSC Adv. 2015. Vol. 5. P. 27393–27397. https://doi.org/10.1039/C5RA00902B
- Plohl O., Kralj S., Majaron B., Fröhlich E., Ponikvar-Svet M., Makovec D., Lisjak D. Amphiphilic coatings for the protection of upconverting nanoparticles against dissolution in aqueous media // Dalton Trans. 2017. Vol. 46. P. 6975–6984. https://doi.org/10.1039/C7DT00529F
- Andresen E., Würth C., Prinz C., Michaelis M., ReschGenger U. Time-resolved luminescence spectroscopy for monitoring the stability and dissolution behaviour of upconverting nanocrystals with different surface coatings // Nanoscale. 2020. Vol. 12. P. 12589–12601. https://doi.org/10.1039/D0NR02931A
- Saleh M. I., Rьhle B., Wang S., Radnik J., You Y., Resch-Genger U. Assessing the protective effects of different surface coatings on NaYF4:Yb3+, Er3+ upconverting nanoparticles in buffer and DMEM // Sci. Rep. 2020. Vol. 10. P. 1–11. https://doi.org/10.1038/S41598-020-76116-Z
- Adan A., Kiraz Y., Baran Y. Cell Proliferation and Cytotoxicity Assays // Curr. Pharm. Biotechnol. 2016. Vol. 17, № 14. P. 1213–1221. https://doi.org/10.2174/1389201017666160808160513
- Zhou J., Liu Z., Li F. Upconversion nanophosphors for small-animal imaging // Chem. Soc. Rev. 2012. Vol. 41. P. 1323–1349. https://doi.org/10.1039/C1CS15187H
- Chávez-García D., Juárez-Moreno K., Campos C. H., Tejeda E. M., Alderete J. B., Hirata G. A. Cytotoxicity, genotoxicity and uptake detection of folic acid-functionalized green upconversion nanoparticles Y2O3/Er3+, Yb3+ as biolabels for cancer cells // J. Mater. Sci. 2018. Vol. 53, № 9. P. 6665–6680. https://doi.org/10.1007/s10853-017-1946-0
- Chavez D. H., Juarez-Moreno K., Hirata G. A. Aminosilane functionalization and cytotoxicity effects of upconversion nanoparticles Y2O3 and Gd2O3 CoDoped with Yb3+ and Er3+ // Nanobiomedicine. 2016. Vol. 3, № 1. P. 1–7. https://doi.org/10.5772/62252
- Gu Y., Qiao X., Zhang J., Sun Y., Tao Y., Qiao S.- X. Effects of surface modification of upconversion nanoparticles on cellular uptake and cytotoxicity // Chem. Res. Chin. Univ. 2016. Vol. 32, № 3. P. 474–479. https://doi.org/10.1007/s40242-016-6026-5
- Das G. K., Stark D., Kennedy I. M. Potential Toxicity of Up-Converting Nanoparticles Encapsulated with a Bilayer Formed by Ligand Attraction // Langmuir. 2014. Vol. 30, № 27. P. 8167–8176. https://doi.org/10.1021/la501595f
- Atabaev T. Sh., Lee J. H., Han D. W., Hwang Y. H., Kim H. K. Cytotoxicity and cell imaging potentials of submicron color-tunable yttria particles // J. Biomed. Mater. Res. A. 2012. Vol. 100, № 9. P. 2287–2294. https://doi.org/10.1002/jbm.a.34168
- Gao G., Zhang C., Zhou Z., Zhang X., Ma J., Li C., Jin W., Cui D. One-pot hydrothermal synthesis of lanthanide ions doped one-dimensional upconversion submicrocrystals and their potential application in vivo CT imaging // Nanoscale. 2013. Vol. 5, № 1. P. 351–362. https://doi.org/10.1039/C2NR32850J
- Gupta B. K., Narayanan T. N., Vithayathil S. A., Lee Y., Koshy S., Reddy A. L., Saha A., Shanker V., Singh V. N., Kaipparettu B. A., Martí A. A., Ajayan P. M. Highly luminescent-paramagnetic nanophosphor probes for in vitro high-contrast imaging of human breast cancer cells // Small. 2012. Vol. 8, № 19. P. 3028–3034. https://doi.org/10.1002/smll.201200909
- Wang C., He M., Chen B., Hu B. Study on cytotoxicity, cellular uptake and elimination of rare-earth-doped upconversion nanoparticles in human hepatocellular carcinoma cells // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2020. Vol. 203, № 110951. P. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.110951
- Hemmer E., Yamano T., Kishimoto H., Venkatachalam N., Hyodo H., Soga K. Cytotoxic aspects of gadolinium oxide nanostructures for up-conversion and NIR bioimaging // Acta Biomater. 2013. Vol. 9, № 1. P. 4734–4743. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.08.045
- Zhang J., Liu F., Li T., He X., Wang Z. Surface charge effect on the cellular interaction and cytotoxicity of NaYF4:Yb3+, Er3+@SiO2 nanoparticles // RSC Adv. 2015. Vol. 5. P. 7773–7780. https://doi.org/10.1039/C4RA11374H
- Bae Y. M., Park Y. I., Nam S. H., Kim J. H., Lee K., Kim H. M., Yoo B., Choi J. S., Lee K. T., Hyeon T., Suh Y. D. Endocytosis, intracellular transport, and exocytosis of lanthanide-doped upconverting nanoparticles in single living cells // Biomaterials. 2012. Vol. 33, № 35. P. 9080–9086. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2012.08.039
- Guller A., Generalova A. N., Petersen E. V., Nechaev A. V., Trusova I. A., Landyshev N. N., Nadort A., Grebenik E. A., Deyev S. M., Shekhter A. B., Zvyagin A. V. Cytotoxicity and non-specific cellular uptake of bare and surface-modified upconversion nanoparticles in human skin cells // Nano Res. 2015. Vol. 8, № 1546. P. 1–17. https://doi.org/10.1007/s12274-014-0641-6
- Li R., Ji Z., Dong J., Chang C. H., Wang X., Sun B., Wang M., Liao Y. P., Zink J. I., Nel A. E., Xia T. Enhancing the imaging and biosafety of upconversion nanoparticles through phosphonate coating // ACS Nano. 2015. Vol. 9, № 3. P. 3293–3306. https://doi.org/10.1021/acsnano.5b00439
- Gnach A., Lipinski T., Bednarkiewicz A., Rybka J., Capobianco J. A. Upconverting nanoparticles: Assessing the toxicity // Chem. Soc. Rev. 2015. Vol. 44. P. 1561–1584. https://doi.org/10.1039/C4CS00177J
- Torresan M. F., Wolosiuk A. Critical Aspects on the Chemical Stability of NaYF4-Based Upconverting Nanoparticles for Biomedical Applications // ACS Appl. Bio. Mater. 2021. Vol. 4, № 2. P. 1191–1210. https://doi.org/10.1021/acsabm.0c01562
- Xia A., Chen M., Gao Y., Wu D., Feng W., Li F. Gd3+ complex-modified NaLuF4-based upconversion nanophosphors for trimodality imaging of NIR-toNIR upconversion luminescence, X-Ray computed tomography and magnetic resonance // Biomaterials. 2012. Vol. 33, № 21. P. 5394–5405. https://doi.org/10. 1016/j.biomaterials.2012.04.025
- Abdul Jalil R., Zhang Y. Biocompatibility of silica coated NaYF(4) upconversion fluorescent nanocrystals // Biomaterials. 2008. Vol. 29, № 30. P. 4122–4128. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2008.07.012
- Guo H., Hao R., Qian H., Sun S., Sun D., Yin H., Liu Z., Liu X. Upconversion nanoparticles modified with aminosilanes as carriers of DNA vaccine for foot-and-mouth disease // Appl Microbiol Biotechnol. 2012. Vol. 95, № 5. P. 1253–1263. https://doi.org/10.1007/s00253-012-4042-z
- Li C., Yang D., Ma P., Chen Y., Wu Y., Hou Z., Dai Y., Zhao J., Sui C., Lin J. Multifunctional upconversion mesoporous silica nanostructures for dual modal imaging and in vivo drug delivery // Small. 2013. Vol. 9, № 24. P. 4150–4159. https://doi.org/10.1002/smll.201301093
- Ma J., Huang P., He M., Pan L., Zhou Z., Feng L., Gao G., Cui D. Folic acid-conjugated LaF3:Yb,Tm@SiO2 nanoprobes for targeting dualmodality imaging of upconversion luminescence and X-ray computed tomography // J Phys Chem B. 2012. Vol. 116, № 48. P. 14062–14070. https://doi.org/10.1021/jp309059u
- Li X., Tang Y., Xu L., Kong X., Zhang L., Chang Y., Zhao H., Zhang H., Liu X. Dependence between cytotoxicity and dynamic subcellular localization of upconversion nanoparticles with different surface charges // RSC Adv. 2017. Vol. 7, № 53. P. 33502–33509. https://doi.org/10.1039/C7RA04487A
- Zhou N., Qiu P., Wang K., Fu H., Gao G., He R., Cui D. Shape-controllable synthesis of hydrophilic NaLuF4:Yb,Er nanocrystals by a surfactant-assistant two-phase system // Nanoscale Res. Lett. 2013. Vol. 8, № 1. P. 518. https://doi.org/10.1186/1556-276X-8-518
- Liu C., Shao H., Li D., Sui X., Liu N., Rahman S. U., Li X., Arany P. R. Safety and efficacy of citric acidupconverting nanoparticles for multimodal biological imaging in BALB/c mice // Photodiagnosis Photodyn. Ther. 2021. Vol. 36. P. 102485. https://doi.org/10.1016/j.pdpdt.2021.102485
- Vedunova M. V., Mishchenko T. A., Mitroshina E. V., Ponomareva N. V., Yudintsev A. V., Generalova A. N. Cytotoxic effects of upconversion nanoparticles in primary hippocampal cultures // RSC Adv. 2016. Vol. 6, № 40. P. 33656–33665. https://doi.org/10.1039/C6RA01272H
- Wang C., Cheng L., Xu H., Liu Z. Towards whole-body imaging at the single cell level using ultra-sensitive stem cell labeling with oligo-arginine modified upconversion nanoparticles // Biomaterials. 2012. Vol. 33, № 19. P. 4872–4881. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2012.03.047
- Chatterjee D. K., Rufaihah A. J., Zhang Y. Upconversion fluorescence imaging of cells and small animals using lanthanide doped nanocrystals. // Biomaterials. 2008. Vol. 29, № 7. P. 937–943. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2007.10.051
- Zhao L., Kutikov A., Shen J., Duan C., Song J., Han G. Stem cell labeling using polyethylenimine conjugated (α-NaYbF4:Tm3+)/CaF2 upconversion nanoparticles // Theranostics. 2013. Vol. 3, № 4. P. 249–257. https://doi.org/10.7150/thno.5432
- Yang D., Dai Y., Ma P., Kang X., Cheng Z., Li C., Lin J. One-step synthesis of small-sized and water-soluble NaREF4 upconversion nanoparticles for in vitro cell imaging and drug delivery // Chemistry. 2013. Vol. 19, № 8. P. 2685–2694. https://doi.org/10.1002/chem.201203634
- Himmelstoß S. F., Hirsch T. Long-Term Colloidal and Chemical Stability in Aqueous Media of NaYF4-Type Upconversion Nanoparticles Modified by Ligand-Exchange // Part. Part. Syst. Charact. 2019. Vol. 36, № 10. P. 1900235. https://doi.org/10.1002/ppsc.201900235
- Kembuan C., Oliveira H., Graf C. Effect of different silica coatings on the toxicity of upconversion nanoparticles on RAW 264.7 macrophage cells // Beilstein J. Nanotechnol. 2021. Vol. 12. P. 35–48. https://doi.org/10.3762/bjnano.12.3
- Chithrani B. D., Ghazani A. A., Chan W. C. W. Determining the size and shape dependence of gold nanoparticle uptake into mammalian cells // Nano Lett. 2006. Vol. 6. P. 662–668. https://doi.org/10.1021/nl052396o
- Chen G., Ohulchanskyy T. Y., Kumar R., Ågren H., Prasad P. N. Ultrasmall monodisperse NaYF4:Yb3+/Tm3+ nanocrystals with enhanced near-infrared to near-infrared upconversion photoluminescence // ACS Nano. 2010. Vol. 4. P. 3163–3168. https://doi.org/10.1021/nn100457j
- Bastos V., Oskoei P., Andresen E., Saleh M. I., Rühle B., Resch-Genger U., Oliveira H. S. Stability, dissolution, and cytotoxicity of NaYF4-upconversion nanoparticles with different coatings // Sci. Rep. 2022. Vol. 12, № 1. P. 3770. https://doi.org/10.1038/s41598-022-07630-5
- Yang D., Dai Y., Liu J., Zhou Y., Chen Y., Li C., Ma P., Lin J. Ultra-small BaGdF5-based upconversion nanoparticles as drug carriers and multimodal imaging probes // Biomaterials. 2014. Vol. 35, № 6. P. 2011–2023. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2013.11.018
- Полуконова Н. В., Исаев Д. С., Мыльников А. М., Бучарская А. Б., Полуконова А. В., Мудрак Д. А., Наволокин Н. А. Оценка эффективности противоопухолевого воздействия и индукции апоптоза в клетках карциномы почки человека биологически активными добавками, содержащими ресвератрол, индол-3-карбинол и кордицепин, флуоресцентными методами визуализации // Оптика и спектроскопия. 2021. Т. 129, № 6. С. 727–735. https://doi.org/10.21883/OS.2021.06.50983.3k-21
- Мыльников А. М., Полуконова Н. В., Исаев Д. С., Дорошенко А. А., Верховский Р. А., Николаева Н. А., Мудрак Д. А., Наволокин Н. А. Выявление путей гибели клеток карциномы почки человека А498 под действием экстракта аврана лекарственного и флавоноидов зеленого чая с помощью флуоресцентных методов визуализации // Оптика и спектроскопия. 2020. Т. 128, № 7. С. 964–971. https://doi.org/10.21883/OS.2020.07.49569.72-20
- Сагайдачная Е. А., Янина И. Ю., Кочубей В. И. Перспективы применения апконверсионных частиц NaYF4:Er,Yb для фототерапии // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2018. Т. 18, вып. 4. С. 253–274. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2018-18-4-253-274
- 871 просмотр