Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


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

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.11.2022
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 44)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
53.06:615.4:615.9:576.5
EDN: 
DLYOKR

Цитотоксичность апконверсионных наночастиц с оболочками. Обзор

Авторы: 
Верховский Роман Аркадьевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Анисимов Роман Андреевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Ломова Мария Владимировна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Тучина Дарья Кирилловна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Лазарева Екатерина Николаевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Доронкина Анна Алексеевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Мыльников Артём Михайлович, Саратовский государственный медицинский университет им. В. И. Разумовского
Наволокин Никита Александрович, Саратовский государственный медицинский университет им. В. И. Разумовского
Кочубей Вячеслав Иванович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Янина Ирина Юрьевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

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. 

Благодарности: 
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда№ 21-72-10057, https://rscf.ru/project/21-72-10057/.
Список источников: 
  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. 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
  15. 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
  16. 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
  17. 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
  18. 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
  19. 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
  20. 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
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. 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
  27. 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
  28. 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
  29. 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
  30. 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
  31. 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
  32. 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
  33. 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
  34. 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
  35. 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
  36. 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
  37. 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
  38. 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
  39. 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
  40. 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
  41. 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
  42. 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
  43. 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
  44. 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
  45. 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
  46. 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
  47. 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
  48. 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
  49. 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
  50. 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
  51. 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
  52. 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
  53. 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
  54. 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
  55. 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
  56. 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
  57. 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
Поступила в редакцию: 
04.04.2022
Принята к публикации: 
23.05.2022
Опубликована: 
30.11.2022