Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

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


Для цитирования:

Янина И. Ю., Кочубей В. И. Токсичность апконверсионных наночастиц. Обзор // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2020. Т. 20, вып. 4. С. 268-277. DOI: 10.18500/1817-3020-2020-20-4-268-277

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.11.2020
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 73)
Язык публикации: 
русский
УДК: 
53.06:615.4:615.9

Токсичность апконверсионных наночастиц. Обзор

Авторы: 
Янина Ирина Юрьевна, Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Кочубей Вячеслав Иванович, Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Приведен обзор результатов исследований по выявлению токсичности различных типов апконверсионных наночастиц. Апконверсионные наночастицы являются перспективными для визуализации структуры биологических тканей и органов в люминесцентном свете, а также для использования при диагностике заболеваний и фотоиндуцированной терапии. Рассмотрены наночастицы с дополнительными оболочками или функционализированные при помощи покрытия поверхности адресными или фотоактивными молекулами, позволяющими создание частиц с несколькими модальностями. Отдельно рассмотрена фототоксичность таких частиц. При использовании наночастиц для терапии или диагностики состояния живых объектов вопрос токсичности является актуальным. Токсичное воздействие апконверсионных наночастиц на организм зависит от их концентрации при введении, а также от общего количества наночастиц, соотнесенного с весом организма. Из рассмотренных концентрационных зависимостей на основе результатов гистологических и биохимических исследований показано, что у таких частиц, как правило, не наблюдалось заметной токсичности и предельно допустимой концентрацией частиц можно считать 2 мг/мл.

Список источников: 
  1. Li J., Chang X., Chen X., Gu Z., Zhao F., Chai Z., Zhao Y. Toxicity of inorganic nanomaterials in biomedical imaging // Biotechnol. Adv. 2014. Vol. 32, № 4. P. 727‒743.
  2. Ahmad M. Z., Abdel-Wahab B. A., Alam A., Zafar S., Ahmad J., Ahmad F. J., Midoux P., Pichon C., Akhter S. Toxicity of Inorganic Nanoparticles Used in Targeted Drug Delivery and Other Biomedical Application : An Updated Account on Concern of Biomedical Nanotoxicology // J. Nanosci. Nanotechno. 2016. Vol. 16, № 8. P. 7873‒7897.
  3. Gnach A., Lipinski T., Bednarkiewicz A., Rybka J., Capobianco J. A. Upconverting nanoparticles : assessing the toxicity // Chem. Soc. Rev. 2015. Vol. 44, № 6. P. 1561‒1584.
  4. Tian B., Wang Q., Su Q., Feng W., Li F. In vivo biodistribution and toxicity assessment of triplet-triplet annihilation-based upconversion nanocapsules // Biomaterials. 2017. Vol. 112. P. 10‒19.
  5. Yang R., Cai L., Zheng A., Guan J. Inhalation of upconversion nanoparticles does transient damage to the mouse liver and lung // Chinese J. Tissue Eng. Res. 2016. Vol. 20, № 52. P. 7865‒7871.
  6. Abdul Jalil R., Zhang Y. Biocompatibility of silica coated NaYF(4) upconversion fluorescent nanocrystals // Biomaterials. 2008. Vol. 29. P. 4122–4128.
  7. Wang F., Banerjee D., Liu Y., Chen X., Liu X. Upconversion nanoparticles in biological labeling, imaging, and therapy // Analyst. 2010. Vol. 135, № 8. P. 1839‒1854.
  8. Zhou M., Ge X., Ke D.-M., Tang H., Zhang J.-Z., Calvaresi M., Gao B., Sun L., Su Q., Wang H. The Bioavailability, Biodistribution, and Toxic Effects of Silica-Coated Upconversion Nanoparticles in vivo // Front. Chem. 2019. Vol. 7. P. 218.
  9. Rufaihah A. J., Zhang Y. Biocompatibility of silica coated NaYF4 upconversion fluorescent nanocrystals // Biomaterials. 2008. Vol. 29, № 30. P. 4122e8.
  10. Chen F., Bu W., Cai W., Shi J. Functionalized Upconversion Nanoparticles : Versatile Nanoplatforms for Translational Research // Curr. Mol. Med. 2013. Vol. 13, № 10. P. 1613‒1632.
  11. Yu Z., Xia Y., Xing J., Li Z., Zhen J., Jin Y., Tian Y., Liu C., Jiang Z., Li J., Wu A. Y1-receptor–ligandfunctionalized ultrasmall upconversion nanoparticles for tumor-targeted trimodality imaging and photodynamic therapy with low toxicity // Nanoscale. 2018. Vol. 10, № 36. P. 17038‒17052.
  12. Sun L., Wei Z., Chen H., Liu J., Guo J., Cao M., Wen T., Shi L. Folic acid-functionalized up-conversion nanoparticles : toxicity studies in vivo and in vitro and targeted imaging applications // Nanoscale. 2014. Vol. 6. P. 8878‒8883.
  13. Chatterjee D. K., Rufaihah A. J., Zhang Y. Upconversion fluorescence imaging of cells and small animals using lanthanide doped nanocrystals // Biomaterials. 2008. Vol. 29. P. 937–943.
  14. Yu J., Yin W., Peng T., Chang Y., Zu Y., Li J., He X., Ma X., Gu Z., Zhao Y. Biodistribution, Excretion, and Toxicity of Polyethyleneimine Modified NaYF4:Yb,Er Upconversion Nanoparticles in Mice via Different Administration Routes // Nanoscale. 2017. Vol. 9, № 13. P. 4497‒4507.
  15. Long N., Wong W.-T. The Chemistry of Molecular Imaging, John Wiley & Sons, 2014. 408 p. URL: https://avidreaders.ru/book/the-chemistry-of-molecularimaging.html
  16. Jin J. F., Gu Y. J., Man C. W. Y., Cheng J. P., Xu Z. H., Zhang Y., Wang H. S., Lee V. H. Y., Cheng S. H., Wong W. T. Polymer-coated NaYF4:Yb3+, Er3+ upconversion nanoparticles for charge-dependent cellular imaging // ACS Nano. 2011. Vol. 5, № 10. P. 7838‒7847.
  17. Xiong L., Yang T., Yang Y., Xu C., Li F. Long-term in vivo biodistribution imaging and toxicity of polyacrylic acid-coated upconversion nanophosphors // Biomaterials. 2010. Vol. 31. P. 7078–7085.
  18. Sun X., Shi J., Fu X., Yang Y., Zhang H. Long-term in vivo biodistribution and toxicity study of functionalized near-infrared persistent luminescence nanoparticles // Sci. Rep. 2018. Vol. 8. P. 10595.
  19. Cheng L., Yang K., Shao M., Lu X., Liu Z. In vivo pharmacokinetics, long-term biodistribution and toxicology study of functionalized upconversion nanoparticles in mice // Nanomedicine (London). 2011. Vol. 6, № 8. P. 1327‒1340.
  20. Zhou J., Sun Y., Du X., Xiong L., Hu H., Li F. Dualmodality in vivo imaging using rare-earth nanocrystals with near-infrared to near-infrared (NIR-to-NIR) upconversion luminescence and magnetic resonance properties // Biomaterials. 2010. Vol. 31. P. 3287–3295.
  21. Zhou J., Yu M., Sun Y., Zhang X., Zhu X., Wu Z., Wu D., Li F. Fluorine-18-labeled Gd3+/Yb3+/Er3+ co-doped NaYF4 nanophosphors for multimodality PET/MR/UCL imaging // Biomaterials. 2011. Vol. 32. P. 1148–1156.
  22. Xia A., Chen M., Gao Y., Wu D. M., Feng W., Li F. Y. Gd3+ complex-modified NaLuF4-based upconversion nanophosphors for trimodality imaging of NIR-to-NIR upconversion luminescence, X-ray computed tomography and magnetic resonance // Biomaterials. 2012. Vol. 33, № 21. P. 5394‒5405.
  23. Liu Z., Dong K., Liu J. H., Han X. L., Ren J. S., Qu X. G. Anti-biofouling polymer-decorated lutetium-based nanoparticulate contrast agents for in vivo high-resolution trimodal imaging // Small. 2014. Vol. 10, № 12. P. 2429‒2438.
  24. Peng J., Samanta A., Zeng X., Han S., Wang L., Su D., Loong D. T., Kang N. Y., Park S. J., All A. H., Jiang W., Yuan L., Liu X., Chang Y. T. Real-Time In Vivo Hepatotoxicity Monitoring through Chromophore-Conjugated Photon-Upconverting Nanoprobes // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2017. Vol. 56, № 15. P. 4165‒4169.
  25. Peng J., Sun Y., Liu Q., Yang Y., Zhou J., Feng W., Zhang X., Li F. Upconversion nanoparticles dramatically promote plant growth without toxicity // Nano Res. 2012. Vol. 5. P. 770–782.
  26. Lucky S. S., Idris N. M., Huang K., Kim J., Li Z., Thong P. S. P., Xu R., Soo K. C., Zhang Y. In vivo Biocompatibility, Biodistribution and Therapeutic Efficiency of Titania Coated Upconversion Nanoparticles for Photodynamic Therapy of Solid Oral Cancers // Theranostics. 2016. Vol. 6, № 11. P. 1844–1865.
  27. Wang Z.-L., Hao J., Chan H. L. W., Law G.-L., Wong W.-T., Wong K.-L., Murphy M. B., Su T., Zhang Z. H., Zeng S. Q. Simultaneous synthesis and functionalization of watersoluble up-conversion nanoparticles for in-vitro cell and nude mouse imaging // Nanoscale. 2011. Vol. 3, № 5. P. 2175‒2181.
  28. 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.
  29. Peng J., Sun Y., Zhao L., Wu Y., Feng W., Gao Y., Li F. Polyphosphoric acid capping radioactive/upconverting NaLuF4:Yb,Tm,153Sm nanoparticles for blood pool imaging in vivo // Biomaterials. 2013. Vol. 34, № 37. P. 9535‒9544.
  30. Guryev E. L., Volodina N. O., Shilyagina N. Y., Gudkov S. V., Balalaeva I. V., Volovetskiy A. B., Lyubeshkin A. V., Sen’ A. V., Ermilov S. A., Vodeneev V. A., Petrov R. V., Zvyagin A. V., Alferov Z. I., Deyev S. M. Radioactive (90Y) upconversion nanoparticles conjugated with recombinant targeted toxin for synergistic nanotheranostics of cancer // Proc. Natl. Acad. Sci. 2018. Vol. 115, № 39. P. 9690‒9695.
  31. Asadi M., Ghahari M., Hassanzadeh-Tabrizi S. A., Masoud Arabi A., Nasiri R. Studying the toxicity effects of coated and uncoated NaLuF4: Yb3+, Tm3+ upconversion nanoparticles on blood factors and histopathology for Balb/C mice’s tissue // Mater. Res. Express. 2020. Vol. 6. P. 125421.
  32. Mironova K. E., Khochenkov D. A., Generalova A. N., Rocheva V. V., Sholina N. V., Nechaev A. V., Semchishen V. A., Deyev S. M., Zvyagin A. V., Khaydukov E. V. Ultraviolet phototoxicity of upconversion nanoparticles illuminated with near-infrared light // Nanoscale. 2017. Vol. 9, № 39. P. 14921‒14928.
  33. Maldiney T., Richard C., Seguin J., Wattier N., Bessodes M., Scherman D. Effect of core diameter, surface coating, and PEG chain length on the biodistribution of persistent luminescence nanoparticles in mice // ACS Nano. 2011. Vol. 5. P. 854–862.
  34. Khaydukov E. V., Mironova K. E., Semchishen V. A., Generalova A. N., Nechaev A. V., Khochenkov D. A., Stepanova E. V., Lebedev O. I., Zvyagin A. V., Deyev S. M., Panchenko V. Y. Riboflavin photoactivation by upconversion nanoparticles for cancer treatment // Sci. Rep. 2016. Vol. 6. P. 35103.
  35. Xu J., Xu L., Wang C., Yang R., Zhuang Q., Han X., Dong Z., Zhu W., Peng R., Liu Z. Near-Infrared-Triggered Photodynamic Therapy with Multitasking Upconversion Nanoparticles in Combination with Checkpoint Blockade for Immunotherapy of Colorectal Cancer // ACS Nano. 2017. Vol. 11, № 5. P. 4463‒4474.
  36. Maji S. K., Sreejith S., Joseph J., Lin M., He T., Tong Y., Sun H., Yu S. W., Zhao Y. Upconversion Nanoparticles as a Contrast Agent for Photoacoustic Imaging in Live Mice // Adv. Mater. 2014. Vol. 26, № 32. P. 5633‒5638.
  37. Fan W., Shen B., Bu W., Zheng X., He Q., Cui Z., Ni D., Zhao K., Zhang S., Shi J. Intranuclear biophotonics by smart design of nuclear-targeting photo-/radio-sensitizers co-loaded upconversion nanoparticles // Biomaterials. 2015. Vol. 69. P. 89‒98.
  38. Chien Y.-H., Chou Y.-L., Wang S.-W., Hun S.-T., Liau M.-C., Chao Y.-J., Su C.-H., Yeh C.-S. Near-Infrared Light Photocontrolled Targeting, Bioimaging, and Chemotherapy with Caged Upconversion Nanoparticles in Vitro and in Vivo // ACS Nano. 2013. Vol. 7, № 10. P. 8516‒8528.