Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

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

Для цитирования:

Лазарева Е. Н., Мыльников А. М., Наволокин Н. А., Доронкина А. А., Анисимов Р. А., Ломова М. В., Кочубей В. И., Янина И. Ю. Влияние апконверсионных наночастиц на рефрактометрические свойства опухолевой ткани в условиях фотодинамической терапии // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025. Т. 25, вып. 3. С. 343-355. DOI: 10.18500/1817-3020-2025-25-3-343-355, EDN: PGBLUU

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
29.08.2025
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 126)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Биофизика и медицинская физика
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
616-073.53
DOI: 
10.18500/1817-3020-2025-25-3-343-355
EDN: 
PGBLUU

Влияние апконверсионных наночастиц на рефрактометрические свойства опухолевой ткани в условиях фотодинамической терапии

Авторы: 
Лазарева Екатерина Николаевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Мыльников Артем Михайлович, Саратовский государственный медицинский университет им. В. И. Разумовского
Наволокин Никита Александрович, Саратовский государственный медицинский университет им. В. И. Разумовского
Доронкина Анна Алексеевна, 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
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: 

Метод фотодинамической терапии относится к одному из перспективных направлений современной клинической онкологии, который позволяет малоинвазивно проводить терапию раковых заболеваний. Для его развития и повышения эффективности требуются точные данные об оптических свойствах биологических тканей и их изменениях после проведения фотодинамической терапии с использованием апконверсионных наночастиц (АКНЧ) различного типа. В данной работе представлены результаты экспериментального измерения показателей преломления на 12 длинах волн видимого и ближнего ИК диапазонов (480–1550 нм) для опухолевой ткани (модельный альвеолярный рак печени), измененной ткани после введения АКНЧ пяти различных типов (NaYF4 неотожженные; NaYF4, покрытые оболочкой SiO2, отожженные; NaYF4 отожженные; CaCO3 с раствором бычьего сывороточного альбумина (BSA); NaYF4 с раствором сывороточного человеческого альбумина и красителем (Cy3)) и после фотодинамического воздействия с использованием АКНЧ. Проведен анализ полученных дисперсионных зависимостей и получены коэффициенты для формулы Зельмейера, позволяющие восстановить значение показателя преломления в диапазоне 480–1550 нм. Проведен расчет величины средней дисперсии и числа Аббе для оценки степени рассеяния света образцами. Для опухолевой ткани без АКНЧ и фотодинамического воздействия число Аббе равно 53.67 ± 0.68, после введения АКНЧ – 53.29 ± 0.69, у образцов тканей от животных после проведения фотодинамической терапии с применением АКНЧ различного типа – 53.12 ± 0.69. Таким образом, введение АКНЧ приводит к снижению величины числа Аббе на 0.38, а применение фотодинамического воздействия при введенных АКНЧ снижает число Аббе на 0.55 по сравнению с величиной числа Аббе для интактной опухолевой ткани.

Ключевые слова: 
Альвеолярный рак печени
показатель преломления
дисперсия
число Аббе
фотодинамическая терапия
апконверсионные наночастицы
Благодарности: 
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-72-10057, https://rscf.ru/project/21-72-10057/).
Список источников: 
  1. Hu T., Wang Z., Shen W., Liang R., Yan D., Wei M. Recent advances in innovative strategies for enhanced cancer photodynamic therapy. Theranostics, 2021, vol. 11, no. 7, pp. 3278–3300. https://doi.org/10.7150/thno.54227
  2. Chang H., Xie J., Zhao B., Liu B., Xu S., Ren N., Xie X., Huang L., Huang W. Rare earth ion-doped upconversion nanocrystals: Synthesis and surface modification. Nanomaterials, 2015, vol. 5, no. 1, pp. 1–25. https://doi.org/10.3390/nano5010001
  3. Abdel-Kader M. H. Photodynamic Therapy. Berlin, Springer, 2016. 317 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-39629-8
  4. Filonenko E. V. Fluorescence diagnostics and photodynamic therapy: Justification of applications and opportunities in oncology. Photodynamic Therapy and Photodiagnosis, 2014, no. 1, pp. 3–7 (in Russian).
  5. Yanina I. Yu., Kochubey V. I. Toxicity of upconversion nanoparticles. Overview. Izvestiya of Saratov Univercity. Physics, 2020, vol. 20, iss. 4, pp. 268–277 (in Russian). https://doi.org/10.18500/1817-3020-2020-20-4-268-277
  6. Doronkina A. A., Kochubey V. I., Maksutova A. V., Pravdin A. B., Mylnikov A. M., Navolokin N. A., Yanina I. Y. NaYF4: Yb, Er Upconversion nanoparticles for imaging: effect on red blood cells. Photonics, 2023, vol. 10, no. 12, art. 1386. https://doi.org/10.3390/photonics10121386
  7. DeRosa M. C., Crutchley R. J. Photosensitized singlet oxygen and its applications. Coordination Chemistry Reviews, 2002, vol. 233–234, pp. 351–371. https://doi.org/10.1016/S0010-8545(02)00034-6
  8. Stella B., Arpicco S., Peracchia M. T., Desmaële D., Hoebeke J., Renoir M., D’Angelo J., Cattel L., Couvreur P. Design of folic acid-conjugated nanoparticles for drug targeting. Journal of Pharmaceutical Sciences, 2000, vol. 89, no. 1, pp. 1452–1464. https://doi.org/10.1002/1520- 6017(200011)89:11\char”003C\relax1452::aid-jps8\char”003E\relax3.0.co;2-p
  9. Kochubey V. I., Yanina I.Yu. Application of upconversion nanoparticles as a temperature sensor for biological tissue. Photon Express, 2023, no. 6 (190), pp. 354–355 (in Russian). https://doi.org/10.24412/2308-6920-2023-6-354-355
  10. Carneiro I., Carvalho S., Henrique R., Oliveira L., Tuchin V. V. Measurement of optical properties of normal and pathological human liver tissue from deepUV to NIR. Proc. SPIE, 2020, vol. 11363, art. 113630G. https://doi.org/10.1117/12.2554877
  11. Nazarov M. M., Cherkasova O. P., Lazareva E. N., Bucharskaya A. B., Navolokin N. A., Tuchin V. V., Shkurinov A. P. A complex study of the peculiarities of blood serum absorption of rats with experimental liver cancer. Optics and Spectroscopy, 2019, vol. 126, no. 6, pp. 721–729. https://doi.org/10.1134/S0030400X19060183
  12. Gul B., Ashraf S., Khan S., Nisar H., Ahmad I. Cell refractive index: Models, insights, applications and future perspectives. Photodiagnosis Photodyn. Ther., 2021, vol. 33, art. 102096. https://doi.org/10.1016/j.pdpdt.2020.102096
  13. Ledwig P., Robles F. E. Quantitative 3D refractive index tomography of opaque samples in epi-mode. Optica, 2021, vol. 8, iss. 1, pp. 6–14. https://doi.org/10.1364/OPTICA.410135
  14. Wang J., Deng Z., Zhou W., Zhang C., Tian J. Measurement of the complex refractive index of tissue-mimicking phantoms and biotissue by extended differential total reflection method. J. Biomed. Opt., 2011, vol. 16, no. 9, art. 097001. https://doi.org/10.1117/1.3615657
  15. Martins I. S., Silva H. F., Lazareva E. N., Chernomyrdin N. V., Zaytsev K. I., Oliveira L. M., Tuchin V. V. Measurement of tissue optical properties in a wide spectral range: A review [Invited]. Biomed Opt Express, 2022, vol. 14, iss. 1, pp. 249–298. https://doi.org/10.1364/BOE.479320
  16. Contreras-Tello H., Márquez-Islas R., Vázquez-Estrada O., Sánchez-Pérez C., García-Valenzuela A. Understanding the performance of Abbe-type refractometers with optically absorbing fluids. Meas. Sci. Technol., 2014, vol. 25, art. 075201. https://doi.org/10.1088/0957-0233/25/7/075201
  17. Wang Z., Tangella K., Balla A., Popescu G. Tissue refractive index as marker of disease. J. Biomed. Opt., 2011, vol. 16, no. 11, art.116017. https://doi.org/10.1117/1.3656732
  18. Giannios P., Koutsoumpos S., Toutouzas K. G., Matiatou M., Zografos G. C., Moutzouris K. Complex refractive index of normal and malignant human colorectal tissue in the visible and near-infrared. J. Biophotonics, 2017, vol. 10, no. 2, pp. 303–310. https://doi.org/10.1002/jbio.201600001
  19. Tarahovskij Yu. S. Intellektualnye lipidnye nanokontejnery v adresnoj dostavke lekarstvennyh veshchestv [Intelligent Lipid Nanocontainers in Targeted Drug Delivery]. Moscow, Editorial URS, 2011. 280 p. (in Russian).
  20. Torresan M. F., Wolosiuk Al. Critical aspects on the chemical stability of NaYF4 – Based upconverting nanoparticles for biomedical applications. ACS Applied Bio Materials., 2021, vol. 4, iss. 2, pp. 1191–1210. https://doi.org/10.1021/acsabm.0c01562
  21. Alnasif N., Zoschke C., Fleige E., Brodwolf R., Boreham A., Rühl E., Eckl K. M., Merk H. F., Hennies H. C., Alexiev U., Haag R., Küchler S., Schäfer-Korting M. Penetration of normal, damaged and diseased skin – An in vitro study on dendritic core-multishell nanotransporters. Journal of Controlled Release, 2014, vol. 185, pp. 45–50. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2014.04.006
  22. Carneiro I., Carvalho S., Henrique R., Oliveira L., Tuchin V. V. Measuring optical properties of human liver between 400 and 1000 nm. Quant. Elect., 2019, vol. 49, no.1, pp. 13–19. https://doi.org/10.1070/QEL16903
  23. Bucharskaya A. B., Dikht N. I., Afanas’eva G. A., Terentyuk G. S., Zakharova N. B., Maslyakova G. N., Khlebtsov B. N., Khlebtsov N. G. The assessment of molecular markers of cell interaction and lipid peroxidation in rats with alloxan diabetes and trans- planted liver cancer after intravenous injection of gold nanorods // Saratov Journal of Medical Scientific Research, 2015, vol. 11, no. 2, pp. 107–112 (in Russian).
  24. International Guiding Principles for Biomedical Research Involving Animals. CIOMS and ICLAS. 2012. Available at: https://olaw.nih.gov/sites/default/files/Guiding_Principles_2012.pdf (accessed April 10, 2024).
  25. Lazareva E. N., Oliveira L., Yanina I. Yu., Chernomyrdin N. V., Musina G. R., Tuchina D. K., Bashkatov A. N., Zaytsev K. I., Tuchin V. V. Refractive index measurements of tissue and blood components and OCAs in a wide spectral range. In: Tuchin V. V., Zhu D., Genina E. A. Handbook of Tissue Optical Clearing: New Prospects in Optical Imaging, 2022, pp. 141–166. https://doi.org/10.1201/9781003025252
  26. Kasap S. O., Capper P. Springer handbook of electronic and photonic materials. Cham, Springer, 2006. 1406 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48933-9
  27. Zysk A., Adie S., Armstrong J., Leigh M., Paduch A., Sampson D. Needle-based refractive index measurement using low-coherence interferometry. Opt. Express, 2007, vol. 32, no. 4, pp. 385–387. https://doi.org/10.1364/OL.32.000385
  28. Daimon M., Masumura A. Measurement of the refractive index of distilled water from the near-infrared region to the ultraviolet region. Appl. Opt., 2007, vol. 46, pp. 3811–3820. https://doi.org/10.1364/AO.46.003811
  29. Bashkatov A. N., Genina E. A. Water refractive index in dependence on temperature and wavelength: a simple approximation. Proc. SPIE, 2003, vol. 5060, pp. 393–395. https://doi.org/10.1117/12.518857
  30. Thormählen I., Straub J., Grigull U. Refractive Index of Water and its Dependence on Wavelength, Temperature, and Density. J. Phys. Chem. Ref. Data, 1985, vol. 14, no. 4, pp. 933–945. https://doi.org/10.1063/1.555743
  31. Harvey A. H., Gallagher J. S., Sengers J. M. H. L. Revised formulation for the refractive index of water and steam as a function of wavelength, Temperature and Density. J. Phys. Chem. Ref. Data, 1998, vol. 27, iss. 4, pp. 761–774. https://doi.org/10.1063/1.556029
  32. Bertie J. E., Lan Z. Infrared Intensities of Liquids XX: The intensity of the OH stretching band of liquid water revisited, and the best current values of the optical constants of H2O at 25°C between 15,000 and 1 cm−1. Appl. Spectrosc., 1996, vol. 50, no. 8, pp. 1047–1057. https://doi.org/10.1366/0003702963905385
  33. Hale G. M., Querry M. R. Optical constants of water in the 200-nm to 200-Mm wavelength region. Appl. Opt., 1973, vol. 12, iss. 3, pp. 555–562. https://doi.org/10.1364/AO.12.000555
  34. Kedenburg S., Vieweg M., Gissibl T., Giessen H. Linear Refractive index and absorption measurements of nonlinear optical liquids in the visible and Near-Infrared spectral region, Opt. Mater. Express, 2012, vol. 2, no. 1, pp. 1588–1611. https://doi.org/10.1364/OME.2.001588
  35. Lue N., Kang J. W., Hillman T. R., Dasari R. R., Yaqoob Z. Single-shot quantitative dispersion phase microscopy. Appl. Phys. Lett., 2012, vol. 101, iss. 8, art. 084101. https://doi.org/10.1063/1.4745785
Поступила в редакцию: 
22.04.2024
Принята к публикации: 
10.07.2025
Опубликована: 
29.08.2025
  • 395 просмотров