Almanac of Clinical MedicineAlmanac of Clinical MedicineАльманах клинической медицины2072-05052587-9294Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI)34110.18786/2072-0505-2016-44-2-227-233ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИLUMINESCENCE DIAGNOSTICS OF TUMORS WITH UPCONVERSION NANOPARTICLESЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ДИАГНОСТИКА ОПУХОЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ АПКОНВЕРТИРУЮЩИХ НАНОЧАСТИЦRochevaV. V.РочеваВ. В.
Russian Federation

PhD Student, Junior Research Fellow, Laboratory for Nonlinear Optics of Surface and Laser-Plasma Processes, Advanced Laser Technologies Division

аспирант, мл. науч. сотр., лаборатория нелинейной оптики поверхности и лазерно-плазменных процессов, отделение перспективных лазерных технологий1

khaydukov@mail.ruSholinaN. V.ШолинаН. В.
Russian Federation

Junior Research Fellow, Laboratory for Nonlinear Optics of Surface and Laser-Plasma Processes, Advanced Laser Technologies Division1 ; Junior Research Fellow, Laboratory of Biomarkers and Mechanisms of Tumor Angiogenesis, Research Institute of Experimental Diagnostics and Tumor Therapy

мл. науч. сотр., лаборатория нелинейной оптики поверхности и лазерно- плазменных процессов, отделение перспективных лазерных технологий1 ; мл. науч. сотр., лаборатория биомаркеров и механизмов опухолевого ангиогенеза, НИИ экспериментальной диагностики и терапии опухолей2

khaydukov@mail.ruDerevyashkinS. P.ДеревяшкинС. П.
Russian Federation

Research Laboratorian, Laboratory for Nonlinear Optics of Surface and Laser-Plasma Processes, Advanced Laser Technologies Division

лаборант-исследователь, лаборатория нелинейной оптики поверхности и лазерно-плазменных процессов, отделение перспективных лазерных технологий

khaydukov@mail.ruGeneralovaA. N.ГенераловаА. Н.
Russian Federation

PhD (in Chemistry), Senior Research Fellow, Laboratory for Nonlinear Optics of Surface and Laser-Plasma Processes, Advanced Laser Technologies Division1 ; Senior Research Fellow, Polymers for Biology Laboratory

канд. хим. наук, ст. науч. сотр., лаборатория нелинейной оптики поверхности и лазерно-плазменных процессов, отделение перспективных лазерных технологий1 ; ст. науч. сотр., лаборатория полимеров для биологии

khaydukov@mail.ruNechaevA. V.НечаевА. В.
Russian Federation

PhD (in Chemistry), Laboratory for Nonlinear Optics of Surface and Laser-Plasma Processes, Advanced Laser Technologies Division1 ; Associate Professor, Chair of Chemistry and Technology of Synthetic Biologically Active Substances

канд. хим. наук, лаборатория нелинейной оптики поверхности и лазерно- плазменных процессов, отделение перспективных лазерных технологий1 ; доцент кафедры химии и технологии биологически активных соединений им. Н.А. Преображенского

khaydukov@mail.ruKhochenkovD. A.ХоченковД. А.
Russian Federation

PhD (in Biology), Research Fellow, Laboratory for Nonlinear Optics of Surface and Laser-Plasma Processes, Advanced Laser Technologies Division1 ; Research Fellow, Laboratory of Biomarkers and Mechanisms of Tumor Angiogenesis, Research Institute of Experimental Diagnostics and Tumor Therapy

канд. биол. наук, науч. сотр., лаборатория нелинейной оптики поверхности и лазерно-плазменных процессов, отделение перспективных лазерных технологий1 ; науч. сотр., лаборатория биомаркеров и механизмов опухолевого ангиогенеза, НИИ экспериментальной диагностики и терапии опухолей

khaydukov@mail.ruSemchishenV. A.СемчишенВ. А.
Russian Federation

PhD (in Physics and Mathematics), Leading Research Fellow, Laboratory for Nonlinear Optics of Surface and Laser-Plasma Processes, Advanced Laser Technologies Division

канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр., лаборатория нелинейной оптики поверхности и лазерно-плазменных процессов, отделение перспективных лазерных технологий

khaydukov@mail.ruKhaydukovE. V.ХайдуковЕ. В.
Russian Federation

PhD (in Physics and Mathematics), Senior Research Fellow, Laboratory for Nonlinear Optics of Surface and Laser-Plasma Processes, Advanced Laser Technologies Division

лаборатория нелинейной оптики поверхности и лазерно-плазменных процессов, отделение перспективных лазерных технологий1

khaydukov@mail.ruStepanovaE. V.СтепановаЕ. В.
Russian Federation

MD, PhD, Leading Research Fellow, Laboratory of Biomarkers and Mechanisms of Tumor Angiogenesis, Research Institute of Experimental Diagnostics and Tumor Therapy

д-р мед. наук, вед. науч. сотр., лаборатория биомаркеров и механизмов опухолевого ангиогенеза НИИ экспериментальной диагностики и терапии опухолей

khaydukov@mail.ruPanchenkoV. Ya.ПанченкоВ. Я.
Russian Federation

PhD (in Physics and Mathematics), Academician of Russian Academy of Sciences, Professor, Director

д-р физ.-мат. наук, академик РАН, профессор, директор

khaydukov@mail.ruInstitute of Laser and Information Technologies of the Russian Academy of SciencesФГБУН «Институт проблем лазерных и информационных технологий» РАН1 Svyatoozerskaya ul., Shatura, Moskovskaya oblast', 140700, Russian Federation140700, Московская область, г. Шатура, ул. Святоозерская, 1, Российская Федерация1 Svyatoozerskaya ul., Shatura, Moskovskaya oblast', 140700, Russian Federation N.N. Blokhin Russian Cancer Research Center140700, Московская область, г. Шатура, ул. Святоозерская, 1, Российская Федерация ФГБУ «Российский онкологический научный центр им. Н.Н. Блохина» Минздрава России24 Kashirskoe shosse, Moscow, 115478, Russian Federation115478, г. Москва, Каширское шоссе, 24, Российская Федерация1 Svyatoozerskaya ul., Shatura, Moskovskaya oblast', 140700, Russian Federation Shemyakin – Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences140700, Московская область, г. Шатура, ул. Святоозерская, 1, Российская Федерация ФГБУН «Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова» РАН16/10 Miklukho-Maklaya ul., Moscow, 117997, Russian Federation117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10, Российская Федерация1 Svyatoozerskaya ul., Shatura, Moskovskaya oblast', 140700, Russian Federation Lomonosov Mosсow University of Fine Chemical Technology140700, Московская область, г. Шатура, ул. Святоозерская, 1, Российская Федерация ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова»86 Prospekt Vernadskogo, Moscow, 119571, Russian Federation119571, г. Москва, проспект Вернадского, 86, Российская ФедерацияN.N. Blokhin Russian Cancer Research CenterФГБУ «Российский онкологический научный центр им. Н.Н. Блохина» Минздрава России150320164422272332706201627062016Copyright ©; 2016, Rocheva V.V., Sholina N.V., Derevyashkin S.P., Generalova A.N., Nechaev A.V., Khochenkov D.A., Semchishen V.A., Khaydukov E.V., Stepanova E.V., Panchenko V.Y.Copyright ©; 2016, Рочева В.В., Шолина Н.В., Деревяшкин С.П., Генералова А.Н., Нечаев А.В., Хоченков Д.А., Семчишен В.А., Хайдуков Е.В., Степанова Е.В., Панченко В.Я.2016Rocheva V.V., Sholina N.V., Derevyashkin S.P., Generalova A.N., Nechaev A.V., Khochenkov D.A., Semchishen V.A., Khaydukov E.V., Stepanova E.V., Panchenko V.Y.Рочева В.В., Шолина Н.В., Деревяшкин С.П., Генералова А.Н., Нечаев А.В., Хоченков Д.А., Семчишен В.А., Хайдуков Е.В., Степанова Е.В., Панченко В.Я.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://almclinmed.ru/jour/article/view/341

Background: To improve quality of surgery in oncology, it is necessary to completely remove the tumor, including its metastases, to minimize injury to normal tissues and to reduce duration of an intervention. Modern methods of detection based on radiological computerized tomography and magnetic resonance imaging can identify a tumor after its volume has become big enough, i.e. it contains more than 10 billion cells. Therefore, an improvement of sensitivity and resolution ability of diagnostic tools to identify early stages of malignant neoplasms seems of utmost importance. Aim: To demonstrate the potential of a new class of anti-Stokes luminescence nanoparticles for deep optical imaging with high contrast of malignant tumors. Materials and methods: Upconversion nanoparticles with narrow dispersion and a  size of 70 to 80  nm, with a  core/shell structure of NaYF4:Yb3+:Tm3+/NaYF4 were used in the study. The nanoparticles have an intensive band of anti-Stokes photoluminescence at a wavelength of 800  nm under irradiation with a  wavelength of 975  nm (both wavelengths are within the transparency window for biological tissues). The conversion coefficient of the excitation radiation into the anti-Stokes luminescence was 9%. To increase the time during which nanoparticles can circulate in blood flow of small animals, the nanoparticles were covered by a  biocompatible amphiphilic polymer shell. As a  tumor model we used Lewis epidermoid carcinoma transfected to mice. Results: We were able to obtain stable water colloids of nanoparticles covered with amphiphilic polymer that could preserve their initial size at least for one month. The use of upconversion nanoparticles with a  hydrophilic shell made of intermittent maleic anhydride and octadecene co-polymer with subsequent coating with diglycidyl polyethylene glycol ether allowed for reduction of non-specific reaction of nanoparticles with plasma proteins. In its turn, it resulted in an increased time of their circulation in blood flow of small animals for up to 1 hour. With the Lewis lung carcinoma transfected to mice model we demonstrated аn in-life transportation of upconversion nanoparticles into the tumor with a  high degree of localization due to a passive EPR effect. The contrast of luminescent signal in the tumor compared to adjacent tissues was at least 70%. The possibility of visualization of upconverted nanoparticles up to 15 mm of biological tissue was shown. Conclusion: The optical imaging techniques with anti-Stokes photoluminescent markers ensure a  high contract real-time detection of tumor tissues that allows for their use for intra-operative diagnostics.

Актуальность. Для повышения качества онкологических операций необходимо полностью удалить опухоль, включая метастазы, свести к минимуму повреждения здоровых тканей и сократить время операции. Современные методы детектирования, в  основе которых лежит рентгеновская компьютерная томография, а  также магнитно-резонансная томография, определяют опухоль, когда ее объем становится достаточно большим (содержит более 10  миллиардов клеток). В  этой связи актуальной задачей представляется повышение чувствительности и  раз- решающей способности методов диагностики для обнаружения злокачественных новообразований на ранних этапах развития. Цель – продемонстрировать возможности применения нового класса антистоксовых люминесцентных наночастиц для глубокой высококонтрастной оптической визуализации злокачественных опухолей. Материал и  методы. В  работе использовались узкодисперсные апконвертирующие наночастицы размером 70–80  нм, имеющие структуру ядро/оболочка NaYF4:Yb3+:Tm3+/NaYF4. Наночастицы обладают интенсивной полосой антистоксовой фотолюминесценции на длине волны 800  нм при возбуждении излучением на длине волны 975  нм (обе длины волны попадают в  окно прозрачности биологической ткани). Коэффициент конверсии возбуждающего излучения в антистоксовую люминесценцию составлял 9%. Для увеличения времени циркуляции частиц в кровотоке малых животных наночастицы покрывались биосовместимой амфифильной полимерной оболочкой. В  качестве опухолевой модели использовалась перевитая мышам эпидермоидная карцинома Льюиса. Результаты. Получены стабильные водные коллоиды наночастиц, покрытых амфифильным полимером, способные сохранять первичные размеры в течение как минимум месяца. Применение апконвертирующих наночастиц с гидрофильной оболочкой из чередующегося сополимера малеинового ангидрида и октадецена с последующим покрытием с помощью диглицидилового эфира полиэтилен- гликоля позволило снизить неспецифическое взаимодействие наночастиц с  белками плазмы крови, что, в свою очередь, привело к увеличению времени их циркуляции в кровотоке малых животных до 1 часа. На модели карциномы легкого Льюиса, перевитой мышам, продемонстрирована прижизненная доставка апконвертирующих наночастиц в опухоль с высокой степенью локализации за счет пассивного EPR-эффекта. Контраст люминесцентного сигнала в  опухоли по отношению к  окружающим тканям составил не менее 70%. Продемонстрирована возможность визуализации апконвертирующих наночастиц в глубине биоткани до 15 мм. Заключение. Методы оптической визуализации с применением антистоксовых фотолюминесцентных маркеров обеспечивают высокий контраст обнаружения опухолевых тканей в  режиме реального времени, что позволяет использовать их для интраоперационной диагностики. 

upconverted nanoparticlesoptical luminescence imagingintraoperative assessment of tumor bordersапконвертирующие наночастицыоптическая люминесцентная визуализацияинтраоперационная оценка границ опухоли1. Renton SC, Gazet JC, Ford HT, Corbishley C, Sutcliffe R. The importance of the resection margin in conservative surgery for breast cancer. Eur J Surg Oncol. 1996;22(1):17–22.2. Schiller DE, Le LW, Cho BC, Youngson BJ, McCready DR. Factors associated with negative margins of lumpectomy specimen: potential use in selecting patients for intraoperative radiotherapy. Ann Surg Oncol. 2008;15(3):833–42.3.Hadjipavlou AG, Kambin P, Lander PH, Crow WN, Simmons JW. Imaging guided minimally invasive surgery for low back pain sciatica and spinal infection. Journal of Interventional Radiology. 1999;14(1):1–22.4. van Dam GM, Themelis G, Crane LM, Harlaar NJ, Pleijhuis RG, Kelder W, Sarantopoulos A, de Jong JS, Arts HJ, van der Zee AG, Bart J, Low PS, Ntziachristos V. Intraoperative tumor-specific fluorescence imaging in ovarian cancer by folate receptor-α targeting: first in-human results. Nat Med. 2011;17(10):1315–9. doi: 10.1038/nm.2472.5.Nadort A, Sreenivasan VK, Song Z, Grebenik EA, Nechaev AV, Semchishen VA, Panchenko VY, Zvyagin AV. Quantitative imaging of single upconversion nanoparticles in biological tissue. PLoS One. 2013;8(5):e63292. doi: 10.1371/journal.pone.0063292.6.Grebenik EA, Nadort A, Generalova AN, Nechaev AV, Sreenivasan VK, Khaydukov EV, Semchishen VA, Popov AP, Sokolov VI, Akhmanov AS, Zubov VP, Klinov DV, Panchenko VY, Deyev SM, Zvyagin AV. Feasibility study of the optical imaging of a breast cancer lesion labeled with upconversion nanoparticle biocomplexes. J Biomed Opt. 2013;18(7):76004. doi: 10.1117/1.JBO.18.7.076004.7. Tromberg BJ, Shah N, Lanning R, Cerussi A, Espinoza J, Pham T, Svaasand L, Butler J. Non-invasive in vivo characterization of breast tumors using photon migration spectroscopy. Neoplasia. 2000;2(1–2):26–40. doi: 10.1038/ sj.neo.7900082.8. Moghimi SM, Hunter AC, Murray JC. Long-circulating and target-specific nanoparticles: theory to practice. Pharmacol Rev. 2001;53(2):283–318.9. Maeda H. Macromolecular therapeutics in cancer treatment: the EPR effect and beyond. J Control Release. 2012;164(2):138–44. doi: 10.1016/j.jconrel.2012.04.038.10. Matsumura Y, Maeda H. A new concept for macromolecular therapeutics in cancer chemotherapy: mechanism of tumoritropic accumulation of proteins and the antitumor agent smancs. Cancer Res. 1986;46(12 Pt 1):6387–92.11. Wu J, Akaike T, Maeda H. Modulation of enhanced vascular permeability in tumors by a bradykinin antagonist, a cyclooxygenase inhibitor, and a nitric oxide scavenger. Cancer Res. 1998;58(1):159–65.12. Cole AJ, David AE, Wang J, Galbán CJ, Yang VC. Magnetic brain tumor targeting and biodistribution of long-circulating PEG-modified, cross-linked starch-coated iron oxide nanoparticles. Biomaterials. 2011;32(26):6291–301. doi: 10.1016/j.biomaterials.2011.05.024.13.Noguchi Y, Wu J, Duncan R, Strohalm J, Ulbrich K, Akaike T, Maeda H. Early phase tumor accumulation of macromolecules: a great difference in clearance rate between tumor and normal tissues. Jpn J Cancer Res. 1998;89(3):307–14.14. Cabral H, Matsumoto Y, Mizuno K, Chen Q, Murakami M, Kimura M, Terada Y, Kano MR, Miyazono K, Uesaka M, Nishiyama N, Kataoka K. Accumulation of sub-100 nm polymeric micelles in poorly permeable tumours depends on size. Nat Nanotechnol. 2011;6(12):815–23. doi: 10.1038/nnano.2011.166.15. Khaydukov EV, Semchishen VA, Seminogov VN, Sokolov VI, Popov AP, Bykov AV, Nechaev AV, Akhmanov AS, Panchenko VYa, Zvyagin AV. Enhanced spatial resolution in optical imaging of biotissues labelled with upconversion nanoparticles using a fibre-optic probe scanning technique. Laser Phys Lett. 2014;11(9):095602. dx.doi.org/10.1088/1612- 2011/11/9/095602.16. Хайдуков ЕВ, Рочева ВВ, Семчишен ВА, Семиногов ВН, Соколов ВИ, Звягин АВ, Ахманов АС, Панченко ВЯ, Нечаев АВ, Генералова АН, Шехтер АБ. Оптическая визуализация опухолевых тканей с применением антистоксовых наночастиц. Вестник Российского фонда фундаментальных исследований. 2014;(4):7–17.