Фотодинамическая терапия солидных опухолей in vitro и in vivo с применением комбинации рибофлавина и наноразмерных апконвертирующих фосфоров

Обложка


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснование. Рибофлавин (витамин В2) считается одним из наиболее перспективных агентов для фотодинамической терапии. Однако его применение ограничено возбуждением в ультрафиолетовом (УФ) и синем диапазонах спектра и, как следствие, малой (не более нескольких миллиметров) глубиной проникновения в биоткань. Решением данной проблемы видится разработка подходов, обеспечивающих фотовозбуждение молекул рибофлавина под действием инфракрасного (ИК) света в глубине опухолевой ткани. В качестве посредника, способного эффективно преобразовывать возбуждающее излучение ближнего ИК диапазона, проникающее в биоткань на глубину до 3 см, в фотолюминесценцию УФ и видимого диапазона спектра, могут быть рассмотрены наноразмерные апконвертирующие фосфоры (НАФ).

Цель – оценить эффективность использования НАФ для ИК-опосредованной активации рибофлавина в глубине опухолевой ткани при проведении фотодинамической терапии.

Материал и методы. Водорастворимая форма рибофлавина – флавинмононуклеотид (ФМН) (Фармстандарт-УфаВИТА, Россия) – был использован в качестве фотосенсибилизатора в экспериментах in vitro и in vivo. Эксперименты in vitro выполнены на клеточных линиях аденокарциномы молочной железы человека SK-BR-3, глиобластомы человека U-87 MG и глиомы крысы C6. Карцинома легкого Льюис, перевитая мышам-гибридам BDF1, была использована в качестве модели для демонстрации доставки ФМН в опухолевую ткань. Для фотоактивации ФМН in vivo применялись НАФ со структурой «ядро/оболочка» [NaYF4:Yb3+, Tm3+/NaYF4]. Фотодинамическая терапия на основе ФМН, НАФ и лазерного излучения 975 нм проводилась на ксенографтах мыши SK-BR-3.

Результаты. Показано, что ФМН может выступать в качестве эффективного фотосенсибилизатора in vitro в отношении клеточных линий SK-BR-3, U-87 MG и C6. Значения IC50 для клеток глиомы составляли ~30 мкМ ФМН, а для клеток карциномы молочной железы SK-BR-3 ~50 мкМ ФМН (24 ч инкубации, облучение 4,2 Дж/см2). С использованием модели карциномы легкого Льюис установлено, что соответствующая концентрация ФМН (30 мкМ и выше) может быть достигнута в опухоли в результате системного введения ФМН (через 2 и 24 часа после введения). На ксенографтах мыши SK-BR-3 продемонстрирован эффект фотодинамической терапии с использованием света ближнего ИК диапазона для НАФ-опосредованного возбуждения ФМН, торможение роста опухоли при этом составило 90±5%.

Заключение. Продемонстрирована возможность применения рибофлавина (витамина В2) в качестве фотосенсибилизатора для фотодинамической терапии. Использование подхода, основанного на фотовозбуждении ФМН через антистоксовую фотолюминесценцию НАФ, позволяет реализовать метод фотодинамической терапии с применением света из ближнего ИК диапазона спектра.

Об авторах

Н. В. Шолина

ФГБУ «НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина» Минздрава России;
ФГАОУ ВО Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский университет);
ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: SholinaNV@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9866-2878

Шолина Наталья Валериевна - аспирант, младший научный сотрудник лаборатории биомаркеров и механизмов опухолевого ангиогенеза НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина, младший научный сотрудник лаборатории фотонной биоинженерии отдела биомедицинской инженерии Института молекулярной медицины ПМГМУ им. И.М. Сеченова, младший научный сотрудник лаборатории лазерной биомедицины ФНИЦ КФ РАН.

115478, Москва, Каширское шоссе, 24, тел.: + 7 (926) 957 96 63; 119991, Москва, ул. Трубецкая, 8/2; 119333, г. Москва, Ленинский проспект, 59

Россия

Р. А. Акасов

ФГАОУ ВО Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский университет);
ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0001-6486-8114

Акасов Роман Александрович - PhD, научный сотрудник лаборатории фотонной биоинженерии отдела биомедицинской инженерии Института молекулярной медицины ПМГМУ им. И.М. Сеченова, научный сотрудник лаборатории лазерной биомедицины ФНИЦ КФ РАН.

119991, Москва, ул. Трубецкая, 8/2; 119333,  Москва, Ленинский проспект, 59

Россия

Д. А. Хоченков

ФГБУ «НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина» Минздрава России

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-5694-3492

Хоченков Дмитрий Александрович - кандидат биологических наук, заведующий лабораторией биомаркеров и механизмов опухолевого ангиогенеза.

115478, Москва, Каширское шоссе, 24

Россия

А. Н. Генералова

ФНИЦ Кристаллография и фотоника, РАН; ФГБУН Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова, РАН

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0001-9646-1693

Генералова Алла Николаевна - кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории лазерной биомедицины ФНИЦ КФ РАН, старший научный сотрудник лаборатории полимеров для биологии ФГБУН ИБХ им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН.

119333, Москва, Ленинский проспект, 59; 117997, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10

Россия

В. А. Семчишен

ФНИЦ Кристаллография и фотоника, РАН

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-1035-3013

Семчишен Владимир Анатольевич - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории лазерной биомедицины ФНИЦ КФ РАН.

119333, Москва, Ленинский проспект, 59

Россия

Е. В. Хайдуков

ФГАОУ ВО Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский университет); ФНИЦ Кристаллография и фотоника, РАН

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-3900-2949

Хайдуков Евгений Валерьевич - кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией фотонной биоинженерии отдела биомедицинской инженерии Института молекулярной медицины ПМГМУ им. И.М. Сеченова; заведующий лабораторией лазерной биомедицины ФНИЦ КФ РАН.

119991, Москва, ул. Трубецкая, 8/2; 119333, Москва, Ленинский проспект, 59

Россия

Список литературы

  1. Agostinis P, Berg K, Cengel KA, Foster TH, Girotti AW, Gollnick SO, Hahn SM, Hamblin MR, Juzeniene A, Kessel D, Korbelik M, Moan J, Mroz P, Nowis D, Piette J, Wilson BC, Golab J. Photodynamic therapy of cancer: an update. CA Cancer J Clin. 2011;61(4):250–81. doi: 10.3322/caac.20114.
  2. Dysart JS, Patterson MS. Characterization of Photofrin photobleaching for singlet oxygen dose estimation during photodynamic therapy of MLL cells in vitro. Phys Med Biol. 2005;50(11): 2597–616. doi: 10.1088/0031-9155/50/11/011.
  3. Allison RR, Sibata CH. Oncologic photodynamic therapy photosensitizers: a clinical review. Photodiagnosis Photodyn Ther. 2010;7(2):61–75. doi: 10.1016/j.pdpdt.2010.02.001.
  4. Cardoso DR, Libardi SH, Skibsted LH. Riboflavin as a photosensitizer. Effects on human health and food quality. Food Funct. 2012;3(5):487–502. doi: 10.1039/c2fo10246c.
  5. Baier J, Maisch T, Maier M, Engel E, Landthaler M, Bäumler W. Singlet oxygen generation by UVA light exposure of endogenous photosensitizers. Biophys J. 2006;91(4):1452–9. doi: 10.1529/biophysj.106.082388.
  6. Yang MY, Chang CJ, Chen LY. Blue light induced reactive oxygen species from flavin mononucleotide and flavin adenine dinucleotide on lethality of HeLa cells. J Photochem Photobiol B. 2017;173:325–32. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2017.06.014.
  7. Ohara M, Fujikura T, Fujiwara H. Augmentation of the inhibitory effect of blue light on the growth of B16 melanoma cells by riboflavin. Int J Oncol. 2003;22(6):1291–5. doi: 10.3892/ijo.22.6.1291.
  8. Pass HI. Photodynamic therapy in oncology: mechanisms and clinical use. J Natl Cancer Inst. 1993;85(6):443–56. doi: 10.1093/jnci/85.6.443.
  9. 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.
  10. Wang M, Abbineni G, Clevenger A, Mao C, Xu S. Upconversion nanoparticles: synthesis, surface modification and biological applications. Nanomedicine. 2011;7(6):710–29. doi: 10.1016/j.nano.2011.02.013.
  11. Generalova AN, Rocheva VV, Nechaev AV, Khochenkov DA, Sholina NV, Semchishen VA, Zubov VP, Koroleva AV, Chichkova BN, Khaydukova EV. PEG-modified upconversion nanoparticles for in vivo optical imaging of tumors. RSC Adv. 2016;(36):30089–97. doi: 10.1039/C5RA25304G.
  12. Guller AE, Generalova AN, Petersen EV, Nechaev AV, Trusova IA, Landyshev NN, Nadort A, Grebenik EA, Deyev SM, Shekhter AB, Zvyagin AV. Cytotoxicity and non-specific cellular uptake of bare and surface-modified upconversion nanoparticles in human skin cells. Nano Res. 2015;8(5):1546–62. doi: 10.1007/s12274-014-0641-6.
  13. Bareford LM, Avaritt BR, Ghandehari H, Nan A, Swaan PW. Riboflavin-targeted polymer conjugates for breast tumor delivery. Pharm Res. 2013;30(7):1799–812. doi: 10.1007/s11095-013-1024-5.
  14. Thomas TP, Choi SK, Li MH, Kotlyar A, Baker JR Jr. Design of riboflavin-presenting PAMAM dendrimers as a new nanoplatform for cancer-targeted delivery. Bioorg Med Chem Lett. 2010;20(17):5191–4. doi: 10.1016/j.bmcl.2010.07.005.
  15. Sau A, Sanyal S, Bera K, Sen S, Mitra AK, Pal U, Chakraborty PK, Ganguly S, Satpati B, Das C, Basu S. DNA Damage and apoptosis induction in cancer cells by chemically engineered thiolated riboflavin gold nanoassembly. ACS Appl Mater Interfaces. 2018;10(5):4582–9. doi: 10.1021/acsami.7b18837.
  16. Jayapaul J, Arns S, Bunker M, Weiler M, Rutherford S, Comba P, Kiessling F. In vivo evaluation of riboflavin receptor targeted fluorescent USPIO in mice with prostate cancer xenografts. Nano Res. 2016;9(5):1319–33. doi: 10.1007/s12274-016-1028-7.
  17. Rao PN, Levine E, Myers MO, Prakash V, Watson J, Stolier A, Kopicko JJ, Kissinger P, Raj SG, Raj MH. Elevation of serum riboflavin carrier protein in breast cancer. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 1999;8(11):985–90.
  18. Makdoumi K, Goodrich R, Bäckman A. Photochemical eradication of methicillin-resistant Staphylococcus aureus by blue light activation of riboflavin. Acta Ophthalmol. 2017;95(5):498–502. doi: 10.1111/aos.13409.
  19. Meinhardt M, Krebs R, Anders A, Heinrich U, Tronnier H. Wavelength-dependent penetration depths of ultraviolet radiation in human skin. J Biomed Opt. 2008;13(4):044030. doi: 10.1117/1.2957970.
  20. Рочева ВВ, Шолина НВ, Деревяшкин СП, Генералова АН, Нечаев АВ, Хоченков ДА, Семчишен ВА, Хайдуков ЕВ, Степанова ЕВ, Панченко ВЯ. Люминесцентная диагностика опухолей с применением апконвертирующих наночастиц. Альманах клинической медицины. 2016;44(2):227–33. doi: 10.18786/2072-0505-2016-44-2-227-233.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Шолина Н.В., Акасов Р.А., Хоченков Д.А., Генералова А.Н., Семчишен В.А., Хайдуков Е.В., 2019

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах