Фототермическая терапия - Photothermal therapy

Фототермическая терапия (PTT) означает попытки использовать электромагнитное излучение (чаще всего в инфракрасный длины волн) для лечения различных заболеваний, включая рак. Этот подход является продолжением фотодинамическая терапия, в котором фотосенсибилизатор возбуждается определенным светом полосы. Эта активация переводит сенсибилизатор в возбужденное состояние, в котором он затем высвобождает колебательную энергию (высокая температура ), что и убивает целевые клетки.

В отличие от фотодинамической терапии, фототермическая терапия не требует кислорода для взаимодействия с целевыми клетками или тканями. Текущие исследования также показывают, что фототермическая терапия может использовать свет с большей длиной волны, который менее энергичен и, следовательно, менее вреден для других клеток и тканей.

Наноразмерные материалы

Большинство материалов, которые в настоящее время исследуются для фототермической терапии, находятся на наноразмер. Одна из основных причин этого - повышенная проницаемость и удерживающий эффект наблюдается с частицами определенного диапазона размеров (обычно 20 - 300 нм).[1] Было замечено, что молекулы в этом диапазоне преимущественно накапливаются в опухоль ткань. Когда опухоль образуется, ей требуются новые кровеносные сосуды, чтобы подпитывать ее рост; эти новые кровеносные сосуды в опухолях или рядом с ними обладают свойствами, отличными от обычных кровеносных сосудов, такими как плохой лимфатический дренаж и неорганизованная протекающая сосудистая сеть. Эти факторы приводят к значительно более высокой концентрации определенных частиц в опухоли по сравнению с остальной частью тела. Связь этого явления с активными модальностями нацеливания (например, антитела ) недавно исследовали исследователи.

Недавние исследования

Золотые нано-стержни (AuNR)

Хуанг и др. исследовали возможность использования золотые наностержни как для визуализации раковых клеток, так и для фототермической терапии.[2] Авторы сопряжены антитела (моноклональные антитела против EGFR) на поверхность золотых наностержней, позволяя золотым наностержням специфически связываться с некоторыми злокачественными раковыми клетками (HSC и HOC злокачественные клетки). После инкубации клеток с золотыми наностержнями, титан-сапфир 800 нм лазер был использован для облучения клеток с различной мощностью. Авторы сообщили об успешном уничтожении злокачественных раковых клеток, в то время как незлокачественные клетки не были повреждены.

Когда AuNR подвергаются воздействию NIR-света, колеблющееся электромагнитное поле света заставляет свободные электроны AuNR коллективно когерентно колебаться.[3] Изменение размера и формы AuNR изменяет длину поглощаемой волны. Желаемая длина волны должна быть в пределах 700-1000 нм, потому что биологическая ткань оптически прозрачна для этих длин волн.[4] В то время как все свойства AuNP чувствительны к изменению их формы и размера, свойства наностержней Au чрезвычайно чувствительны к любому изменению любого из их размеров, касающихся их длины и ширины или их соотношения сторон. Когда свет падает на металлическую НЧ, НЧ формирует дипольные колебания вдоль направления электрического поля. Когда колебания достигают своего максимума, эта частота называется поверхностным плазмонным резонансом (ППР).[3] AuNR имеет две полосы спектра ППР: одну в ближней ИК-области, вызванную его продольными колебаниями, которая имеет тенденцию быть сильнее с большей длиной волны, и другую в видимой области, вызванную поперечными электронными колебаниями, которая имеет тенденцию быть слабее с более короткой длиной волны.[5] Характеристики ППР объясняют увеличение поглощения света частицей.[3] По мере увеличения соотношения сторон AuNR длина волны поглощения смещается в красную сторону.[5] и эффективность светорассеяния увеличивается.[3] Электроны, возбужденные NIR, быстро теряют энергию после поглощения в результате столкновений электронов с электронами, и когда эти электроны расслабляются обратно вниз, энергия выделяется в виде фонона, который затем нагревает среду AuNP, которая при лечении рака может быть раковыми клетками. Этот процесс наблюдается, когда лазер направляет непрерывную волну на AuNP. Импульсные лазерные лучи обычно приводят к плавлению или абляции AuNP частицы.[3] Лазеры непрерывной волны требуют минут, а не одного импульса для импульсного лазера, лазеры непрерывной волны могут одновременно нагревать большие площади.[3]

Золотые нанооболочки

Loo et al. исследовал золото нанооболочки, покрытие наночастиц кремнезема тонким слоем золота.[6] Авторы сопряжены антитела (анти-HER2 или анти-IgG) к этим нанооболочкам через линкеры ПЭГ. После инкубации раковых клеток SKBr3 с золотыми нанооболочками длина волны 820 нм лазер использовался для облучения клеток. Только клетки, инкубированные с золотыми нанооболочками, конъюгированными со специфическим антителом (анти-HER2), были повреждены лазером. Другая категория золотых нанооболочек - это золотой слой на липосомах в качестве мягкого шаблона. В этом случае лекарственное средство также может быть инкапсулировано внутри и / или в бислой, и высвобождение может запускаться лазерным светом.[7] Золото часто используется, потому что оно хорошо поглощает световую энергию, оно настраивается, не поддается биологическому разложению и обладает свойствами визуализации.

термо наноархитектуры (tNA)

Неудача клинической трансляции PTT, опосредованной наночастицами, в основном приписывается проблемам устойчивости организма.[8] Действительно, оптический отклик анизотропных наноматериалов можно настроить в ближней ИК-области, увеличивая их размер до 150 нм.[9] С другой стороны, выведение из организма небиоразлагаемых наноматериалов благородных металлов размером более 10 нм происходит через гепатобилиарный путь медленно и неэффективно.[10] Обычный подход к предотвращению стойкости металла - уменьшение размера наночастиц ниже порогового значения для почечного клиренса. т.е. сверхмалые наночастицы (USNP), в то время как максимальное преобразование света в тепло наблюдается для наночастиц размером <5 нм.[11] С другой стороны, поверхностный плазмон выделяемых золотых USNP находится в УФ / видимой области (вдали от первых биологических окон), что сильно ограничивает их потенциальное применение в PTT.

Недавно был представлен простой подход, в котором экскреция металлов в организме сочетается с PTT, инициируемым NIR, за счет использования архитектуры ультрамалого размера в нано, состоящей из металлических USNP, встроенных в биоразлагаемые нанокапсулы диоксида кремния.[12] тНА - первые зарегистрированные NIR-поглощающие плазмонные сверхмалые в наноплатформах, которые совместно сочетают: i) эффективность фототермического преобразования, подходящую для гипертермии, ii) множественные фототермические последовательности и iii) почечную экскрецию строительных блоков после терапевтического воздействия.[12][13][14] В настоящее время терапевтический эффект tNA оценивается на ценных трехмерных моделях аденокарциномы поджелудочной железы человека.[12]

Графен и оксид графена

Ян и др. продемонстрировал жизнеспособность графен для фототермической терапии в 2010 г. с моделями мышей in vivo.[15] 808 нм лазер при удельной мощности 2 Вт / см2 использовали для облучения участков опухоли на мышах в течение 5 минут. Как отмечают авторы, плотность мощности лазеров, используемых для нагрева золотых наностержней, составляет от 2 до 4 Вт / см.2. Таким образом, эти наноразмерные графеновые листы требуют мощности лазера на нижнем конце диапазона, используемого с наночастицами золота для фототермической абляции опухолей.

В 2012 году Ян и др. включены многообещающие результаты, касающиеся наноразмерного восстановленного оксида графена, сообщенные Robinson et al. в другое исследование на мышах in vivo.[16]<[17] Терапевтическое лечение, использованное в этом исследовании, включало использование наноразмерных листов восстановленного оксида графена, почти идентичных тем, которые использовали Робинсон и др. (но без прикрепленных активных последовательностей нацеливания). Листы наноразмерного восстановленного оксида графена были успешно облучены, чтобы полностью уничтожить целевые опухоли. В частности, требуемая плотность мощности 808 нм лазер снизился до 0,15 Вт / см2, на порядок ниже необходимой ранее плотности мощности. Это исследование демонстрирует более высокую эффективность наноразмерных листов восстановленного оксида графена по сравнению с наноразмерными графеновыми листами и золотыми наностержнями.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Маэда Х., Ву Дж., Сава Т., Мацумура Ю., Хори К., Сосудистая проницаемость опухоли и эффект ЭПР в макромолекулярной терапии: обзор, Журнал контролируемого высвобождения, 2000, 65 (1-2), 271-284
  2. ^ Хуанг X, Эль-Сайед И., Цянь В., Эль-Сайед М., Визуализация раковых клеток и фототермическая терапия в ближней инфракрасной области с использованием золотых наностержней, Журнал Американского химического общества, 2006, 128 (6), 2115-2120
  3. ^ а б c d е ж Хуанг X, Эль-Сайед М.А. (01.01.2010). «Золотые наночастицы: оптические свойства и применение в диагностике рака и фототермической терапии». Журнал перспективных исследований. 1 (1): 13–28. Дои:10.1016 / j.jare.2010.02.002.
  4. ^ Хаук Т.С., Дженнингс Т.Л., Яценко Т., Кумарадас Дж.С., Чан В.К. (2008-10-17). «Повышение токсичности химиотерапевтических средств против рака с помощью гипертермии Gold Nanorod». Передовые материалы. 20 (20): 3832–3838. Дои:10.1002 / adma.200800921. ISSN  1521-4095.
  5. ^ а б Хуанг X, Джейн П.К., Эль-Сайед И.Х., Эль-Сайед М.А. (июль 2008 г.). «Плазмонная фототермическая терапия (ФПТТ) с использованием наночастиц золота». Лазеры в медицине. 23 (3): 217–28. Дои:10.1007 / s10103-007-0470-х. PMID  17674122.
  6. ^ Лоо С., Лоури А., Халас Н., Вест Дж., Дрезек Р., Нанооболочки с иммуноцелевой целью для интегрированной визуализации рака и терапии, Nano Letters, 2005, 5 (4), 709-711
  7. ^ Аббаси А., Пак К., Бозе А., Ботун Г. Д. (май 2017 г.). "Чувствительные в ближнем инфракрасном диапазоне нанооболочек с золотым слоем". Langmuir. 33 (21): 5321–5327. Дои:10.1021 / acs.langmuir.7b01273. PMID  28486807.
  8. ^ Чен Ф, Цай В (январь 2015 г.). «Наномедицина для таргетной фототермической терапии рака: где мы сейчас?». Наномедицина. 10 (1): 1–3. Дои:10.2217 / нм.14.186. ЧВК  4299941. PMID  25597770.
  9. ^ Райли Р.С., Day ES (июль 2017 г.). «Фототермальная терапия с использованием наночастиц золота: приложения и возможности для мультимодального лечения рака». Междисциплинарные обзоры Wiley: наномедицина и нанобиотехнологии. 9 (4): e1449. Дои:10.1002 / wnan.1449. ЧВК  5474189. PMID  28160445.
  10. ^ Кассано Д., Покови-Мартинес С., Волиани В. (январь 2018 г.). «Подход ультрамалого наноматериала: возможность использования металлических наноматериалов в клиниках». Биоконъюгат Химия. 29 (1): 4–16. Дои:10.1021 / acs.bioconjchem.7b00664. PMID  29186662.
  11. ^ Цзян К., Смит Д.А., Пинчук А. (27.12.2013). "Зависимая от размера эффективность фототермической конверсии плазмонно нагретых наночастиц золота". Журнал физической химии C. 117 (51): 27073–27080. Дои:10.1021 / jp409067h.
  12. ^ а б c Кассано Д., Санти М., Д'Аутилия Ф., Мапанао А. К., Луин С., Волиани В. (2019). «Фототермический эффект с помощью выделяемых ультрамалых наноразмерных архитектур, чувствительных к ближнему ИК-диапазону». Материалы Horizons. 6 (3): 531–537. Дои:10.1039 / C9MH00096H.
  13. ^ Кассано Д., Сумма М., Поковид-Мартинес С., Мапанао А. К., Кателани Т., Берторелли Р., Волиани В. (февраль 2019 г.). «Биоразлагаемые ультрамалые структуры в нано-золоте: среднесрочная оценка распределения и выделения in vivo». Определение характеристик частиц и систем частиц. 36 (2): 1800464. Дои:10.1002 / ppsc.201800464.
  14. ^ Кассано Д., Мапанао А. К., Сумма М., Вламидис Ю., Джанноне Дж., Санти М., Гуццолино Е., Питто Л., Полисено Л., Берторелли Р., Волиани В. (2019-10-21). «Биобезопасность и биокинетика благородных металлов: влияние их химической природы». ACS Applied Bio Materials. 2 (10): 4464–4470. Дои:10.1021 / acsabm.9b00630. ISSN  2576-6422.
  15. ^ Ян К., Чжан С., Чжан Г., Сан Х, Ли С.-Т, Лю З., Графен у мышей: сверхвысокое поглощение опухолью in vivo и эффективная фототермическая терапия, Nano Letters, 2010, 10 (9), 3318-3323
  16. ^ Робинсон Дж. Т., Табакман С. М., Лян И, Ван Х., Касалонг Х. С., Винь Д., Дай Х. (май 2011 г.). «Сверхмалый восстановленный оксид графена с высоким поглощением в ближней инфракрасной области для фототермической терапии». Журнал Американского химического общества. 133 (17): 6825–31. Дои:10.1021 / ja2010175. PMID  21476500.
  17. ^ Ян К., Ван Дж, Чжан С., Тиан Б., Чжан И, Лю З. (март 2012 г.). «Влияние химии поверхности и размера наноразмерного оксида графена на фототермическую терапию рака с использованием сверхнизкой мощности лазера». Биоматериалы. 33 (7): 2206–14. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2011.11.064. PMID  22169821.