CC BY
15УДК 543.95
Anna B. Vlasenko, Vadim V. Bakhmetyev, Galina G.
Nianikova
INVESTIGATION OF THE ACTIVITY OF PHOSPHOR-PHOTOSENSITIZER SYSTEMS FOR ONCOTERANOSTICS BY CHEMICAL AND MICROBIOLOGICAL METHODS
St Peterburg State Institute of Technology, St Peterburg, Russia
The efficiency of X-ray stimulated generation of active oxygen by oncotheranostics systems was studied using the chemical traps method. The effect of phos-phor-photosensitizer systems on the growth of E.coli and B.cereus bacteria was studied in order to determine their bactericidal activity for the further use in antibacterial therapy.
Key words: photodynamic therapy, singlet oxygen, phosphors, photosensitizers, E.coli, B.cereus, antimicrobial activity.
DOI 10.36807/1998-9849-2022-62-88-12-15
Введение
На сегодняшний день люминофоры нашли своё применение не только в дисплеях, экранах и источниках света, но и в медицине. Одним из направлений применения люминофоров в медицинских целях является фотодинамическая терапия, применяемая в лечении онкологических заболеваний, в качестве антибактериальной и противовирусной терапии [1, 2]. Ограниченность применения данного метода терапии на данный момент состоит в невозможности подачи светового излучения вглубь тканей для возбуждения фотосенсибилизатора, который под действием света начинает вырабатывать активные формы кислорода, вызывающие лизис патогенных клеток. Глубина проникновения света в ткани составляет менее 1 см. Поэтому разработка нового фармакологического препарата, включающего в себя фотосенсибилизатор, нанолюминофор в качестве конвертера рентгеновского излучения в видимый свет и полимер в качестве связующего компонента, позволит расширить возможности фотодинамической терапии.
Экспериментальная часть
Были проведены эксперименты по исследованию эффективности выработки активного кислорода под воздействием «жёсткого» рентгеновского излучения тремя разными системами:
1. Люминофор Y2Oз:Eu и фотосенсибилизатор «Ра-дахлорин»;
2. Люминофор Gd2O2S:Tb и фотосенсибилизатор «Бенгальский розовый»;
3. Рентгеносенсибилизатор НЮ2, способный вырабатывать активный кислород непосредственно под воздействием рентгеновского излучения, без люминофора.
Для возбуждения использовалась рентгеновская установка: рентгеновская установка на базе промышленного аппарата РПД-200. В результате проведения опти-
Власенко А.Б., Бахметьев В.В., Няникова Г.Г.
ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЛЮМИНОФОР-ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОР ДЛЯ ОНКОТЕРАНОСТИКИ ХИМИЧЕСКИМИ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Санкт-Петербург, Россия
Методом химических ловушек исследована эффективность выработки активного кислорода системами для онкотераностики под воздействием рентгеновского излучения. Проведено исследование влияния систем люминофор-фотосенсибилизатор на рост бактерий E.coli и B.cereus с целью определения их бактерицидной активности для дальнейшего применения в антибактериальной терапии.
Ключевые слова: фотодинамическая
терапия, синглетный кислород, люминофоры, фотосенсибилизаторы, E.coli, B.cereus, антимикробная активность
Дата поступления - 30 мая 2022 года
мизации режима работы рентгеновской установки, были выбраны следующие параметры облучения:
напряжение на трубке с вольфрамовым анодом -160 кВ;
сила тока - 4,5 мА; длительность экспозиции - 16 мин. Исследование выработки активного кислорода осуществлялось методом химических ловушек. При этом методе в систему, представляющую собой коллоидный раствор, содержащий либо люминофор и фотосенсибилизатор, либо рентгеносенсибилизатор, добавлялась химическая ловушка - вещество, которое под воздействием синглетного кислорода переходит из окрашенной формы в бесцветную. Поскольку количество вещества обесцветившейся ловушки равно количеству образовавшегося синглетного кислорода, его выработку можно определить по изменению оптической плотности раствора. В качестве химической ловушки нами использовался 1,3-дифенили-зобензофуран. В спектре поглощения его окрашенной формы присутствуют три основные полосы с максимумами \rnax = 312 Amax = 325 нм и \rnax = 415 нм. При
реакции ловушки с активным кислородом эти полосы исчезают. Так как полоса поглощения ловушки с Л = 415
' ' max
нм накладывается на полосу поглощения «Радахлорина» с Лтг1)< = 40о нм и разделить эти полосы невозможно, определение выработки активного кислорода определялось по среднему значению уменьшения интенсивностей полос с Л = 312 нм и Л = 325 нм.
max max
Для того, чтобы определить вклад люминофоров и рентгеносенсибилизатора в выработку активного кислорода, сначала нами было проведено исследование систем, не содержащих люминофоров и рентгеносенсиби-лизатора:
1. Раствор «Радахлорина» с добавлением ловуш-
ки;
2. Раствор «Бенгальского розового» с добавлени-
И ТЕХНОЛОГИИ В ДИЗАЙНЕ»
ем ловушки;
3. Раствор ловушки без добавления других компонентов.
Все растворы были разделены на три части. Два контрольных образца выдерживались в темноте без облучения. Третий образец облучался на рентгеновской установке. После этого были измерены УФ спектры на спектрофотометре СФ-56.
Результаты и обсуждение
Спектры поглощения представлены на рис. 1-3. Видно, что после рентгеновского облучения в спектрах поглощения всех образцов снижается интенсивность полос с Лтах = 312 нм и Лтах = 325 нм, относящихся к химической ловушке. Это означает, что под действием «жёсткого» рентгеновского излучения в растворах происходит выработка активного кислорода даже без люминофоров и без рентгеносенсибилизатора.
Рис. 1. Спектры поглощения системы: «Радахлорин» + ловушка
Рис. 2. Спектры поглощения системы: «Бенгальский розовый» + ловушка
1,5
----Контрольный образец № 1 (без облучения)
/Ч -Контрольный образец № 2 (без облучения)
^ \ Л --Облученный образец
I \
! \ / \
W' 1 t V
300
400 500
Длина волны X, нм
600
700
На рисунках 4, 5 и 6 показаны спектры поглощения этих же трёх систем с добавлением люминофоров и рентгеносенсибилизатора:
1. Раствор «Радахлорина» + люминофор Y2O3:Eu с добавлением ловушки;
2. Раствор «Бенгальского розового» + люминофор Gd2O2S:Tb с добавлением ловушки;
3. Раствор, содержащий рентгеносенсибилизатор HfO2 с добавлением ловушки.
Видно, что после облучения рентгеновским излучением интенсивность полос ловушки с Л = 312 нм и
' max
Л = 325 нм также снижается.
max
По изменению оптической плотности растворов было рассчитано количество обесцветившейся химической ловушки, равное количеству выработавшегося активного кислорода. Результаты представлены на рис. 7. Видно, что добавление в систему, содержащую фотосенсибилизатор «Бенгальский розовый» люминофора Gd2O2S:Tb повышает выработку активного кислорода в 3,7 раза. Рентгеносенсибилизатор HfO2 также позволяет повысить выработку активного кислоро2да, но всего лишь на 16%. В системе Y2O3:Eu + «Радахлорин» добавление люминофора практически не влияет на выработку активного кислорода. Следовательно, данная система является наименее эффективной из всех исследованных нами.
Таким образом, система люминофор Gd2O2S:Tb + фотосенсибилизатор «Бенгальский розовый», несмотря на двухступенчатое преобразование энергии, является значительно более эффективной по сравнению с одноступенчатым рентгеносенсибилизатором HfO2.
Рис. 4. Спектры поглощения системы: люминофор Y2O3:Eu + «Радахлорин» + ловушка
с 1,5
0,5
----Контрольный образец № 1 (без облучения)
Л -Контрольный образец № 2 (без облучения)
--Облученный образец
I \ д
\ /'Л / W !•' \ J \
\ V
0 200
300
400 500
Длина волны X, нм
600
700
Рис. 3. Спектры поглощения водного раствора ловушки
Рис. 5. Спектры поглощения системы: люминофор Gdp:S:Tb + «Бенгальский розовый» + ловушка
Фотодинамическая терапия является не только перспективным методом в лечении онкологических заболеваний, но и нашла свое применение при лечении бактериальных инфекций [3, 4].
Исследование антибактериальной активности си-
И ТЕХНОЛОГИИ В ДИЗАЙНЕ»
О 2,5
1,5
----Контрольный образец № 1 (без облучения)
Г\ -Контрольный образец № 2 (без облучения)
rJ --Облученный образец
I / /'Л ' о ' ч
| ч U / \
%-J \ к.
200
300
400 500
Длина волны X, нм
700
Рис. 6. Спектры поглощения системы: рентгеносенсибилизатор HfO2 + ловушка
Рис. 8. Зона подавления роста тест-культур системой Y2O3:Eu + "Радахлорин" (а - Е.соН, б - B.cereus)
Система люминофор Gd2O2S:Tb + наиболее эффективный к нему фотосенсибилизатор «Бенгальский розовый» проявляют антимикробную активность. Хотя люми-
нофор Gd2O2S:Tb самостоятельно не вызывал задержки роста Е.соН и B.cereus. Возможно, задержка роста была обусловлена содержанием в системе фотосенсибилизатора - бенгальского розового (рис. 9).
Рис. 9. Зона подавления роста тест-культур системой Gdp£:Tb - "Бенгальский розовый" (а - Е.соН, б - В.се-reus)
При анализе электронных микрофотографий Е.соН и B.cereus, сделанных после 48 ч. инкубации с системой Y2O3:Eu + «Радахлорин», морфологических изменений исследуемых бактерий не выявлено (рисунок 10).
Рис. 7. Сравнение выработки активного кислорода исследуемыми системами
стем было проведено методом лунок на ГРМ-агаре. Испытания проводились in vitro. В качестве тест-культур были выбраны E.coli и B.cereus. Посевной материал был приготовлен по стандарту мутности 0,5 по Мак-Фарлан-ду. В качестве контроля был выбран 0,85%-ный раствор NaCl. В лунку № 1 вносили раствор, содержащий 0,85%-ный раствор NaCl и люминофор, во вторую лунку вносили 0,85%-ный раствор NaCl, люминофор и фотосенсибилизатор. Инкубирование проводили в термостате при температуре 28°С в течение 48 ч, после чего измеряли зону подавления роста бактериальных культур.
Установлено (рис. 8), что система люминофор Y2O3:Eu + фотосенсибилизатор «Радахлорин» не оказывает антимикробного действия.
Рис. 10. Растровые электронные микрофотографии тест-культур после 48 ч. инкубации с системой Y2O3:Eu + «Радахлорин» (а - Е.соН, б - B.cereus)
Заключение
Было установлено, что под воздействием рентгеновского излучения выработка активного кислорода может происходить даже без фото- и рентгеносенсиби-лизаторов. Использование рентгеносенсибилизаторов, а также фотосенсибилизаторов в сочетании с люминофорами способно повысить эффективность выработки активного кислорода в несколько раз. Из исследованных нами систем выявлено, что система люминофор Gd2O2S:Tb + «Бенгальский розовый» обладает наибольшей эффективностью при выработке активного кислорода под воздействием рентгеновского излучения. А также в данной системе выявлена наибольшая антибактериальная активность в отношении Е.соН и B.cereus.
Литература
1. Поняев А.И., Глухова Я.С., Черных Я.С. Фотосенсибилизаторы для фотодинамической терапии // Известия СПбГТИ(ТУ). 2017. № 41(67). С. 71-78.
2. Гельфонд М.Л. Фотодинамическая терапия в онкологии // «Практическая онкология». 2007. Т. 8. № 4. С. 204-210.
3. Власенко А.Б. Применение ФДТ в лечении бактериальных инфекций // сборник тезисов XI научно-тех-нич. конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Неделя науки - 2021" СПб. 7-9 апреля 2021 г. СПб: СПбГТИ(ТУ), 2021. С.185.
И ТЕХНОЛОГИИ В ДИЗАЙНЕ»
4. Halili Francisco, Arboleda Alejandro, Durkee Heather et all. Rose Bengal- and Riboflavin-Mediated Photodynamic Therapy to Inhibit Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus Keratitis Isolates // American of Ophthalmology. 2016. Vol. 166. P. 194-202.
References
1. Ponyaev A.I., Glukhova Ya.S., Chernykh Ya.S. Photosensitizers for photodynamic therapy // Izvestiya SPbGTI(TU). 2017. № 41(67). C. 71-78.
2. Gelfond M.L. Photodynamic therapy in oncology
// Practical oncology. 2007. T. 8. № 4. C. 204-210.
3. Vlasenko A.B. The use of PDT in the treatment of bacterial infections // collection of abstracts of the XI scientific and technical conference of students, postgraduates and young scientists "Science Week - 2021" SPb. April 7-9, 2021 St. Petersburg: SPbGTI(TU), 2021. S.185.
4. Halili Francisco, Arboleda Alejandro, Durkee Heather et all. Rose Bengal- and Riboflavin-Mediated Photodynamic Therapy to Inhibit Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus Keratitis Isolates // American of Ophthalmology. 2016 Vol. 166. P. 194-202.
Сведения об авторах
Власенко Анна Борисовна, аспирант, каф. теоретических основ материаловедения; Anna B. Vlasenko Postgraduate student, Department of Theory of Materials Science, [email protected]
Бахметьев Вадим Владимирович, канд. хим. наук, зав. лабораторией каф. теоретических основ материаловедения; Vadim V. Bakhmetyev, Ph.D. (Chem.), Head of Laboratory of the Department of Theory of Materials Science, vadim_bakhmetyev@mail. ru
Галина Геннадьевна Няникова канд. биол. наук, доцент каф. технологии микробиологического синтеза; Galina G. Nianikova Ph.D. (Biol.), Assistant Professor of the Department of Microbiological Synthesis Technology, [email protected]
