Зюзин Михаил Валерьевич СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТЕРАПИИ, ДИАГНОСТИКИ И ДОСТАВКИ БИОАКТИВНЫХВЕЩЕСТВ, МЕХАНИЗМЫ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СБИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ

Короткий опис

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО»
(Университет ИТМО)

Зюзин Михаил Валерьевич

Светочувствительные неорганические наноматериалы для терапии, диагностики и доставки биоактивных веществ, механизмы их взаимодействия с биологическими объектами

1.5.2. Биофизика
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант:
доктор физико-математических наук, доцент, Власова Ольга Леонардовна

Санкт-Петербург
2023

2

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................... 4
ГЛАВА 1 Анализ литературных данных по видам неорганических светочувствительных наноматериалов и их применению в клинической практике.... 16
1.1 Создание светочувствительных материалов..................................................... 16
1.2 Клинические испытания светочувствительных наноматериалов..................... 35
ГЛАВА 2 Контролируемая фотоопосредованная доставка биоактивных веществ в клетки.......................................................................................................................... 47
2.1 Особенности взаимодействия наноматериалов с биологическими
объектами................................................................................................................ 47
2.2 Особенности взаимодействия света со светочувствительных
наноматериалами ................................................................................................... 65
2.3 Композитные носители для селективного фотоопосредованного
окрашивания клеток................................................................................................. 77
2.4 Направленная доставка биоактивных веществ с помощью клеточных
систем, модифицированных светочувствительными материалами......................... 86
Выводы к ГЛАВЕ 2.................................................................................................... 102
ГЛАВА 3 Оптическая термометрия с помощью светочувствительных наноматериалов в биологических объектах......................................................................................... 105
3.1 Термометрия на наномасштабе с помощью резонансных диэлектрических
наночастиц в клетке............................................................................................... 105
3.2 Мониторинг изменения температуры в реальном времени
фотоопосредованной доставки биоактивных веществ в клетки с помощью композитных носителей, модифицированных флуоресцентными наноалмазами и золотыми наночастицами................................................................................... 115
3.3 Флуоресцентная термометрия для точного измерения лазерного нагрева
наночастиц в клетках на наномасштабе................................................................. 127
Выводы к ГЛАВЕ 3.................................................................................................... 136

3

ГЛАВА 4 Биовизуализация с помощью светочувствительных наноматериалов ................................................................................................................................... 138
4.1 Биораспределение наноматериалов in vivo..................................................... 138
4.2 Мониторинг внутриклеточного распределения флуоресцентных носителей
биологически активных соединений..................................................................... 146
4.3 Подходы по флуоресцентной биовизуализации лабораторных животных
при системном и локальном введении наноматериалов........................................ 158
Выводы к ГЛАВЕ 4.................................................................................................... 162
ГЛАВА 5. Фотоиндуцированная терапия злокачественных новообразований с помощью светочувствительных наноматериалов...................................................... 164
5.1 Терапия злокачественных новообразований с помощью
светочувствительных наноматериалов.................................................................. 164
5.2 Применение светочувствительных материалов в терапии злокачественных
новообразований................................................................................................... 172
Выводы к ГЛАВЕ 5.................................................................................................... 188
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................... 190
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.................................. 194
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................

197

Список літератури

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертационная работа направлена исследование биофизических характеристик светочувствительных материалов, применяемых для решения задач медицины и биофотоники, а также разработки новых методов диагностики, терапии и доставки биоактивных соединений с помощью светочувствительных материалов. Разработаны новые методы получения светочувствительных материалов, в том числе композитного состава, а также найдено влияние физико­химических параметров разработанных наноматериалов на их оптический отклик. Разработаны светочувствительные материалы на основе клеточных систем для направленной доставки и фотоопосредованного высвобождения биоактивных веществ в клетках. Получены многофункциональные наноконструкции, востребованные для задач термометрии биологических объектов. Созданы композитные светочувствительные системы визуализации. Экспериментально продемонстрированы функциональные возможности светочувствительных материалов в комбинированной терапии злокачественных новообразований. В результате работы были сделаны следующие выводы:
0. Исследование биофизических характеристик светочувствительных носителей биоактивных веществ различного состава позволяют сделать вывод о том, что эффективность доставки веществ в клетку (в том числе в цитозоль клетки) может быть комплексно улучшена не только за счет подбора оптимальных условий инкубации носителей с клетками, но и за счет дизайна носителей, а также путем добавления специальных препаратов, влияющих на внутрилизосомальную активность. Показано, что светочувствительные носители из диоксида кремния при их инкубировании с модельными клетками (HeLa) сначала 4 часа в среде без сыворотки, а затем 44 часа в среде с сывороткой при добавлении Хлорохина увеличивают эффективность трансфекции (32%) по сравнению с аналогичными полимерными носителями (5%).
1. Анализируя фотофизические свойства плазмонных наноматериалов, предложен альтернативный подход по окрашиванию модельных клеток (HeLa)

191

селективными красителями (фаллоидин, DAPI, йодид пропидия) с помощью светового воздействия (инфракрасный диапазон) на светочувствительные композитные носители на основе полимеров и плазмонных наноструктур. Разработанный метод обеспечил поочередное фотоопосредованное окрашивание модельных клеток, что позволило сделать вывод о кинетике окрашивания клетки селективными красителями.
2. Разработаны светочувствительные клеточные системы для
направленной доставки противоопухолевых лекарств и их фотоопосредованного высвобождения в области опухоли на основе мезенхимальных стволовых клеток человека (чМСК). При модификации чМСК субмикрометровыми светочувствительными композитными носителями с загруженным
противоопухолевым лекарством (Винкристин) в количестве не более 10 носителей на клетку, их миграционная активность (спонтанная и направленная миграция) остается прежней. Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что направленная доставка и фотоопосредованное высвобождение противоопухолевого препарата Винкристин (10 нг/мл) в опухолевые сфероиды меланомы с помощью разработанных клеточных систем в 6 раз эффективнее по сравнению со свободным Винкристином и в 7 раз эффективнее по сравнению с инкапсулированным Винкристином.
3. Теоретически исследован оптический нагрев различных
светочувствительных наноматериалов. Предложено использование диэлектрических резонансных наночастиц, включенных в композитные носители для локального оптического нагрева импульсным фемтосекундным лазером с последующим разрушением носителей вне и внутри клеток, а также одновременное измерение температуры разрушения композитных носителей за счет температурнозависимого рамановского спектра этих наночастиц. Полученный рамановский сдвиг при оптическом нагреве разработанных композитных носителей позволил сделать вывод, что температура разрушения таких носителей составляет 170 °C.
4. Исследуя фототермические параметры плазмонных наночастиц,

192

предложен альтернативный подход для изучения механизмов гибели клеток с захваченными плазмонными наночастицами при реализации оптической гипертермии. Разработанный метод, основанный на температурном картировании окрашенных клеток путем измерения времени жизни флуоресцентного красителя, позволил сделать вывод, что при облучении клеток с захваченными золотыми наностержнями (60 мкг/мл) инфракрасным лазерным излучением плотностью мощности около 26,7-43,2 кВт/см2 в течение 5 минут (42-47 °C) приводит к не менее 75% апоптотических клеток.
5. Проведен ряд исследований для задач визуализации распределения и удержания светочувствительных носителей в лабораторном животном. Локальное введение разработанных флуоресцентных композитных носителей в опухоль и последующая флуоресцентная визуализация лабораторного животного в течение 10 дней подтвердила, что флуоресцентный сигнал исходил в основном из области опухоли (более 95% в течение всего времени наблюдения).
6. Проведено сравнение различных подходов фототермической, радионуклидной, химиотерапии (а также их комбинации) при локальном лечении меланомы у мышей линии C57BL/6. После облучения лазером (1064 нм; 1,7 Вт/см2; 10 мин) опухолей меланомы с инжектированными золотыми наностержнями (400 мкг/мл), модифицированными терапевтическим радионуклидом 188Re (2 МБк), и одновременным введением Паклитаксела (3 мг/кг) было показано, что сочетание всех трех терапий одновременно дает наиболее значимые результаты в ингибировании опухолей в сравнении с терапиями в монорежиме. Доказан синергетических эффект от комбинации фототермической, радионуклидной и химиотерапии с помощью рассчитанного комбинированного индекса, который равнялся 0,79.
В целом, комплексное исследование использования светочувствительных неорганических наноматериалов для доставки веществ, нанотермометрии, биовизуализации и терапии позволило по-новому взглянуть на подходы в тераностике и определить новые перспективы в области терапии и диагностики

193

социально значимых заболеваний. Проведенное исследование важно для дальнейшего внедрения наноразмерных неорганических материалов в клиническую практику в качестве терапевтических и/или диагностических агентов, что на сегодняшний день является не простой задачей. Действительно, несмотря на рост доклинических исследований, связанных с использованием светочувствительных неорганических наночастиц, далеко не все разрабатываемые структуры доходят до клинических испытаний. Несмотря на это, нужно отметить, уже существуют коммерчески доступные светочувствительные наночастицы (Aurolase и Auroshell), которые могут быть успешно применены для оптической гипертермии злокачественных новообразований, расположенных в области головы, шеи (NCT00848042) и предстательной железы (NCT04240639, NCT02680535 и NCT04656678). В связи с этим, есть основания предполагать, что количество клинических исследований с использованием светочувствительных наноматериалов, а, следовательно, количество выведенных в клиническую практику медицинских разработок будет расти. Таким образом, можно заключить, что в диссертационной работе разработаны и исследованы платформы на основе светочувствительных неорганических материалов, которые способны эффективно решать современные вызовы в области биофотоники и медицины.