Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Перспективной платформой для создания новых препаратов для терапии и диагностики опухолей представляются наночастицы, обладающие уникальными свойствами. К таким свойствам можно отнести: способность накапливаться в опухолях за счет увеличенной проницаемости сосудов опухоли и задержания наночастиц в таких тканях, так называемый EPR-эффект (Enhanced permeability and retention); программируемость физических и химических характеристик в зависимости от размеров, состава и способов получения; наличие функциональных групп на поверхности, позволяющих модифицировать частицы; большая площадь поверхности, позволяющая присоединять значительное количество функциональных направляющих/нацеливающих биомолекул. Развитие технологии синтеза позволило получить новые нетоксичные люминесцентные наночастицы, обладающие эффектом антистоксовой фотолюминесценции. Такие частицы способны конвертировать ближнее инфракрасное (ИК) излучение (915-990 нм), попадающие в окно прозрачности биоткани (750-1000 нм), в фотоны видимого и ультрафиолетового (УФ) спектрального диапазона, что позволяет избавиться от стоксовой автолюминесценции биоткани и значительно повысить чувствительность их детектирования. Люминесцентные свойства таких наночастиц позволяют рассматривать их в качестве основы для мультифункциональных нанокомплексов. В рамках проекта разрабатываются уникальные нанокомплексы обеспечивающие единую мультимодальную систему для глубокой фотодинамической, фототермической и адресно-активируемой химио -терапий, а также оптической и МРТ диагностики опухолей. Нанокомплексы будут биосовместимыми и оставаться нетоксичными до момента активации, обеспечивая старт по требованию. Был выполнен высокотемпературный синтез нанокристаллов NaYF4, легированных ионами лантанидов при высокотемпературном разложении трифторацетатов соответствующих металлов в растворе олеиновой кислоты и октадецена. Проведено исследование временной динамики люминесценции синтезированных апконвертирующих частиц β-NaYF4: 20%Yb3+; 0,6%Tm3+ диаметром 150 нм. Изменяя длительность возбуждающего импульса в диапазоне от 50 мкс до 5 мс (с резким задним фронтом), мы показали, что ионы Yb3+ выполняют в системе роль аккумуляторов энергии, а сама наночастица действует как единое целое, распределяя запасенное возбуждение посредством кросс-релаксации между ионами Yb3+. Разработан метод лазерной модификации нанокристаллов NaYF4. Было показано, что при абляции коллоида наночастиц в жидкости пикосекундными лазерными импульсами наночастицы фрагментируются до наностержней с диаметром 5 нм. Методом пикосекундной лазерной абляции объемной мишени Fe в воде, были получены наночастицы магнетита с размерами до 5 нм. Из синтезированных в рамках проекта наночастиц были созданы гибридные нанокомплексы, проявляющие как магнитные, так и люминесцентные свойства. Магнитные и антистоксовые наночастицы были включены методом набухания в полистирольные наночастицы. Было продемонстрировано усиленное накопление таких наноконструкций в опухоли за счет EPR-эффекта и удержания внешним магнитным полем. Наноконструкции были введены внутривенно, а к опухоли был приставлен постоянный неодимовый магнит. Эффективность накопления наночастиц в опухоли усилилась более чем в два раза. Мы разработали новую стратегию проведения ФДТ с использованием апконвертирующих наночастиц обеспечивающих эффективное преобразование квантов ИК света в фотоны УФ диапазона. Эффективность УФ-фототоксического действия апконвертирующих наночастиц была исследована in vitro. SK-BR-3 клетки предварительно инкубированные с наночастицами облучали светом с длиной волны 975 нм. Было продемонстрировано, что облучение ИК светом с дозой 3500 Дж/см2 приводит к 100% гибели опухолевых клеток.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Успешная интеграция диагностики и терапии в одном агенте с использованием многофункциональных наночастиц привела к созданию нового междисциплинарного исследовательского поля под названием «Тераностика», которое является основой инновационных стратегий, позволяющих персонализировать медицину для диагностики и лечения пациентов с онкологическими заболеваниями. Перспективной платформой для создания новых препаратов для терапии и диагностики опухолей представляются наночастицы, обладающие уникальными свойствами. К таким свойствам можно отнести: способность накапливаться в опухолях за счет увеличенной проницаемости сосудов опухоли и задержания наночастиц в таких тканях, так называемый EPR-эффект (Enhanced permeability and retention); программируемость физических и химических характеристик в зависимости от размеров, состава и способов получения; наличие функциональных групп на поверхности, позволяющих модифицировать частицы; большая площадь поверхности, позволяющая присоединять значительное количество функциональных направляющих/нацеливающих биомолекул. В последнее время антистоксовые нанокристаллы, легированные лантанидами, считаются перспективными кандидатами для решения задач тераностики. Люминесцентные свойства таких наночастиц позволяют рассматривать их в качестве основы для мультифункциональных нанокомплексов. В рамках проекта разрабатываются уникальные нанокомплексы, обеспечивающие единую мультимодальную систему для глубокой фотодинамической, фототермической и адресно-активируемой химио -терапий, а также оптической и МРТ диагностики опухолей. Создаваемые нанокомплексы должны быть биосовместимыми и оставаться нетоксичными до момента активации, обеспечивая старт по требованию. Кроме того, нанокомплексы на основе апконвертирующих наночастиц должны обеспечивать возможности для инструментальных методик оценки in vivo и in vitro накопления в целевых клетках с целью прогнозирования и мониторинга получаемого терапевтического результата в реальном времени. За два года выполнения проекта были получены следующие наиболее значимые научные результаты: 1) Разработана методика высокотемпературного синтеза нанокристаллов NaYF4, легированных ионами лантанидов при высокотемпературном разложении трифторацетатов соответствующих металлов в растворе олеиновой кислоты и октадецена. Проведено исследование временной динамики люминесценции синтезированных апконвертирующих частиц β-NaYF4: 20%Yb3+; 0,6%Tm3+. Мы показали, что ионы Yb3+ выполняют роль аккумуляторов энергии, а сама наночастица действует как единое целое, распределяя запасенное возбуждение посредством кросс-релаксации между ионами Yb3+. 2) Разработан метод лазерной модификации нанокристаллов NaYF4. Было показано, что при абляции коллоида наночастиц в жидкости пикосекундными лазерными импульсами наночастицы фрагментируются до наностержней с диаметром 5 нм. Методом пикосекундной лазерной абляции объемной мишени Fe в воде, были получены наночастицы магнетита с размерами до 5 нм. Из синтезированных наночастиц были созданы гибридные нанокомплексы, проявляющие как магнитные, так и люминесцентные свойства. Было продемонстрировано усиленное накопление таких наноконструкций в опухоли за счет EPR-эффекта и удержания внешним магнитным полем. 3) Были получены данные об отличиях в кинетиках люминесценции 1D и 3D апконвертирующих систем. В 1D системе наблюдалось пространственное ограничение энергетической миграции посредством кросс-релаксации между ионами Yb3+. Выполнено моделирование процесса миграции энергии в таких наноструктурах. Полученные данные позволили утверждать, что неэкспоненциальный распад возбужденных состояний ионов активатора содержит временную константу миграции энергии ионов сенсибилизатора, что существенно осложняет анализ времени жизни конкретных уровней, и как следствие приводит к неверным оценкам эффективности безызлучательного резонансного переноса энергии в парах вида апконвертирующая наночастица/флюорофор, которые перспективны для проведения процедуры фотодинамической терапии опухолевых тканей. Был предложен метод измерения эффективности безызлучательного переноса в паре апконвертирующая наночастица/флюорофор, который позволил избежать извлечения времен жизни состояний активатора (находящиеся в свертке с процессом энергетической миграции) для расчетов. Данная методика была применена к оценке эффективности возбуждения хлорина е6 при ферстеровском переносе энергии от наночастицы. 4) В рамках проекта разрабатываются "умные" наночастицы, как новые средства целевой доставки лекарственных средств. Для создания систем доставки лекарственных средств в НАФ, покрытые слоем термочувствительного полимера, был включен доксорубицин, который является антибиотиком антрациклинового ряда с противоопухолевой активностью. При использовании таких наночастиц возможно осуществлять пространственный или временной контроль над процессом целевой доставки путем изменения внутренних или внешних условий. Одним из перспективных факторов воздействия является свет, который представляет собой не только неинвазивное, но и управляемое в пространстве и во времени воздействие, что позволяет контролировать процесс, т.е. проводить фотоконтролируемую доставку биологически активных молекул. Это особенно важно для биомедицинских приложений, где особое значение имеет специфичность и селективность целевой доставки. 5) Мы разработали новую стратегию проведения ФДТ с использованием апконвертирующих наночастиц обеспечивающих эффективное преобразование квантов ИК света в фотоны УФ диапазона. Эффективность УФ-фототоксического действия апконвертирующих наночастиц была исследована как in vitro, так и in vivo. В рамках выполнения проекта мы продемонстрировали, что прямое воздействие на опухолевые ткани фототоксичным ультрафиолетовым излучением, генерируемое при ИК– фотовозбуждении наночастицами, позволило успешно использовать технологию ФДТ. С этой целью мы сконструировали и синтезировали наночастицы со структурой ядро/оболочка NaYF4: Yb3 + Tm3 + / NaYF4 с улучшенной полосой фотолюминесценции в UV-A и UV-B диапазонах спектра. Созданные биоконъюгаты, получаемые в результате связывания наночастиц с рекомбинантными модулями белка (DARPin), обеспечили доставку АН в клетки мишени - аденокарцинома молочной железы человека SK-BR-3. Было показано, что DARPin-mCherry/АН проявляют прямое фототоксическое действие в отношении клеток SK-BR-3, благодаря УФ-фотовозбуждению эндогенных фотосенсибилизаторов и сопутствующей генерации активных форм кислорода в целевых клетках. Модель легочного рака (карцинома Льюиса) была использована для демонстрации возможности ФДТ с использованием биоконъюгатов. Было показано, что при дозе ближнего ИК излучения 1200 Дж/см2 наблюдается регрессия объема опухолевой ткани.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В отчетном году по проекту опубликовано 7 статей из них 4 статьи из первого квартиля. Были получены следующие основные научные результаты: Был выполнен высокотемпературный синтез нанокристаллов NaYF4, легированных ионами лантанидов при высокотемпературном разложении трифторацетатов соответствующих металлов в растворе олеиновой кислоты и октадецена. Проведено исследование временной динамики люминесценции синтезированных апконвертирующих наночастиц со структурой: ядро-β-NaYF4: 20%Yb3+; 0,6%Tm3+/оболочка β-NaYF4. Изменяя длительность возбуждающего импульса в диапазоне от 50 мкс до 5 мс (с резким задним фронтом), мы показали, что ионы Yb3+ выполняют в системе роль аккумуляторов энергии, а сама наночастица действует как единое целое, распределяя запасенное возбуждение посредством кросс-релаксации между ионами Yb3+. В результате тонкой настройки параметров и условий синтеза наночастиц был достигнут интегральный коэффициент конверсии в 11% при интенсивности возбуждающего излучения 30 Вт/см2. Был разработан метод лазерной модификации апконвертирующих нанокристаллов пикосекундными лазерными импульсами. Впервые были получены одномерные апконвертирующие наноструктуры – наностержни, обладающие антистоксовой фотолюминесценцией. Одномерные апконвертирующие структуры были охарактеризованы методами рентгеноструктурного анализа и просвечивающей электронной микроскопии. Исследование кинетики фотолюминесценции таких структур и их математическое моделирование показало пространственное ограничение энергетической миграции при кросс-релаксации между ионами Yb3+. Полученные данные позволили утверждать, что неэкспоненциальный распад возбужденных состояний ионов активатора содержит временную константу миграции энергии ионов сенсибилизатора. Для создания магнитного нанокомплекса на основе апконвертирующих наночастиц был разработан эффективный подход к синтезу наночастиц обеспечивающих магнитную модальность нанокомплекса. Мы продемонстрировали технику лазерной абляции железной мишени с термическим воздействием, которая значительно увеличивает эффективность генерации наночастиц железа до 6,41 мкг/Дж. Вынос материала мишени и усиление генерации наночастиц коррелировали с температурой мишени и были связаны с окислительными процессами, происходящими на поверхностях мишени из железа. Контролируя процессы окисления поверхности мишени и, соответственно, настраивая параметры лазерной абляции, можно оптимизировать генерацию частиц и повысить эффективность генерации наночастиц в 12,5 раз. Синтезированные наночастицы были исследованы с помощью SEM и TEM микроскопии. Было установлено, что наночастицы содержат несколько доменов кристаллического магнетита и имеют сферическую форму. Продемонстрированная технология с применением нагрева мишени позволяет генерировать наночастицы диаметром от 1 нм, обеспечивает превосходный контроль размеров наночастиц, а выход наночастиц соответствует промышленным показателям. Были получены апконвертирующие наночастицы, декорированные плазмонными наночастицами. Рост наночастиц серебра на поверхности апконвертирующих наночастиц реализован путем восстановления предварительно адсорбированных ионов Ag+. Исследована эффективность процесса адсорбции, показано, что она зависит от функциональности различных гидрофилизирующих покрытий апконвертирующих наночастиц, и активности восстановителей для получения наночастиц серебра. Полученные наноструктуры охарактеризованы с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Исследованы их цитотоксические свойства на фибробластах человека BJ-5. Разработана методика получения полимерных оболочек различной толщины на поверхности апконвертирующих наночастиц в процессе фотополимеризации, активируемой ИК-светом при участии инициатора эндогенной природы. Показано, что толщина этих оболочек задается длиной свободного пробега фотона в светочувствительной композиции. На поверхности наночастиц были сформированы оболочки из ПЭГ-содержащего полимера, который является одним из основных покрытий, используемых для целей биовизуализации in vivo. Мы продемонстрировали новую методику гипертермии опухоли с использованием апконвертирующих наночастиц. Для этого нами были синтезированы наночастицы со структурой ядро оболочка NaYF4:Yb3+:Tm3+/NaYF4 покрытые биосовместимой полимерной оболочки PMAO-PEG. Было показано, что такие наночастицы позволяют эффективно маркировать опухолевые ткани с последующей биовизуализацией. Экспериментально и теоретически было показано, что с использованием апконвертирующих наночастиц возможно обеспечить локальный нагрев опухолевой ткани до критической температуры в 42 °C. Разработана теоретическая модель, описывающая нагрев опухоли с учетом EPR- эффекта (повышенная проницаемость и удержание наночастиц в сосудах опухоли). Теоретическая модель, основанная на уравнениях энергетического баланса, показала хорошее согласие с экспериментально наблюдаемыми данными, что говорит о возможности проведения комбинированной терапии опухолей, где действующими факторами являются температура и активные формы кислорода.