Фототермическая терапия (ФТТ) представляет собой метод противоракового лечения, который основан на локальном нагреве раковых клеток с помощью внешнего светового облучения. Эта методика обладает высоким потенциалом благодаря своей низкой инвазивности и минимальным побочным эффектам по сравнению с традиционными подходами, такими как химиотерапия, хирургические вмешательства и радиотерапия.
Для повышения эффективности ФТТ часто используют наноразмерные агенты, включая как органические, так и неорганические наночастицы. В частности, наночастицы благородных металлов имеют выдающиеся фототермические свойства, что связано с явлением локализованного поверхностного плазмонного резонанса.
При облучении светом участков опухоли с этими частицами происходит локализованное повышение температуры, что может привести к повреждению клеточных структур и термически индуцированной клеточной смерти. Стратегическое применение инфракрасного лазера, нацеленного на опухолевую область, позволяет селективно вызывать цитотоксические эффекты в раковых клетках, минимизируя негативное воздействие на здоровые ткани. Однако одним из ограничений данной технологии является невыборочное прикрепление наночастиц к раковым клеткам в живых организмах, что можно решить с помощью органических покрытий, специфичных для определённых типов раковых клеток.
В рамках комплексного лечения сложных заболеваний, таких как рак, ФТТ часто используется как вспомогательный компонент в сочетании с другими методами терапии, а не как самостоятельный подход. Комбинирование ФТТ с традиционными антитуморными методами может значительно повысить эффективность лечения за счёт синергетического эффекта и уменьшить побочные реакции от других методов.
Для реализации комбинированного подхода разрабатываются сложные наночастицы. Например, слоистые гидроксиды кобальта-феррита могут служить наноцимами с двойными каталитическими циклами Co/Fe и одновременно функционировать как носители для загрузки золотых наночастиц (AuNPs). Эти инженерные Co-Fe наноцимы способны увеличивать окислительный стресс в опухолях, вызывая легкий фототермический эффект через AuNPs и инициируя апоптоз в опухолевых клетках. Сочетание ФТТ с химиотерапией для целенаправленной доставки лекарств демонстрирует значительный эффект в уничтожении клеток солидных опухолей. Более того, ФТТ может применяться в качестве послеоперационного лечения для воздействия на труднодоступные и высокоинфильтративные опухоли, что повышает эффективность терапии и вероятность длительной ремиссии. Альтернативный подход включает комбинацию ФТТ с иммунотерапией с использованием одного наноагента, что не только ингибирует метастазирование опухолей, но и дополняет основной курс терапии ФТТ.
Золотые наночастицы (AuNPs) занимают особое место среди плазмонных агентов в биомедицинских приложениях, особенно в фототермической терапии (ФТТ), благодаря своим выдающимся оптическим характеристикам поглощения, стабильности и совместимости с биологическими системами. Плазмонные свойства этих наночастиц можно регулировать, изменяя их размер, форму, состав и структуру. Для увеличения их функциональности возможно создание композитных форм, которые демонстрируют чувствительность к разнообразным физическим взаимодействиям. С целью разработки композитных структур, подходящих как для магнитной, так и для фототермической терапии и диагностики, AuNPs можно сочетать с ферритными наночастицами, формируя гетероструктуры. Это сочетание повышает эффективность преобразования света в тепло по сравнению с чистыми ферритами. Магнитные компоненты обеспечивают преимущества для магнитной гипертермии, магнито-механических процедур и целевой доставки лекарств. Современные наноразмерные магнитные материалы обладают длительным временем циркуляции в кровотоке и высокой химической устойчивостью, что делает их полезными для МРТ. Интеграция магнитных элементов улучшает проницаемость и позволяет локализовать нанокомпозиты в опухолевых участках с помощью внешних магнитных полей, что помогает решить проблему неспецифического распределения чистых AuNPs в живых системах.
Для успешного применения наноразмерных структур в различных биомедицинских областях, таких как биосенсоры, целенаправленная доставка лекарств, визуализация биологических тканей при рентгеновском и оптическом облучении, а также прецизионные механические актуаторы на молекулярном уровне, необходимо глубокое понимание распределения оптического поля при их облучении. Знание распределения поглощенной мощности излучения также критически важно для синтеза плазмонных наноструктур, которые эффективно преобразуют оптическое излучение в тепло. В ФТТ особое значение имеет ближний инфракрасный (NIR) диапазон, сосредоточенный около 800 нм, поскольку в этом диапазоне оптическая плотность биологических тканей снижена. Для достижения эффективного нагрева в процессе ФТТ наночастицы должны быть спроектированы с высоким оптическим поглощением в NIR диапазоне. Сферические AuNPs диаметром 10 нм обычно имеют пик плазмонного поглощения около 520 нм, который смещается к 575 нм при увеличении диаметра до 100 нм. Один из способов повышения поглощения в NIR диапазоне без значительного увеличения размера наночастиц — это использование композитных систем. Взаимодействие между Au и диэлектрическими материалами может привести к красному смещению пика плазмонного поглощения, что усиливает поглощающую способность в NIR диапазоне. В отличие от магнитной гипертермии, в фототермической терапии нельзя ожидать, что все поглощенное излучение будет преобразовано в тепло; следует учитывать коэффициент фототермического преобразования системы наночастиц.
Данное исследование представляет собой глубокий анализ, включающий оптическое моделирование, фототермические эксперименты и оценку биосовместимости композитных наночастиц (CNP), состоящих из золотых наночастиц (AuNP), окружённых кобальтовыми ферритными наночастицами (CFONP). Наночастицы CFONP были обработаны дигидрокофеиновой кислотой (DHCA), а CNP — аргинином для создания электростатического взаимодействия в системе. Ранее были изучены магнитные характеристики этих частиц. Гистерезисные петли показывают низкие значения коэрцитивной силы и остаточной магнитизации, что указывает на суперпарамагнитные свойства большинства CFONP. В общем, ферритные наночастицы с насыщенной магнитизацией около 50 emu/g, как у CoFe2O4, с диаметром менее 15–20 нм также проявляют суперпарамагнитные характеристики. Для применения в магнитной гипертермии магнитизация CFONP предпочтительна, так как умеренная коэрцитивная сила усиливает нагрев. Подобные комплексы, состоящие из золотых наночастиц с магнетитом, продемонстрировали свою эффективность в нацеливании на раковые клетки с использованием аптамеров. Золото необходимо для связывания аптамеров, в то время как магнитные наночастицы обеспечивают возможность магнито-механической стимуляции.
Дополнительная фототермическая терапия может значительно уменьшить жизнеспособность раковых клеток. В этом исследовании основное внимание уделяется изучению изменений оптических свойств, возникающих из взаимодействия между ядром и окружающими наночастицами. Модель подтверждает наличие спектрального красного смещения и увеличение поперечного сечения затухания. Настраиваемость этого эффекта исследуется путём изменения количества CFONP вокруг AuNP.
Кроме того, эффективность фототермического воздействия наночастиц тщательно исследуется с помощью установки с NIR лазером. В дальнейшем эта установка применяется для in vitro фототермической терапии на живых клетках, что позволяет оценить возможности системы CNP в биомедицинских приложениях. При концентрации 100 μg/mL наблюдается умеренный эффект нагрева с повышением температуры примерно на 8 K; тем не менее, композитные наночастицы, разработанные в данном исследовании, имеют потенциал для двойного использования в комбинированной магнитной и фототермической терапии, а также для магнитной доставки.
Для повышения эффективности ФТТ часто используют наноразмерные агенты, включая как органические, так и неорганические наночастицы. В частности, наночастицы благородных металлов имеют выдающиеся фототермические свойства, что связано с явлением локализованного поверхностного плазмонного резонанса.
При облучении светом участков опухоли с этими частицами происходит локализованное повышение температуры, что может привести к повреждению клеточных структур и термически индуцированной клеточной смерти. Стратегическое применение инфракрасного лазера, нацеленного на опухолевую область, позволяет селективно вызывать цитотоксические эффекты в раковых клетках, минимизируя негативное воздействие на здоровые ткани. Однако одним из ограничений данной технологии является невыборочное прикрепление наночастиц к раковым клеткам в живых организмах, что можно решить с помощью органических покрытий, специфичных для определённых типов раковых клеток.
В рамках комплексного лечения сложных заболеваний, таких как рак, ФТТ часто используется как вспомогательный компонент в сочетании с другими методами терапии, а не как самостоятельный подход. Комбинирование ФТТ с традиционными антитуморными методами может значительно повысить эффективность лечения за счёт синергетического эффекта и уменьшить побочные реакции от других методов.
Для реализации комбинированного подхода разрабатываются сложные наночастицы. Например, слоистые гидроксиды кобальта-феррита могут служить наноцимами с двойными каталитическими циклами Co/Fe и одновременно функционировать как носители для загрузки золотых наночастиц (AuNPs). Эти инженерные Co-Fe наноцимы способны увеличивать окислительный стресс в опухолях, вызывая легкий фототермический эффект через AuNPs и инициируя апоптоз в опухолевых клетках. Сочетание ФТТ с химиотерапией для целенаправленной доставки лекарств демонстрирует значительный эффект в уничтожении клеток солидных опухолей. Более того, ФТТ может применяться в качестве послеоперационного лечения для воздействия на труднодоступные и высокоинфильтративные опухоли, что повышает эффективность терапии и вероятность длительной ремиссии. Альтернативный подход включает комбинацию ФТТ с иммунотерапией с использованием одного наноагента, что не только ингибирует метастазирование опухолей, но и дополняет основной курс терапии ФТТ.
Золотые наночастицы (AuNPs) занимают особое место среди плазмонных агентов в биомедицинских приложениях, особенно в фототермической терапии (ФТТ), благодаря своим выдающимся оптическим характеристикам поглощения, стабильности и совместимости с биологическими системами. Плазмонные свойства этих наночастиц можно регулировать, изменяя их размер, форму, состав и структуру. Для увеличения их функциональности возможно создание композитных форм, которые демонстрируют чувствительность к разнообразным физическим взаимодействиям. С целью разработки композитных структур, подходящих как для магнитной, так и для фототермической терапии и диагностики, AuNPs можно сочетать с ферритными наночастицами, формируя гетероструктуры. Это сочетание повышает эффективность преобразования света в тепло по сравнению с чистыми ферритами. Магнитные компоненты обеспечивают преимущества для магнитной гипертермии, магнито-механических процедур и целевой доставки лекарств. Современные наноразмерные магнитные материалы обладают длительным временем циркуляции в кровотоке и высокой химической устойчивостью, что делает их полезными для МРТ. Интеграция магнитных элементов улучшает проницаемость и позволяет локализовать нанокомпозиты в опухолевых участках с помощью внешних магнитных полей, что помогает решить проблему неспецифического распределения чистых AuNPs в живых системах.
Для успешного применения наноразмерных структур в различных биомедицинских областях, таких как биосенсоры, целенаправленная доставка лекарств, визуализация биологических тканей при рентгеновском и оптическом облучении, а также прецизионные механические актуаторы на молекулярном уровне, необходимо глубокое понимание распределения оптического поля при их облучении. Знание распределения поглощенной мощности излучения также критически важно для синтеза плазмонных наноструктур, которые эффективно преобразуют оптическое излучение в тепло. В ФТТ особое значение имеет ближний инфракрасный (NIR) диапазон, сосредоточенный около 800 нм, поскольку в этом диапазоне оптическая плотность биологических тканей снижена. Для достижения эффективного нагрева в процессе ФТТ наночастицы должны быть спроектированы с высоким оптическим поглощением в NIR диапазоне. Сферические AuNPs диаметром 10 нм обычно имеют пик плазмонного поглощения около 520 нм, который смещается к 575 нм при увеличении диаметра до 100 нм. Один из способов повышения поглощения в NIR диапазоне без значительного увеличения размера наночастиц — это использование композитных систем. Взаимодействие между Au и диэлектрическими материалами может привести к красному смещению пика плазмонного поглощения, что усиливает поглощающую способность в NIR диапазоне. В отличие от магнитной гипертермии, в фототермической терапии нельзя ожидать, что все поглощенное излучение будет преобразовано в тепло; следует учитывать коэффициент фототермического преобразования системы наночастиц.
Данное исследование представляет собой глубокий анализ, включающий оптическое моделирование, фототермические эксперименты и оценку биосовместимости композитных наночастиц (CNP), состоящих из золотых наночастиц (AuNP), окружённых кобальтовыми ферритными наночастицами (CFONP). Наночастицы CFONP были обработаны дигидрокофеиновой кислотой (DHCA), а CNP — аргинином для создания электростатического взаимодействия в системе. Ранее были изучены магнитные характеристики этих частиц. Гистерезисные петли показывают низкие значения коэрцитивной силы и остаточной магнитизации, что указывает на суперпарамагнитные свойства большинства CFONP. В общем, ферритные наночастицы с насыщенной магнитизацией около 50 emu/g, как у CoFe2O4, с диаметром менее 15–20 нм также проявляют суперпарамагнитные характеристики. Для применения в магнитной гипертермии магнитизация CFONP предпочтительна, так как умеренная коэрцитивная сила усиливает нагрев. Подобные комплексы, состоящие из золотых наночастиц с магнетитом, продемонстрировали свою эффективность в нацеливании на раковые клетки с использованием аптамеров. Золото необходимо для связывания аптамеров, в то время как магнитные наночастицы обеспечивают возможность магнито-механической стимуляции.
Дополнительная фототермическая терапия может значительно уменьшить жизнеспособность раковых клеток. В этом исследовании основное внимание уделяется изучению изменений оптических свойств, возникающих из взаимодействия между ядром и окружающими наночастицами. Модель подтверждает наличие спектрального красного смещения и увеличение поперечного сечения затухания. Настраиваемость этого эффекта исследуется путём изменения количества CFONP вокруг AuNP.
Кроме того, эффективность фототермического воздействия наночастиц тщательно исследуется с помощью установки с NIR лазером. В дальнейшем эта установка применяется для in vitro фототермической терапии на живых клетках, что позволяет оценить возможности системы CNP в биомедицинских приложениях. При концентрации 100 μg/mL наблюдается умеренный эффект нагрева с повышением температуры примерно на 8 K; тем не менее, композитные наночастицы, разработанные в данном исследовании, имеют потенциал для двойного использования в комбинированной магнитной и фототермической терапии, а также для магнитной доставки.
Источник: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jbio.202300475
