Geum.ru

Ик лазерная инактивация клеток и фотоповреждение биотканей, сенсибилизированных плазмонно-резонансными золотыми наночастицами и красителями 03. 00. 02-биофизика

Вид материалаАвтореферат диссертации

Содержание


Список опубликованных работ по теме диссертацтии
Подобный материал:
1   2   3

Четвертая глава посвящена исследованию процессов инактивации аксонов соматического нерва лягушки, прокрашенного фотосенсибилизаторами при воздействии резонансного лазерного излучения. Предложена методика исследования воздействия лазерного излучения на динамический отклик нейронов с временным разрешением от сотен микросекунд в течении нескольких часов которая позволила исследовать как фототермические процессы инактивации нейронов при использовании ИК фотосенсибилизаторов (ICG), так и фотодинамическое воздействие при использовании фотосенсибилизаторов - метиленового синего при облучении He-Ne лазером(λ=633 нм) и эритрозина –B при облучении твердотельным YAG Nd лазером с диодной накачкой (λ=532 нм) с плотностью оптической мощности не более 500 мВт/см2.

Результаты резонансного ИК фототермолиза пучка аксонов соматического нерва лягушки прокрашенного индоцианином зеленым, представлены на Рис.15.



(а) (б)

Рис.15.Эволюция составного потенциала действия ансамбля аксонов соматического нерва лягушки, прокрашенного фотосенсибилизатором-индоцианином зеленым (1 мкM/мл), возбуждаемого внеклеточно последовательностью миллисекундных электрических импульсов и облучаемого полупроводниковым лазером ( GaAlAs , λ=810 нм, P=10 Вт/см2) в течении 10мин.: а- сразу после воздействия, б-через 30 мин.

Исследование динамического отклика аксонов соматического нерва лягушки как во время лазерного облучения, так и в течении нескольких часов после воздействия, а также численное моделирование процессов инактивации на основе системы уравнений Ходжкина и Хаксли [Л17,Л18], модифицированных для возбуждения последовательностью внешних миллисекундных электрических импульсов, позволили предположить, что инактивация нейронов происходит вследствие функционального фотоповреждения Na+ потенциал-зависимых каналов, так и мембраны митохондрий, нарушающий функционирование активного K+/Na+ транспорта плазматической мембраны аксонов.

Экспериментально обнаружено, что нелинейно-динамический отклик аксонов соматического нерва лягушки проявляется через механизм удвоения периода следования возбуждающих электрических импульсов, когда этот период становится соизмеримым со временем рефрактерности, что приводит динамическому хаосу, отражающемуся в нерегулярной последовательности составного потенциала действия аксонов и амплитуды ПД и соответственно накладывает ограничения на предложенный электрофизиологический метод диагностики фотосенсибилизаторов (Рис.16).





(а,б) (в,г)

Рис.16.Составной потенциал действия соматического нерва лягушки (а, в,) и соответствующий спектр мощности динамического отклика нерва (б, г) при возбуждении регулярной последовательностью электрических импульсов с различной частотой следования (f) при фиксированной амплитуде (двойной порог) и длительности (0.1 мс) стимулирующих импульсов: а, б - f = 89 Гц (регулярная последовательность); в, г - f = 487 Гц (режим динамического хаоса) .


ВЫВОДЫ

1. Апробирован управляемый ИК лазерный фототермолиз клеток и биотканей на основе золотых плазмонно-резонансных нанооболочек и наностержней при различной концентрации наночастиц в объеме (от107до109 см-3) при оптимизации режимов облучения (непрерывный, импульсный при плотности лазерной мощности 10-20 Вт/см2) при бесконтактном контроле 2-D температурных полей с помощью тепловизора.

Реализован неинвазивный оптический метод контроля функциональной инактивации отдельных клеток крови при лазерном фототермолизе на основе анализа комбинационного рассеяния, измеренного с помощью конфокального микроскопа.

Обнаружен размерный эффект влияния золотых наночастиц на функциональную активность тромбоцитов крови.

2. Экспериментальные исследования температурных полей при одинаковом уровне вводимой лазерной энергии в фантомы с раствором ИК фотосенсибилизатора (Индоцианин зеленый) (модель непрерывной поглощающей среды) и коллоидным раствором золотых плазмонно-резонансных нанооболочек и наностержней (дискретная поглощающая и рассеивающая среда) показали, что выбором концентрации возможно достигнуть сравнимого уровня и пространственного распределения температуры в случае непрерывного режима облучения, в то время как при воздействии последовательностью лазерных импульсов с длительностью менее миллисекунды и скважностью более двух для фантомов и биотканей с золотыми наночастицами реализуется режим лазерного нагрева объемной среды на 10-20 градусов 0С меньше.

Экспериментально установлены пороговые уровни плотности энергии и лазерной мощности, вызывающие дефрагментацию золотых плазмонно-резонансных нанооболочек в наносекундной и фемтосекундной области.

3. Показана возможность детектирование отдельных золотых плазмонно-резонансных нанооболочек и наностержней в коллоидном водном и глицериновом растворе с помощью лазерного конфокального и низко-когерентного томографа. Установлена возможность определения с помощью ОСТ концентрации наночастиц, когда в объем когерентности попадает одна и менее частиц (менее 109 частиц в мл). Эксперименты по повышению контрастности визуализации слоистых объемных сред при введении наночастиц в фантомы на основе агара при зондировании с помощью лазерного конфокального томографа и ОСТ показали их низкую эффективность вследствие влияния сильного оптического шума, связанного с эффектами рассеяния.

4. Предложена и апробирована методика степени фототермического и фотодинамического воздействия на нейронные клетки ex vivo на основе экспериментальных исследований динамического (с миллисекундным разрешением) отклика соматического нерва лягушки, прокрашенного фотосенсибилизаторами и подверженного воздействию резонансного лазерного излучения при внеклеточном возбуждении потенциалов действия. Анализ изменения пороговых характеристик возбуждения аксонов, числа генерируемых ПД после лазерного воздействия, а также результаты численного моделирования позволяют интерпретировать процессы инактивации аксонов как фотоповреждение плазматической мембраны клеток, а также мембраны митохондрий, что отражается на функционировании активного транспорта, обусловленного работой Na+:K+ насоса.

Список цитированной литературы:

Л1. Niemeyer C.M., Mirkin C.A. Nanobiotechnology: Concepts, Applications, and Perspectives. –

Weinheim: Wiley-VCH. 2004.

Л2. Дыкман Л.А., Богатырев В.А., Щёголев С.Ю., Хлебцов Н.Г. Золотые наночастицы: синтез, свойства, биомедицинское применение. М.: Наука. 2008. - 319 C.

Л3. Sarah L. Westcott, Steven J. Oldenburg, T. Randall Lee,Naomi J. Halas.Formation and Adsorption of Clusters of Gold Nanoparticles onto Functionalized Silica Nanoparticle Surfaces // Langmuir. 1998. V. 14.P. 5396-5401.

Л4. Huang X., Jain P.K., El-Sayed I.H., El-Sayed M.A. Plasmonic photothermal therapy (PPTT) using gold nanoparticles // Lasers Med. Sci. 2008. V. 23. P. 217-228.

Л5. Khlebtsov B.N., Zharov V.P., Melnikov A.G., Tuchin V.V., Khlebtsov N.G. Optimization of light-absorbing gold nanostructures for photothermal therapy of cancer cells // Nanotechnology. 2006. V. 17. P. 5267-5279.

Л6. Pitsillides C.M., Joe E.K., Wei X., Anderson R.R., Lin C.P. Selective cell targeting with light-absorbing microparticles and nanoparticles // Biophys J. 2003. V. 84. P. 4023-4032.

Л7. Zharov V.P., Galitovsky V., Viegas M. Photothermal detection of local thermal effects during selective nanophotothermolysis // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. P. 4897-4899.

Л.8. Hirsch L. , Stafford R. J., Bankson J. A., Sershen S. R., Rivera B., Price R. E., Hazle J. D., Halas N., West J. Nanoshell-mediated near-infrared thermal therapy of tumors under magnetic resonance guidance // Proc. Natl. Acad. Sci. 2003. V. 23. P. 13549-13554.

Л.9. X. Huang, I. H. El-Sayed, W. Qian, and M. A. El-Sayed, Cancer cell imaging and photothermal therapy in the near-infrared region by using gold nanorods // J. Am. Chem. Soc.2006. V. 128. P. 2115-2120.

Л10.Оптическая биомедицинская диагностика. Под ред. В.В.Тучина.М: Физматлит. 2007. 953 С.

Л11. Руководство по оптической когерентной томографии. Под ред. Гладковой Н.Д., Шаховой Н.М., Сергеева А.М. М.: Физматлит. Медкнига. 2007. 296 С.

Л12.Troutman T.S., Barton J. K., Romanowski M. Optical coherence tomography with Plasmon resonant nanorods of gold// OPTICS LETTERS. 2007. V. 32. No. 11. P.1438-1440.

Л13. Е.В. Загайнова, М.В. Ширманова, В.А. Каменский, М.Ю. Кирилин, А.Г. Орлова

И.В. Балалаева, Б.Н. Хлебцов, А.М. Сергеев. Исследование контрастирующих свойств золотых наночастиц для метода ОКТ// Российские Нанотехнологии. 2007. Т.2. № 7– 8. С.135-143.

Л14.W. H. De Jong , W. I. Hagens, P. Krystek , M. C. Burger, A. J.A.M. Sips, R. E. Geertsma. Particle size-dependent organ distribution of gold nanoparticles after intravenous administration // Biomaterials.2008. V. 29. P.1912-1919.

Л15. Владимиров Ю. А., Потапенко А. Я. Физико – химические основы фотобиологических процессов. М.: Высш. Шк. 2007. 189 С.

Л16. Uzdensky A.V., Mironov A.F. Photodynamic inactivation of the single crayfish nerve cell: dynamics of electrophysiological responses and comparison of photosensitizes// Laser Med.Sci. 1999. V. 14. P. 185-195.

Л17. Ходоров Б. И. Общая физиология возбудимых мембран. М.: Наука. 1975. 405 С.

Л18. Хухо Ф. Нейрохимия. Основы и принципы.М.:Мир.1990. 384 С.


^ СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦТИИ

Статьи:
  1. Maksimova I.L, Akchurin G. G., Khlebtsov B. N., Terentyu G. S., Akchurin G. G.Jr., Ermolaev I. A., Skaptsov A. A., Soboleva E.P., Khlebtsov N. G. , Tuchin V.V. Near-infrared laser photothermal therapy of cancer by using gold nanoparticles: computer simulations and experiment // Мedical Laser Applications .2007. V.22. Р. 199-206.
  2. Максимова И.Л., Акчурин Г.Г.,Терентюк Г.С., Хлебцов Б.Н., Акчурин Г.Г.мл., Ермолаев И.А., Скапцов А.А., Ревзина Е.М., Тучин В.В, Хлебцов Н.Г. Лазерный фототермолиз биотканей с использованием плазмонно- резонансных наночастиц. // Квантовая электроника. 2008. Т.38. №6. С.536-542.
  3. Garif Akchurin, Boris Khlebtsov, Georgy Akchurin, Valery Tuchin, Vladimir Zharov, and Nikolai Khlebtsov. Laser-induced photodestruction of silica/gold nanoshells under single nanosecond pulses // Nanotechnology. 2008. №1. P.41-47.
  4. A. Lemelle, B. Veksler, I.S. Kozhevnikov, G.G. Akchurin, S.A. Piletsky and I. Meglinski. Application of gold nanoparticles as contrast agents in confocal laser scanning microscopy // Laser Physics Letters. 2009. P.64-71.
  5. Акчурин Г.Г., Селиверстов Г.А, Акчурин Г.Г.мл. Нелинейно-динамический отклик ансамбля нейронов, возбуждаемых регулярной последовательностью электрических импульсов // Известия ВУЗов Прикладная Нелинейная Динамика. 2003. № 4. C.74-79.
  6. Терентюк Г.С., Акчурин Г.Г.мл., Акчурин Г.Г., Долганова М.В., Иванов А.Н., Киричук В.Ф., Максимова И.Л., Маслякова Г.Н., Трояновская Л.П., Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г., Шантроха А.В. Особенности воздействия золотых наночастиц и их конъюгатов на физиологические показатели организма при онкозаболеваниях. // Российский биотерапевтический журнал. 2008. Т.7. №1. С.33.
  7. Акчурин Георгий. Динамические и флуктуационные процессы при возбуждении ансамбля нейронов последовательностью регулярных электрических импульсов // Сборник трудов конференции “ Нелинейные дни в Саратове для молодых - 2002”. 2002. C. 98-101.
  8. Акчурин Александр, Акчурин Георгий. Нелинейно-динамический отклик ансамбля аксонов, возбуждаемых регулярной последовательностью электрических импульсов ex-vivo // Сборник трудов конференции “Нелинейные дни в Саратове для молодых – 2003” 2003. C.120-123.
  9. G. G. Akchurin Jr., G. G. Akchurin, V. A.Bogatyrev, I. L. Maksimova, G.A. Seliverstov, G.S.Terentyuk, B.N.Khlebtsov, N. G. Khlebtsov, V. V.Tuchin. Near-infrared laser photothermal therapy and photodynamic inactivation of cells by using gold nanoparticles and dyes // Proc. SPIE. 2007. V. 6645. 66451U. 12 pages.
  10. Maksimova I.L., Rybukho V.P., Lychagov V.V, Khlebtsov B.N., Khlebtsov N.G., Akchurin G.G. Jr, Kolbenev I.O., Maksimov V.Yu., Naumova O.G., Skaptsov A.A., Terentyuk G.S., Tuchin V.V. Dynamic of gold nanoparticles labeling studied on the basis of OCT and backscattering spectra of tissues and phantoms // Proc. SPIE. 2008. V. 6855. 68550K. 10 P.
  11. G. G. Akchurin, Akchurin G. G. Jr., A.N.Ivanov, V.F.Kirichuk, G.S.Terentyuk, B. N.Khlebtsov, N. G. Khlebtsov. Influence of gold nanoparticles on platelets functional activity in vitro // Proc.Spie.2008. V. 6869. 68690V. 6 P.
  12. Акчурин Г.Г, Селиверстов Г.А, Акчурин Г.Г. мл. Фотодинамическая инактивация соматического нерва лягушки ex vivo при воздействии лазерного излучения // Материалы 4 съезда фотобиологов России. Саратов. 2005. С. 182-184.
  13. Акчурин Г.Г., Селиверстов Г.А., Акчурин Г.Г. мл., Правдин А.Б., Трофимов А.Ю. Особенности локальной инактивации аксонов соматического нерва лягушки лазерным излучением (337 нм) и низко-когерентным УФА излучением // Материалы 4 съезда фотобиологов России. Саратов. 2005. С. 188-190.
  14. G. S. Terentyuk, I.L. Maksimova, Akchurin G. G., Khlebtsov B. N., Akchurin G. G. Jr., Ermolaev I. A., Skaptsov A. A., Khlebtsov B. N., Khlebtsov N. G., Tuchin V.V. Optimization of laser heating with the treatment of spontaneous tumors of domestic animals by use of thermography // Proc.SPIE.2008. V. 6791. 67910Q. 10 P.
  15. Garif G. Akchurin, George A. Seliverstov, George G. Akchurin , Svetlana Kudryashova. Photodynamic inactivation of somatic frog nerve ex vivo // Proc.SPIE. 2004. V. 5315. P. 143-147.
  16. Garif G. Akchurin, George A. Seliverstov, George G. Akchurin. Optical controlling dynamic and fluctuation processes in ensemble of neurons at pulsed electrical excitation ex vivо // Proc.SPIE. 2004. V.5330. P. 194-199.
  17. Garif G. Akchurin, George G. Akchurin, George A. Seliverstov, Artyom Yu. Trofimov. Technology and mechanism of neuron inactivation by N2 laser radiation (=337 nm), mercury-vapor lamp (Hg =365 nm) and low-coherence UV-A sun radiation // Proc.SPIE. 2005. V.5686. P. 581-588.
  18. Akchurin G.G., Seliverstov G.A., Kamenskih T.G., Akchurin G.G. Jr. Dynamic and fluctuation processes in ensemble of neurons at pulsed electrical and optical excitation in vivo//Proc.SPIE.2001.V.4707.P307-311.

Патенты РФ:
  1. Способ лазерного фототермолиза серповидно-клеточных эритроцитов. RU № 2345805.

Опубликовано 10.02. 2009. Бюл.№4. Авторы: Акчурин Г.Г., Акчурин Г.Г.мл, Богатырев В.А., Терентюк Г.С.
  1. Способ селективного разрушения меланомы. RU №2347563. Опубликовано 27.02. 2009. Бюл.№ 6. Авторы: Акчурин Г.Г., Акчурин Г.Г.мл., Богатырев В.А., Максимова И.Л., Маслюкова Г.Н., Терентюк Г.С., Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г., Шантроха А.В.
  2. Способ определения концентрации наночастиц. RU № 2361190

Опубликовано 10.07. 2009. Бюл.№ 19. Авторы: Акчурин Г.Г., Акчурин Г.Г.мл., Колбенев И.О., Максимов В.Ю., Наумова О.Г., Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г.


Тезисы докладов:1.G.G.Akchurin, G.A.Seliverstov, G.G.Akchurin Jr. Dynamic and fluctuation processes in ensemble of neurons at pulsed electrical excitation ex vivo // International Conference SYNCHRO 2002. Saratov. Book of Abstracts. P.14.

2.Г.Г. Акчурин, Г.Г. Акчурин мл., Б.В. Векслер, И.О. Колбенев, И.Л.Максимова, И.В. Меглинский, О.Г.Наумова, А.А.Скапцов, Б.Н. Хлебцов, Н.Г. Хлебцов. Детектирование плазмонно-резонансных наночастиц низко-когерентным и конфокальным оптическим томографом для технологии лазерного фототермолиза. Труды V съездa фотобиологов России. Пущино 16-20 июня. 2008. C. 164.

3. Акчурин Г.Г.мл., Акчурин Г.Г., Максимова И.Л., Селиверстов Г., Терентюк Г.С., Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г., Тучин В.В. Инфракрасный лазерный фототермолиз и фотодинамическая инактивация клеток при взаимодействии излучения с фотосенсибилизаторами и плазмонно-резонансными наночастицами. Труды V съездa фотобиологов России. Пущино 16-20 июня. 2008. С. 163.

4. Георгий Акчурин, Гариф Акчурин, Владимир Богатырев, Даниил Браташев, Дмитрий Горин, Ирина Максимова, Сергей Портнов, Георгий Терентюк, Борис Хлебцов, Николай Хлебцов, Валерий Тучин. Управляемый ИК лазерный фототермолиз раковых клеток и клеток крови на основе технологии золотых плазмонно-резонансных наночастиц и фотосенсибилизаторов. Тезисы докладов второго Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий «RUSNANOTECH-09». Москва. 6 - 8 октября 2009. C. 886-887.