Аннотация:
<strong>Обоснование</strong>. Рибофлавин (витамин В<sub>2</sub>) считается одним из наиболее перспективных агентов для фотодинамической терапии. Однако его применение ограничено возбуждением в ультрафиолетовом (УФ) и синем диапазонах спектра и, как следствие, малой (не более нескольких миллиметров) глубиной проникновения в биоткань. Решением данной проблемы видится разработка подходов, обеспечивающих фотовозбуждение молекул рибофлавина под действием инфракрасного (ИК) света в глубине опухолевой ткани. В качестве посредника, способного эффективно преобразовывать возбуждающее излучение ближнего ИК диапазона, проникающее в биоткань на глубину до 3 см, в фотолюминесценцию УФ и видимого диапазона спектра, могут быть рассмотрены наноразмерные апконвертирующие фосфоры (НАФ).
<strong>Цель</strong> – оценить эффективность использования НАФ для ИК-опосредованной активации рибофлавина в глубине опухолевой ткани при проведении фотодинамической терапии.
<strong>Материал и методы</strong>. Водорастворимая форма рибофлавина – флавинмононуклеотид (ФМН) (Фармстандарт-УфаВИТА, Россия) – был использован в качестве фотосенсибилизатора в экспериментах <em>in vitro</em> и <em>in vivo</em>. Эксперименты <em>in vitro</em> выполнены на клеточных линиях аденокарциномы молочной железы человека SK-BR-3, глиобластомы человека U-87 MG и глиомы крысы C6. Карцинома легкого Льюис, перевитая мышам-гибридам BDF1, была использована в качестве модели для демонстрации доставки ФМН в опухолевую ткань. Для фотоактивации ФМН in vivo применялись НАФ со структурой «ядро/оболочка» [NaYF4:Yb<sup>3+</sup>, Tm<sup>3+</sup>/NaYF4]. Фотодинамическая терапия на основе ФМН, НАФ и лазерного излучения 975 нм проводилась на ксенографтах мыши SK-BR-3.
<strong>Результаты</strong>. Показано, что ФМН может выступать в качестве эффективного фотосенсибилизатора in vitro в отношении клеточных линий SK-BR-3, U-87 MG и C6. Значения IC50 для клеток глиомы составляли ~30 мкМ ФМН, а для клеток карциномы молочной железы SK-BR-3 ~50 мкМ ФМН (24 ч инкубации, облучение 4,2 Дж/см2). С использованием модели карциномы легкого Льюис установлено, что соответствующая концентрация ФМН (30 мкМ и выше) может быть достигнута в опухоли в результате системного введения ФМН (через 2 и 24 часа после введения). На ксенографтах мыши SK-BR-3 продемонстрирован эффект фотодинамической терапии с использованием света ближнего ИК диапазона для НАФ-опосредованного возбуждения ФМН, торможение роста опухоли при этом составило 90±5[%].
<strong>Заключение</strong>. Продемонстрирована возможность применения рибофлавина (витамина В<sub>2</sub>) в качестве фотосенсибилизатора для фотодинамической терапии. Использование подхода, основанного на фотовозбуждении ФМН через антистоксовую фотолюминесценцию НАФ, позволяет реализовать метод фотодинамической терапии с применением света из ближнего ИК диапазона спектра.
<p><strong>Rationale</strong>: Riboflavin (vitamin B<sub>2</sub>) is one of the most promising agents for photodynamic therapy (PDT). However, its use is limited by the excitation in the ultraviolet (UV) and visible spectral ranges and, as a result, by a small penetration into biological tissue not exceeding a few millimeters. This problem could be solved by approaches ensuring excitation of riboflavin molecules within tumor tissues by infrared (IR) light. Upconversion nanoparticles (UCNPs) can be potentially considered as mediators able to effectively convert the exciting radiation of the near IR range, penetrating into biological tissue to a 3 cm depth, into the photoluminescence in the UV and visible spectral ranges.</p><p><strong>Aim</strong>: To evaluate the efficacy of UCNPs for IR-mediated riboflavin activation in the depth of tumor tissue during PDT. <br /><strong>Materials and methods</strong>: The water-soluble riboflavin flavin mononucleotide (FMN, Pharmstandard-UfaVITA, Russia) was used as a photosensitizer in in vitro and in vivo experiments. The in vitro experiments were performed on human breast adenocarcinoma SK-BR-3, human glioblastoma U-87 MG, and rat glioma C6 cell lines. Lewis lung carcinoma (LLC) inoculated to hybrid BDF1 mice was used as a model to demonstrate the delivery of FMN to the tumor. UCNPs with a core/shell structure [NaYF4:Yb<sup>3+</sup>, Tm<sup>3+</sup>/NaYF4] were used for photoactivation of FMN in vivo. PDT based on FMN, UCNPs and laser radiation 975 nm (IR) was performed on mouse xenografts of human breast adenocarcinoma SKBR-3.</p><p><strong>Results</strong>: We were able to show that FMN could act as an effective in vitro photosensitizer for SK-BR-3, U-87 MG, and C6 cell lines. FMN IC50 values for glioma cells were ~30 μM, and for SK-BR-3 cell line ~50 μM (24 h incubation, irradiation 4.2 J/cm<sup>2</sup>). In the LLC model, the appropriate concentration of FMN (30 μM and above) can be achieved in the tumor as a result of systemic administration of FMN (at 2 and 24 hours after injection). The effect of PDT using near IR light for UCNP-mediated excitation of FMN was demonstrated in mouse xenografts SKBR-3, with the tumor growth inhibition of 90±5[%].</p><p><strong>Conclusion</strong>: The study has demonstrated the possibility to use riboflavin (vitamin B<sub>2</sub>) as a photosensitizer for PDT. The photoexcitation of FMN via the anti-Stokes photoluminescence of UCNPs allows for implementation of the PDT technique with the near IR spectral range.</p> Шолина Н.В. «НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина» Минздрава России; Первый МГМУ им. И.М. Сеченова МЗ РФ; ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН; ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН
Акасов Р.А. Первый МГМУ им. И.М. Сеченова МЗ РФ; ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН; ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН
Хоченков Д.А. «НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина» Минздрава России
Генералова А.Н. ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН; ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН
Семчишен В.А. ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН; ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН
Хайдуков Е.В. Первый МГМУ им. И.М. Сеченова МЗ РФ; ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН; ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН
«НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина» Минздрава России
N. N. Blokhin National Medical Research Center of Oncology, Ministry of Health of Russia
Первый МГМУ им. И.М. Сеченова МЗ РФ
I.M. Sechenov First Moscow State Medical University
ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН
Federal Scientific Research Centre Crystallography and Photonics, Russian Academy of Sciences
ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН
Federal Scientific Research Centre Crystallography and Photonics, Russian Academy of Sciences
Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова, РАН
Sholina N.V. N. N. Blokhin National Medical Research Center of Oncology, Ministry of Health of Russia; I.M. Sechenov First Moscow State Medical University; Federal Scientific Research Centre Crystallography and Photonics, Russian Academy of Sciences; Federal Scientific Research Centre Crystallography and Photonics, Russian Academy of Sciences
Akasov R.A. I.M. Sechenov First Moscow State Medical University; Federal Scientific Research Centre Crystallography and Photonics, Russian Academy of Sciences; Federal Scientific Research Centre Crystallography and Photonics, Russian Academy of Sciences
Khochenkov D.A. N. N. Blokhin National Medical Research Center of Oncology, Ministry of Health of Russia
Generalova A.N. Federal Scientific Research Centre Crystallography and Photonics, Russian Academy of Sciences; Federal Scientific Research Centre Crystallography and Photonics, Russian Academy of Sciences
Semchishen V.A. Federal Scientific Research Centre Crystallography and Photonics, Russian Academy of Sciences; Federal Scientific Research Centre Crystallography and Photonics, Russian Academy of Sciences
Khaydukov E.V. I.M. Sechenov First Moscow State Medical University; Federal Scientific Research Centre Crystallography and Photonics, Russian Academy of Sciences; Federal Scientific Research Centre Crystallography and Photonics, Russian Academy of Sciences
In vitro и in vivo photodynamic therapy of solid tumors with a combination of riboflavin and upconversion nanoparticles eng
Фотодинамическая терапия солидных опухолей in vitro и in vivo с применением комбинации рибофлавина и наноразмерных апконвертирующих фосфоров
Текст визуальный электронный
Альманах клинической медицины
Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI)
Т. 47, № 7 С. 647-653
2019
рибофлавин
riboflavin
наноразмерные апконвертирующие фосфоры
upconversion nanoparticles
фотодинамическая терапия
photodynamic therapy
фотосенсибилизатор
photosensitizer
свет ближнего инфракрасного диапазона
near infrared light
Статья
<strong>Обоснование</strong>. Рибофлавин (витамин В<sub>2</sub>) считается одним из наиболее перспективных агентов для фотодинамической терапии. Однако его применение ограничено возбуждением в ультрафиолетовом (УФ) и синем диапазонах спектра и, как следствие, малой (не более нескольких миллиметров) глубиной проникновения в биоткань. Решением данной проблемы видится разработка подходов, обеспечивающих фотовозбуждение молекул рибофлавина под действием инфракрасного (ИК) света в глубине опухолевой ткани. В качестве посредника, способного эффективно преобразовывать возбуждающее излучение ближнего ИК диапазона, проникающее в биоткань на глубину до 3 см, в фотолюминесценцию УФ и видимого диапазона спектра, могут быть рассмотрены наноразмерные апконвертирующие фосфоры (НАФ).
<strong>Цель</strong> – оценить эффективность использования НАФ для ИК-опосредованной активации рибофлавина в глубине опухолевой ткани при проведении фотодинамической терапии.
<strong>Материал и методы</strong>. Водорастворимая форма рибофлавина – флавинмононуклеотид (ФМН) (Фармстандарт-УфаВИТА, Россия) – был использован в качестве фотосенсибилизатора в экспериментах <em>in vitro</em> и <em>in vivo</em>. Эксперименты <em>in vitro</em> выполнены на клеточных линиях аденокарциномы молочной железы человека SK-BR-3, глиобластомы человека U-87 MG и глиомы крысы C6. Карцинома легкого Льюис, перевитая мышам-гибридам BDF1, была использована в качестве модели для демонстрации доставки ФМН в опухолевую ткань. Для фотоактивации ФМН in vivo применялись НАФ со структурой «ядро/оболочка» [NaYF4:Yb<sup>3+</sup>, Tm<sup>3+</sup>/NaYF4]. Фотодинамическая терапия на основе ФМН, НАФ и лазерного излучения 975 нм проводилась на ксенографтах мыши SK-BR-3.
<strong>Результаты</strong>. Показано, что ФМН может выступать в качестве эффективного фотосенсибилизатора in vitro в отношении клеточных линий SK-BR-3, U-87 MG и C6. Значения IC50 для клеток глиомы составляли ~30 мкМ ФМН, а для клеток карциномы молочной железы SK-BR-3 ~50 мкМ ФМН (24 ч инкубации, облучение 4,2 Дж/см2). С использованием модели карциномы легкого Льюис установлено, что соответствующая концентрация ФМН (30 мкМ и выше) может быть достигнута в опухоли в результате системного введения ФМН (через 2 и 24 часа после введения). На ксенографтах мыши SK-BR-3 продемонстрирован эффект фотодинамической терапии с использованием света ближнего ИК диапазона для НАФ-опосредованного возбуждения ФМН, торможение роста опухоли при этом составило 90±5[%].
<strong>Заключение</strong>. Продемонстрирована возможность применения рибофлавина (витамина В<sub>2</sub>) в качестве фотосенсибилизатора для фотодинамической терапии. Использование подхода, основанного на фотовозбуждении ФМН через антистоксовую фотолюминесценцию НАФ, позволяет реализовать метод фотодинамической терапии с применением света из ближнего ИК диапазона спектра.
<p><strong>Rationale</strong>: Riboflavin (vitamin B<sub>2</sub>) is one of the most promising agents for photodynamic therapy (PDT). However, its use is limited by the excitation in the ultraviolet (UV) and visible spectral ranges and, as a result, by a small penetration into biological tissue not exceeding a few millimeters. This problem could be solved by approaches ensuring excitation of riboflavin molecules within tumor tissues by infrared (IR) light. Upconversion nanoparticles (UCNPs) can be potentially considered as mediators able to effectively convert the exciting radiation of the near IR range, penetrating into biological tissue to a 3 cm depth, into the photoluminescence in the UV and visible spectral ranges.</p><p><strong>Aim</strong>: To evaluate the efficacy of UCNPs for IR-mediated riboflavin activation in the depth of tumor tissue during PDT. <br /><strong>Materials and methods</strong>: The water-soluble riboflavin flavin mononucleotide (FMN, Pharmstandard-UfaVITA, Russia) was used as a photosensitizer in in vitro and in vivo experiments. The in vitro experiments were performed on human breast adenocarcinoma SK-BR-3, human glioblastoma U-87 MG, and rat glioma C6 cell lines. Lewis lung carcinoma (LLC) inoculated to hybrid BDF1 mice was used as a model to demonstrate the delivery of FMN to the tumor. UCNPs with a core/shell structure [NaYF4:Yb<sup>3+</sup>, Tm<sup>3+</sup>/NaYF4] were used for photoactivation of FMN in vivo. PDT based on FMN, UCNPs and laser radiation 975 nm (IR) was performed on mouse xenografts of human breast adenocarcinoma SKBR-3.</p><p><strong>Results</strong>: We were able to show that FMN could act as an effective in vitro photosensitizer for SK-BR-3, U-87 MG, and C6 cell lines. FMN IC50 values for glioma cells were ~30 μM, and for SK-BR-3 cell line ~50 μM (24 h incubation, irradiation 4.2 J/cm<sup>2</sup>). In the LLC model, the appropriate concentration of FMN (30 μM and above) can be achieved in the tumor as a result of systemic administration of FMN (at 2 and 24 hours after injection). The effect of PDT using near IR light for UCNP-mediated excitation of FMN was demonstrated in mouse xenografts SKBR-3, with the tumor growth inhibition of 90±5[%].</p><p><strong>Conclusion</strong>: The study has demonstrated the possibility to use riboflavin (vitamin B<sub>2</sub>) as a photosensitizer for PDT. The photoexcitation of FMN via the anti-Stokes photoluminescence of UCNPs allows for implementation of the PDT technique with the near IR spectral range.</p>