Оптическая томография - это медицинский диагностический метод, который используется, в частности, для определения местоположения, размера и формы злокачественных опухолей. Принцип и современное состояние подхода заключаются в использовании так называемого эффекта «плазмонного резонанса» (улучшения поверхности) наночастиц благородных металлов. Этот эффект, заключающийся в локальном усилении электромагнитного поля, возникает на наноскопически шероховатых поверхностях и приводит к увеличению оптического сигнала молекул, находящихся вблизи таких поверхностей. Улучшение оптического отклика увеличено на несколько порядков, что улучшает точность и чувствительность современной оптической томографии. За последнее время мы освоили синтез наночастиц серебра и золота с возможностью тонкой настройки положения полосы плазмонного резонанса, варьируя соотношение реагентов. Также успешно освоены методы покрытия НЧ различной морфологии оболочкой из диоксида кремния. Получен новый тип наночастиц золота костеподобной формы (нанокости Au, наночастицы золота). Их максимум поглощения находится в диапазоне 650-800 нм и может быть сдвинут ближе к линиям лазерного возбуждения 633 или 785 нм, варьируя условия синтеза. Это важный факт, поскольку эти линии возбуждения соответствуют медицинским лазерам, уже используемым в традиционной флуоресцентной визуализации и фотодинамической терапии. Разработанный метод синтеза наночастиц золота имеет существенное преимущество по сравнению с некоторыми другими методами получения наночастиц благородных металлов с адсорбцией в ближнем инфракрасном режиме. Большинство связанных литературных методов требуют трудоемкой стадии разделения наночастиц, поскольку они обычно дают смесь желаемых наностержней, поглощающих красный цвет, со стандартными сферическими наночастицами, поглощающими зеленый цвет. Выбранный оптический спектральный диапазон, называемый «полем прозрачности биологической ткани», является второй ключевой особенностью этого подхода, поскольку в этой области существует минимальное вмешательство со стороны ткани человеческого тела. Предварительные исследования показали, что цианин 7, конъюгированный с золотыми нанокостями, обеспечивает в пять раз более высокую интенсивность излучения, чем неконъюгированные флуорофоры при той же концентрации. Золотые наностержни, конъюгированные с 4,4'-димеркаптостильбеном (ДМС), считаются подходящими метками комбинационного рассеяния света с усиленной поверхностью (SERS), обеспечивающими комбинационный отклик до концентрации 10-8 М. Этот проект получил высокую оценку и получил призы на конкурсе Umnik Photonics 2020 и Start-Up SPbSU 2020, а также получил положительные отзывы специалистов, работающих в этом целевом сегменте.
Исследовательская группа доктора Соловьевой имеет обширный опыт в изучении адсорбции различных органических молекул на наночастицах благородных металлов с помощью SERS-спектроскопии.1 В ходе исследования стильбенов в гидрозолях серебра и золота мы разработали синтетические пути для получения некоторых многообещающих димеров и агломератов наночастиц. с «горячими точками» - усиленным рамановским откликом и чувствительностью к окружающей среде. Недавно мы завершили работу по DFT-моделированию спектров SERS с использованием моделей металлических кластеров2. Результаты группы профессора Рюля напрямую связаны с этой областью, в частности с исследованием адсорбции 4-диметиламинопиридинов на поверхности золота с помощью SERS. и DFT.3 Тема настоящего проекта хорошо коррелирует с другими результатами научной группы профессора Рюля, связанной с методами визуализации для изучения наночастиц в живых клетках и коже.4,5 Таким образом, мы ожидаем продуктивного обмена научными знаниями от этого совместного проект.
В настоящее время ведутся работы по модификации наночастиц векторами доставки и расширению методов синтеза. Фолиевая кислота в качестве вектора с низкой молекулярной массой и антитела FOLR1 были выбраны в качестве модельных векторов для оценки этого метода. Линии раковых клеток PANC-1 и T98G были выбраны в качестве первых тест-объектов из-за наиболее выраженного рецептора FOLR1. Такие или аналогичные линии можно получить в Freie Universitaet Berlin или приобрести в Германии за счет гранта Umnik Photonics.
Российская исследовательская группа чрезвычайно заинтересована в исследовательском оборудовании, имеющемся в Freie Universiaet Berlin, и в обучении команды профессора Рюля, имеющей обширный опыт разработки и использования этого оборудования и анализа полученных данных. А именно, методы спектроскопии комбинационного рассеяния и стимулированного комбинационного рассеяния необходимы для изучения распределения и сродства связывающих биологических меток в матрицах и биологических тканях. В частности, стимулированное рамановское рассеяние (SRS) позволит нам с его повышенной чувствительностью получать наиболее точные и информативные данные о пространственном распределении адсорбированных зондов в биологической ткани, чтобы обеспечить первое подтверждение концепции. Мы собираемся провести несколько тестов с объектами предыдущего исследования, чтобы извлечь более точную информацию и проверить наши гипотезы.
Данный отчет посвящен синтезу новых плазмонных меток для таргетной противоопухолевой диагностики и терапии в области прозрачности биологических тканей (600-800 нм) и исследованию взаимодействия с клетками методом поверхностно-усиленного вынужденного комбинационного рассеяния света, осуществленных в рамках настоящего проекта G-RISC.
Разработана методика синтеза наночастиц золота новой костеподобной формы с полосой поглощения плазмонного резонанса в области 600-800 нм. Наночастицы золота в форме кости были выбраны в качестве оптимальных объектов для дальнейшей модификации и прикрепления векторов доставки. Методы покрытия наночастиц золота костеподобной формы слоями полиэлектролитов, бычьего сывороточного альбумина и прямой ковалентной модификации были изучены и сравнены на биологических образцах. Модификацию наночастиц золота в форме кости проводили с помощью двух хромофоров: амина цианина 5,5 и амина цианина 7. Показана возможность использования модифицированных наночастиц в качестве флуоресцентных и SRS-меток. Исследование и присвоение рамановских спектров амина цианина 5,5. При тестировании наночастиц золота костной формы, конъюгированных с фолиевой кислотой, на линии раковых клеток HeLa и HEK изучалось влияние природы поверхности наночастиц на цитотоксичность. Модельные наночастицы были протестированы на цитотоксичность против линии раковых клеток HeLa с использованием теста МТТ.
Результаты работы подтверждают перспективность перехода к расширенным испытаниям ячеек и развитию фототермических методов. Уже в объективном будущем в данной работе метки, основанные на эффекте плазмонного резонанса, могут стать новой разработкой для решения задач медицинской диагностики злокачественных новообразований. Отличительными особенностями предлагаемого подхода являются интенсивность сигнала, минимизация мешающего вклада в сигнал от естественных и рассеянных тканей человека, биосовместимость, а также использование металлических наночастиц, что наряду с диагностикой перспективно для фототермической терапии.
Дальнейшие исследования будут включать картирование клеток HEK, выбранных в качестве контрольной фолат-отрицательной линии в лаборатории Свободного университета Берлина, а также точный количественный анализ поглощения наночастиц клетками с использованием атомно-эмиссионной спектрометрии в индуктивно связанной плазме на ресурсе. центр СПбГУ.
Результаты работы планируется опубликовать в рецензируемом журнале, также они уже были представлены на двух конференциях (международной и всеросийской) и опубликованы в материалах конференции
Руководель проекта выражает благодарности профессору доктору Буркхарду Клейзеру за поддержку и доступ к лаборатории Института Фармации, доктору Кристиану Герке за помощь в ведении клеточных линий и работе с проточным цитометром, Штеффену Тирбаху за помощь в проведении оптических экспериментов и чувство юмора, Тамасри Сенапати за помощь в эксперименте, научный энтузиазм и приятную компанию, Наталью Колановскую за эпоксидный клей, без которого было бы невозможно подготовить образцы клеток для микроскопии, доктору Елене Соловьевой за ее терпение и профессору доктору Эккарту Рюлю за то, что он сделал все это возможным.
Студенческий научный обмен преследует не только индивидуальные научные цели, но помогает налаживать контакты и расширять мировосприятие. Для многих это первый опыт научной работы в зарубежном вузе - для кого первый опыт принципиальной самостоятельной жизни за границей. Лично для меня опыт, полученный за месяц, сопоставим с годом в домашнем университете: мне дали возможность полностью самостоятельно планировать эксперимент - от выбора клеточных линий для эксперимента и заканчивая выбором волновых чисел для оптический эксперимент. Я встретил живую и активную поддержку своих немецких коллег, более того, мне разрешили не только работать с оптическим оборудованием, но и проводить подготовительные работы в камере. Это заставляет «вырасти» исследователем, брать на себя ответственность за собственные решения и ошибки. Однако опасаться этого не стоит - в программе обмена нет жестких высоких требований к результату, а научное руководство всегда готово помочь. Поэтому сложно переоценить, насколько важно участие в подобных проектах для человека, который собирается связать свою жизнь с наукой.
Работа носит междисциплинарный характер, так как сочетает в себе использование новых принципов, обширный химический синтез, исследования биологических объектов.
