ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ КАК ИСТОЧНИК

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ КАК ИСТОЧНИК ГЕНЕРАЦИИ
СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА В
ФОТОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ
Березовская И.В., Рожицкий Н.Н.
Научно-исследовательско-учебный центр нанофотонных устройств и технологий
Харьковский национальный университет радиоэлектроники
г. Харьков, пр. Ленина, 14, кафедра биомедицинских электронных приборов и систем
[email protected], [email protected]
Advances in nanotechnology can improve the photodynamic therapy method using semiconductor
quantum-dimensional structure such as quantum dots.
In this work modeling of photodynamic processes for singlet oxygen generation and its registration
by chemical traps has been done. Obtained results show the quantum dots can be efficient
photosensitizers in photodynamic therapy.
Введение
Нанотехнологии внедряют в различные сферы нашей деятельности. Уровень развития
нанотехнологий открывает новые возможности в лечении онкологических заболеваний. Одно из
таких направлений – фотодинамическая терапия (ФДТ). ФДТ – метод лечения опухолевых
заболеваний с помощью фотосенсибилизаторов и лазерного излучения.
Наиболее перспективным и актуальным является использование достижений
нанотехнологий в методе фотодинамической терапии (ФДТ), предназначенном для лечения
онкологических заболеваний. Ряд преимуществ метода ФДТ перед традиционными методами
лечения вызывает интерес изучения и понимания этого метода и его внутренних процессов с
целью повышения его эффективности, открытия новых возможностей и его внедрения в другие
области медицины.
Исследование эффективности наноматериалов для метода ФДТ является главной задачей
данной работы.
Сущность работы
В основе метода ФДТ лежат фотодинамические процессы. Фотосенсибилизатор (ФС),
находясь уже в опухолевой ткани, переходит из своего основного синглетного состояния в
возбужденное состояние под действием лазерного излучения. Возбужденный ФС взаимодействует
с триплетным кислородом, вследствие чего образуется синглетный кислород. Данный вид
кислорода оказывает разрушающий эффект на опухолевые ткани. Синглетный кислород, который
относится к активным формам кислорода, генерируется в результате фотодинамических реакций.
Традиционно в методе ФДТ используют органические красители в качестве
фотосенсибилизаторов. Такой тип фотосенсибилизаторов имеет недостатки, что приводит к
поиску более эффективных и перспективных фотосенсибилизаторов. Отличительные свойства
полупроводниковых квантово-размерных структур типа квантовых точек (КТ) предопределяют их
применение в качестве фотосенсибилизаторов в методе ФДТ. Особенностями КТ является:
высокий квантовый выход, стабильность люминесценции, широкий спектр поглощения, узкий и
симметричный спектр люминесценции. Эффективность использования КТ в методе ФДТ можно
выявить исследованиями, связанными с регистрацией синглетного кислорода, и оценкой
количественных характеристик процесса генерации.
Одним из методов регистрации синглетного кислорода является метод химических ловушек
[1]. Методом химических ловушек можно оценить количество образованного синглетного
кислорода, его время жизни. Данный показатель может быть использован для сравнения реакций с
участием КТ и органических красителей, как фотосенсибилизаторов.
Метод химических ловушек основан на обесцвечивании индикатора в результате продуктов
реакции между синглетным кислородом и «ловушкой» [2]. В качестве «ловушки» используется
аминокислота
–
гистидин,
индикатором
синглетного
кислорода
выступает
пнитрозодиметиланилин (RNO), характеризующийся полосой поглощения с максимумом λm = 440
нм
Процесс генерации синглетного кислорода описан следующими фотодинамическими
реакциями:
k0
S0  h 
 S1 ;
(1)
k1
S1 
T;
(2)
T  O2  O2  S 0 ;
3
k3
1
(3)
O2  G  GO2 ;
(4)
GO2  RNO   RNO  P ;
(5)
1
k5
k6
где, где: S0 – основное состояние ФС, S1 – его возбужденное синглетное состояние, T –
триплетное состояние ФС, 1O2 – синглетное состояние молекулярного кислорода, 3O2 –
триплетное основное состояние молекулярного кислорода, G – гистидин, GO2 – образовавшаяся
трансанулярная перекись в результате взаимодействия гистидина и синглетного кислорода, P –
продукты реакции, ki – константы скорости соответствующих процессов.
В результате получаем систему для семи дифференциальных уравнений с постоянными
коэффициентами:
d[S0 ]
 k0 [S0 ]  k3[T ][ 3O2 ] ;
dt
d[ S1 ]
 k 0 [S 0 ]  k1[S1 ] ;
dt
d [T ]
 k1 [ S1 ]  k 3 [T ][ 3O2 ] ;
dt
d [1O2 ]
 k 3 [T ][ 3O2 ]  k 5 [1O2 ][G] ;
dt
d [ RNO ]
 k 6 [GO2 ][ RNO ] ;
dt
d [G ]
 k 5 [1O2 ][G ] ;
dt
d [GO2 ]
 k5[1O2 ][G ]  k6 [GO2 ][ RNO] ,
dt
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
При моделировании этих дифференциальных уравнений в качестве значений констант
скорости ki (i=0..6) использовались литературные данные [3].
Анализируя полученные графики (рис. 1) нужно отметить, что в момент истощения
молекулярного кислорода 3О2 синглетный кислород начинает убывать, что в свою очередь
подтверждает внутренний фотодинамический процесс перехода триплетного состояния в
синглетное. Сопоставление рис. 1 а и рис 1 б показывает, что с увеличением начальной
концентрации кислорода растет как концентрация синглетного кислорода, так и время его
генерации.
Рисунок 1 – Генерация синглетного кислорода
(а – с начальной концентрацией О2 0,8 мкМ, б – увеличенная концентрация О2 в 3 раза)
Рисунок 2. Кинетика гистидина при разных концентрациях О2
Это, в свою очередь, приводит к большему расходованию гистидина, который вступает в
реакцию с 1О2 (рис. 2).
Регистрация обесцвечивания индикатора позволяет судить о процессе образования синглетного
кислорода, т.е эффективность метода ФДТ. Время жизни синглетного кислорода оценивается
длительностью протекания реакции, а также расходованию химических компонентов данной
реакции.
Выводы
Внедрение нанотехнологий в метод фотодинамической терапии увеличивает вероятность
излечения онкозаболеваний. Благодаря особенностям полупроводниковых квантовых точек они
преобладают над традиционными фотосенсибилизаторами, такими как органические красители.
Использование метода химических ловушек позволяет судить о том, что реакция прошла
именно с синглетным кислородом. Это, в свою очередь, дает право говорить о достоверности
эксперимента на выявления эффективности квантовых точек генерировать синглетный кислород.
Исследования квантовых точек с помощью регистрации синглетного кислорода методом
химических ловушек позволяет не только определить эффективность их использования в данном
методе, но и подобрать оптимальные концентрации соединений, используемых в методе
химических ловушек. Применение квантовых точек для фотодинамической терапии можно
отнести как к одному из перспективных направлений для исследований.
Работа выполнена при поддержке проекта УНТЦ №5067 (руководитель – проф. Н.Н.
Рожицкий).
Список литературы:
1. Красновский. А.А Фотодинамическая регуляция биологических процессов: первичные
механизмы // Проблемы регуляции в биологических системах / Под общей ред. А. Б. Рубина. – М.Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2006. – 480 с.
2. Yan Liu Magnetic field effect on singlet oxygen production in a biochemical system / Yan Liu, Ruth
Edge, Kevin Henbest // Chem. Commun.- 2005.- Р 174-176
3. Hu X.H. Modeling of a Type II Photofrin-mediated Photodynamic Therapy Process in a
Heterogeneous Tissue Phantom / X.H. Hu, Y. Feng, J.Q. Lu, R.R. Allison, R.E. Cuenca, G.H. Downie,
C.H. Sibata. - Photochem. Photobiol. - 2005. - p. 1460-1468.