Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка комплекса оборудования и композитных наночастиц на основе кристаллических наночастиц, допированных металлическими наночастицами и редкоземельными ионами для фотогипертермии в ближнем инфракрасном диапазоне

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
наноматериалы; нанобиофотоника; лазерная гипертермия; оптика и спектроскопия; биомедицинская спектроскопия; многофононная релаксация; безызлучательный перенос энергии; нанокристаллы; редкоземельные элементы; люминесценция редкоземельных ионов; микроволновое воздействие; гидротермальная обработка; медицинское оборудование

Цель проекта:
Создание новых перспективных термо-агентов наряду с усовершенствованием техники мониторинга и обеспечения требуемой температуры в глубоких слоях биоткани позволят поднять качество гипертермии злокачественных новообразований на новый уровень. Цели реализуемого проекта: Разработка концепции создания композитных наночастиц на основе неорганических кристаллических фосфатных наночастиц, допированных плазмонными наночастицами и редкоземельными ионами Dy3+ и Nd3+ для фотогипертермии с возможностью люминесцентной навигации и неинвазивного определения температуры нагрева наночастиц по спектральным характеристикам. Синтез композитных наночастиц на основе неорганических кристаллических фосфатных наночастиц, допированных плазмонными наночастицами и редкоземельными ионами Dy3+ и Nd3+ для прецизионной фотогипертермии с возможностью люминесцентной навигации и неинвазивного определения температуры нагрева наночастиц по спектральным характеристикам. Изготовление макета комплекса оборудования для проведения фотогипертермии опухолей, локализованных в глубоких слоях биотканей, с использованием разрабатываемых композитных наночастиц с возможностью люминесцентной навигации и неинвазивного определения температуры нагрева наночастиц по спектральным характеристикам.

Основные планируемые результаты проекта:
Концепция создания композитных наночастиц на основе неорганических кристаллических фосфатных наночастиц, допированных плазмонными наночастицами и редкоземельными ионами Dy3+ и Nd3+ для фотогипертермии с возможностью люминесцентной навигации и неинвазивного определения температуры нагрева наночастиц по спектральным характеристикам.
Разрабатываемые композитные наночастицы должны обладать:
- восприимчивостью к оптическому излучению в спектральном диапазоне 800-900 нм, эффективно переводить поглощаемое оптическое излучение в нагрев.
- значительной люминесценцией в диапазоне спектрального «окна прозрачности» биологической ткани (750-950 нм).
- оптическими характеристиками в диапазоне спектрального «окна прозрачности» биологической ткани (750-950 нм), зависящими от температуры.

Методика синтеза и экспериментальные образцы синтезированных композитных наночастиц на основе неорганических кристаллических фосфатных наночастиц, допированных плазмонными наночастицами и редкоземельными ионами для фотогипертермии с возможностью люминесцентной навигации и неинвазивного определения температуры нагрева наночастиц по спектральным характеристикам.
Результаты экспериментальных исследований разрабатываемых композитных наночастиц.

Макет комплекса оборудования для проведения фотогипертермии опухолей, находящихся в объеме биотканей, с использованием разрабатываемых композитных наночастиц с возможностью люминесцентной навигации и неинвазивного определения температуры нагрева наночастиц по спектральным характеристикам, включающий:
- волоконно-оптическое устройство, сопряженное со спектроанализатором, позволяющее регистрировать диффузно-рассеянное излучение с заданной глубины биоткани до 1 см, в том числе, содержащей разрабатываемые композитные наночастицы.
- импульсный лазер ближнего инфракрасного диапазона для фотогипертермии, оснащенный обратной связью для оптимизации сеанса терапии, причем данные о нагреве должны быть получены из спектральных характеристик нагреваемых разрабатываемых композитных наночастиц.
- видео-систему, позволяющая регистрировать спектральное люминесцентное изображение разрабатываемых композитных наночастиц в ближнем инфракрасном диапазоне, находящихся в толще биоткани, позволять визуализировать границы злокачественного образования в объеме на глубине 1 см.
- ПО, обрабатывающее спектры диффузно-рассеянного излучения, регистрируемого волоконно-оптическим устройством должно выделять полезный люминесцентный сигнал, по которому рассчитывается температура локального разогрева микроокружения композитных наночастиц с точностью не хуже 2°С.
Рекомендации по использованию комплекса диагностико-терапевтического оборудования для люминесцентной визуализации и лазерной гипертермии в ближнем инфракрасном диапазоне злокачественных новообразований вместе с разработанными композитными наночастицами.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Метод обнаружения рака на ранних стадиях и прецизионная лазерная фотогипертермия с использованием разрабатываемых композитных наночастиц станут надежными инструментами современной медицины, имея неоспоримые преимущества перед хирургическими вмешательствами и фотодинамической терапией при лечении опухолей с локализацией не только на поверхности кожи, но и в более глубоких слоях биотканей.
Трехвалентные ионы редкоземельных элементов (РЗЭ) в качестве источников люминесценции имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными органическими люминофорами и квантовыми точками. Они характеризуются чрезвычайной фотостабильностью и имеют полосы возбуждения в ближнем инфракрасном диапазоне. Этот факт делает возможным при легировании ими диэлектрических наночастиц визуализировать биологические ткани на большой глубине (7-10 мм) в окне прозрачности биологических тканей (спектральный диапазон 800-950 нм), при использовании которого паразитная или фоновая автофлуоресценция биологической ткани минимальна.
Кроме улучшенной люминесцентной диагностики, разрабатываемые композитные наночастицы повышают селективность лазерной гипертермии при поглощении ИК излучения безызлучательными уровнями ионов РЗЭ и плазмон-образующими металлическими включениями. Безызлучательная релаксация энергии будет приводить к локальному увеличению температуры вокруг наночастицы в биотканях, индуцируя каскад клеточных сигналов к апоптозу.
Управление эффективностью испускания люминесценции на различных переходах ионов РЗЭ возможно при варьировании параметров наночастиц, таких как концентрация редкоземельных ионов в матрице и размер частицы, а также режимами лазерного возбуждения. Управление параметрами наночастиц и лазерного возбуждения позволит поддерживать заданную температуру в окружении объема наночастицы.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Развитие неинвазивных методов диагностики и лечения рака, позволяющих свести к минимуму хирургическое вмешательство является важной задачей, особенно актуальной для ослабленных и пожилых людей, которым противопоказана химиотерапия и хирургические операции. Планируемые научные результаты проекта должны принести значительный прогресс в области практического клинического применения неинвазивных и малоинвазивных методов люминесцентной диагностики и управляемой лазерной гипертермии для лечения глубокозалегающих опухолей.
В настоящее время в России ожидается значительное расширение рынка оборудования и фотосенсибилизаторов для флуоресцентной диагностики и фототерапии в связи с вступлением в силу Приказа 915н от 15 ноября 2012 г. Министерства Здравоохранения РФ об утверждении порядка оказания медицинской помощи взрослому населению по профилю «Онкология». В соответствии с этим приказом предполагается оснастить все онкологические диспансеры страны кабинетами флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии, при этом центральные диспансеры предполагается оснащать несколькими (до 8) кабинетами для различных нозологий.
Разрабатываемый метод может быть использован для лечения метастазов таких распространенных видов рака, как рак молочной железы у женщин (231840 новых зарегистрированных случаев в год, 29 процентов от общего количества всех зарегистрированных новых случаев рака), меланома (73870 новых зарегистрированных случаев в год), канцероматоза брюшины и легких, опухолей ротовой полости, языка и горла [по данным American Cancer Society, Cancer Facts & Figures 2015]. Лечение метастазов при помощи гипертермии относится к инновационным методам и может применяться на различных частях тела больного и обеспечивать не только хороший лечебный, но и косметический эффект.

Сотрудничество между авторами проекта, сотрудниками Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН) и института физики Тартуского университета (IPUT), в настоящее время являющейся одной из ведущих групп Эстонии в области химии синтеза водных коллоидов неорганических наночастиц легированных ионами редкоземельных элементов, а так же в области спектроскопии редкоземельных элементов, направлено на разработку теории усиления оптических процессов вблизи наноструктурированных поверхностей или наночастиц, различных типов нанокомпозитов и регулярных структур, экспериментальное исследование взаимодействия наночастиц с биологическими молекулами, мембранами и клетками (FP7-PEOPLE-2013-IRSES Грант 612620 «Metal nanoparticle interactions with bioorganic molecules and their applications in biosensing», ILSES - International Laboratory of Surface Enhanced Spectroscopy). Благодаря участию в этом проекте происходит активная передача знаний, генерация основ для устойчивого сотрудничества и стимуляция прикладных исследований, расширение сотрудничества между научными и индустриальными организациями. Учеными IPUT и ИОФ РАН совместно были получены предварительные результаты по оценке эффективности использования в качестве наночастиц для видео-люминесцентной диагностики и лазерной гипертермии различных матриц, допированных различными редкоземельными ионами.

Текущие результаты проекта:
В рамках разработки концепции создания композитных наночастиц на основе неорганических кристаллических фосфатных наночастиц, допированных плазмонными наночастицами и редкоземельными ионами для фотогипертермии с возможностью люминесцентной навигации и неинвазивного определения температуры нагрева наночастиц по спектральным характеристикам, получены:
- Результаты обоснования и выбора нетоксичных кристаллических фосфатных матриц YPO4 для допирования.
- Результаты обоснования и выбора редкоземельных ионов Dy3+ для допирования кристаллических фосфатных матриц, в качестве преобразователя светового излучения в тепловую энергию.
- Результаты обоснования и выбора редкоземельных ионов Nd3+ для допирования кристаллических фосфатных матриц с целью получения информации о нагреве наночастицы.
- Результаты теоретического моделирования размера и формы металлических наночастиц, обладающих плазмонным резонансом для усиления поглощения энергии в ближнем инфракрасном диапазоне ионами Dy3+ и Nd3+.
- Результаты теоретического моделирования взаимного расположения слоев, содержащих плазмонные наночастицы (частицу, оболочки) и слоев неорганической фосфатной матрицы, допированной ионами Dy3+, Nd3+.
- Результаты теоретического моделирования условий эффективного определения температуры нагрева наночастицы по спектральным данным поглощения, рассеяния и люминесценции ионами Dy3+ и Nd3+.
- Результаты теоретического моделирования параметров возбуждающего излучения для эффективной гипертермии в глубоких слоях биологической ткани с использованием композитных наночастиц.