Photophysical properties of theranostics hybrids based on gold nanoparticles and porphyrins: fluorescent response and singlet oxygen generation

Abstract

Одним из наиболее перспективных направлений в современной медицине является тераностика, использующая мультимодальные агенты, повышающие эффективность диагностики и лечения за счёт большего спектра реализуемых методов, тем самым минимизируя вмешательство в организм. Гибридные структуры на основе наночастиц благородных металлов и фотосенсибилизаторов обладают высоким потенциалом для одновременной биовизуализации, фототермической и фотодинамической терапии. Целью настоящей работы является получение гибридных структур на основе наночастиц золота и водорастворимого мезо-тетракис(N-метил-4-пиридил)-порфирина тетратозилата, изучение их фотофизических свойств и оценка потенциала в качестве агентов люминесцентной визуализации и фотодинамической терапии. В работе получены и характеризованы структуры «ядро-оболочка» на основе золотых наночастиц и полиэлектролитов с варьируемой толщиной покрытия. Для гибридных структур «наночастица – фотоактивная молекула» исследованы флуоресцентный отклик и генерация активных форм кислорода в зависимости от толщины покрытия. В рамках клеточных испытаний проведены тесты на темновую цитотоксичность, фототоксичность и внутриклеточную генерацию активных форм кислорода с использованием люминесцентной микроскопии и МТТ-тестов. На основе полученных данных показано, что варьирование расстояния между золотым ядром и фотоактивной молекулой влияет на её фотофизические свойства. В гибридных структурах с наночастицами без полимерного покрытия выявлено усиление генерации активных форм кислорода в сравнении со свободными молекулами порфирина. В системах с 4 слоями покрытия обнаружен 16-ти кратный рост флуоресцентного отклика порфирина. Обнаруженная зависимость генерации активных форм кислорода от числа слоёв полимера подтверждена испытаниями на клеточной линии HeLa.

One of the most promising areas in modern medicine is theranostics, which uses multimodal agents that increase the efficiency of diagnosis and treatment due to a wider range of applied methods, thus minimizing intervention in the body. Hybrid structures based on noble metal nanoparticles and photosensitizers have high potential for simultaneous bioimaging, photothermal and photodynamic therapy. The purpose of this work is to obtain hybrid structures based on gold nanoparticles and water-soluble meso-tetrakis(N-methyl-4-pyridyl)-porphyrin tetratosylate, study their photophysical properties and evaluate their potential as fluorescence imaging and photodynamic therapy agents. In this work, core-shell structures based on gold nanoparticles and polyelectrolytes with varying coating thickness were obtained and characterized. For hybrid structures nanoparticle – photoactive molecule, the fluorescent response and generation of reactive oxygen species were studied depending on the coating thickness. Cellular tests were carried out on dark cytotoxicity, phototoxicity and intracellular generation of reactive oxygen species using fluorescence microscopy and MTT tests. Based on the data obtained, it is shown that varying the distance between the gold core and the photoactive molecule affects its photophysical properties. In hybrid structures with nanoparticles without a polymer coating, an increase in the generation of reactive oxygen species was revealed in comparison with free porphyrin molecules. In the systems with 4 coating layers, increase in 16 times in the fluorescent response of porphyrin was detected. The discovered dependence of the generation of reactive oxygen species on the number of polymer layers was confirmed by tests on HeLa cell line.