Усиленная генерация реактивных форм кислорода наночастицами GdVO₄:Eu³⁺ и комплексами с меттиленовым синим под UV-Vis и рентгеновским облучением

Аннотация

Это исследование исследует генерацию реактивных форм кислорода (РФК) в водных растворах, содержащих наночастицы гадолиния ортоваганата GdVO₄:Eu³⁺ (VNPs) и их комплексы с меттиленовым синим (MB). Используя образование конъюгированных диенов, детекцию гидроксильных радикалов кумарином и мониторинг одиночного кислорода через ADPA, мы сравнили производство РФК под UV-Vis и рентгеновским облучением. Комплексы VNPs-MB производили высокие уровни гидроксильных радикалов и одиночного кислорода при освещении UV-Vis светом благодаря эффективному нерадиационному передаче энергии от VNPs к MB. В противовес, под рентгеновским воздействием VNPs поглощали гидроксильные радикалы — новое наблюдение для этого класса материалов. Эти находки предполагают, что комплексы VNPs-MB могут служить эффективными агентами для рентгеновски-индуцированной фотодинамической терапии.

Введение

Лучевая терапия (ЛТ) лечит примерно половину всех онкологических больных, полагаясь в основном на непрямое повреждение ДНК, опосредованное РФК, генерируемыми при радиолизе воды. Наночастицы с высоким атомным номером (Au, Ag, Hf, Gd, Ti) и полупроводниковые наночастицы (TiO₂, ZnO, CuO, CeO₂, Al₂O₃, ZnS) усиливают ЛТ, усиливая производство РФК через фотоэлектрические и Комптоновские взаимодействия. Аналогично, полупроводниковые наночастицы генерируют РФК под UV облучением через разделение зарядов: дыры окисляют воду до гидроксильных радикалов, а электроны восстанавливают кислород до супероксида, который может далее формировать одиночный кислород.цинтиллирующие наночастицы также могут передавать рентгеновски-индуцированную энергию фотосенсибилизаторам, позволяя глубокотканевую фотодинамическую терапию (ФДТ). Предыдущая работа демонстрировала, что наночастицы GdVO₄:Eu³⁺ (VNPs) могут передавать возбуждающую энергию меттиленовому синему, предполагая потенциал как рентгеновски-активированных агентов ФДТ.

Экспериментальная часть

Реактивы

Все реактивы аналитического чистоты; GdCl₃·6H₂O, EuCl₃·6H₂O, NaVO₃ и меттиленовый синий (ММ = 373,90 г/моль) использовались без дополнительной очистки.

Синтез наночастиц GdVO₄:Eu³⁺

Коллоиды Gd₀.₉Eu₀.₁VO₄ получали ко-преципитацией GdCl₃, EuCl₃, EDTA и Na₃VO₄ под рефлюксом (100 °C, 24 ч). Полученную дисперсию диализировали (MWCO 12 кДа) 24 ч для удаления избыточных ионов.

Характеризация

Проходная электронная микроскопия (TEM) раскрыла иголообразные VNPs (8 × 25 ± 5 нм). Динамическое рассеяние света дало средний гидродинамический диаметр 44 ± 0,3 нм. Зета-потенциал был –18,75 ± 0,15 мВ при pH 7,8, отражая поверхностное каппирование EDTA. UV-Vis абсорбция показала широкую полосу (250–350 нм) от зарядопередачи O→V и красно-смещенную полосу эмиссии Eu³⁺. Анализ Таука дал запрещенную зону 4,13 эВ, выше сообщаемой для более крупных порошков, указывая на квантово-размерные эффекты.

Подготовка комплексов VNPs-MB

MB (10 мкМ) смешивали с VNPs (0,1–10 мг/мл) в водном растворе, мешали 1 ч, и получившийся комплекс имел поверхностно-связанную концентрацию MB 10 мкМ.

Методы детекции РФК

Тест конъюгированных диенов: PC липосомы (1,2 ммоль/л) окислялись РФК, мониторились при 234 нм после 30 мин UV облучения (310–400 нм, 43 Вт/см²).

Анализ гидроксильных радикалов: Кумарин (0,1 ммоль/л) облучали 325 нм лазером (1 ч) или 30 кВ рентгеновскими лучами (30 мин). Флуоресценция 7-гидроксикумарина (λ_макс ≈ 460 нм) квантифицировала OH•.

Анализ одиночного кислорода: ADPA (10 мкМ) флуоресценция (возбуждение 378 нм) гасилась одиночным кислородом, генерируемым под 457 нм лазером (50 мВт, 30 мин).

Результаты и обсуждение

Характеризация VNPs

Иголообразные VNPs демонстрируют тетрагональную цирконовую структуру (XRD). Их малый размер приводит к синему смещению поглощения, объясняя измеренную запрещенную зону 4,13 эВ.

Генерация РФК под UV-Vis

Образование конъюгированных диенов было наибольшим в комплексах VNPs-MB, за ними следовали VNPs в одиночку, MB в одиночку и контроль. Эта иерархия отражает: (1) VNP-драйвируемое производство гидроксильных радикалов и одиночного кислорода; (2) MB-опосредованную генерацию одиночного кислорода; и (3) синергетическую передачу энергии от VNPs к MB в комплексе. Анализ гидроксильных радикалов подтвердил, что VNPs в одиночку генерируют значительные OH• под UV, тогда как комплексы VNPs-MB производят примерно половину этого количества, вероятно, из-за адсорбции MB, экранирующей поверхностную воду и перенаправляющей рекомбинацию электрон-дырку к возбуждению MB. Анализ одиночного кислорода показал двукратное увеличение гашения ADPA для комплексов VNPs-MB против MB или VNPs в одиночку, подтверждая эффективную передачу энергии.

Генерация РФК под рентгеновским облучением

Вопреки UV, рентгеновское воздействие привело к снижению флуоресценции 7-гидроксикумарина для растворов VNP, указывая на поглощение OH• VNPs. Этот эффект усиливался с более высокими концентрациями VNP и представляет первый случай GdVO₄:Eu³⁺ наночастиц, действующих как кленчеры РФК под рентгеновскими условиями. Базовый механизм может включать захват электронов VNPs или поверхностно-опосредованную нейтрализацию радикалов, аналогично известному поведению CeO₂ наночастиц.

Заключение

Наночастицы GdVO₄:Eu³⁺ и их комплексы с меттиленовым синим демонстрируют выраженное производство РФК под UV-Vis облучением, комбинируя пути гидроксильного радикала и одиночного кислорода. Под рентгеновским воздействием VNPs уникально поглощают гидроксильные радикалы. Эти двойные возможности позиционируют комплексы VNPs-MB как перспективных кандидатов для рентгеновски-активированной фотодинамической терапии.

Аббревиатуры

• MB – Меттиленовый синий
• PS – Фотосенсибилизатор
• ROS – Реактивные формы кислорода
• VNPs – Наночастицы GdVO₄:Eu³⁺