Результат интеллектуальной деятельности: Биомедицинский материал для диагностики патологий в биологических тканях

Изобретение относится к области медицины, а именно к способу диагностики патологий в биологических тканях, в частности при онкологических заболеваниях.

Известен апконверсионный люминофор на основе фторапатита, допированного иттербием и гольмием, состава (CaYbHoNa₂)(PO₄)₆F₂, который потенциально может найти применение в биомедицине. При этом используется процесс апконверсионной фотолюминесценции для визуализации клеток путем фиксации их люминесценции после проникновения в них кристаллов фторапатита. При возбуждении ИК-излучением с длиной волны 980 нм кристаллы, в основном, проявляют две полосы люминесценции близкой интенсивности: зеленую полосу с центром при 543 нм и красную при 654 нм. Для визуализации клетки используют гидрофильный раствор декстрана с целью прививки кристаллов фторапатита (Xiyu Li, Jingxian Zhu, Zhentao Man, Yingfang Ao, Haifeng Chen. Investigation on the structure and upconversion fluorescence of Yb³⁺/Ho³⁺ co-doped fluorapatite crystals for applications //SCIENTIFIC REPORTS | 4 : 4446 | DOI: 10.1038/srep04446).

Недостатком известного материала является наличие двух полос люминесценции (зеленой и красной), что ухудшает идентификацию биоизображений.

Известен материал на основе апконверсионного люминофора, модифицированного цистеином, состава NaYF₄, допированного иттербием и эрбием или иттербием и туллием. Спектр наночастиц в культуральном растворе (возбуждение излучением с длиной волны 980 нм) состоит из красной компоненты (630 - 680 нм) и зеленой (525 - 560 нм). При этом отношение интенсивности красной компоненты к интенсивности зеленой компоненты составляет 1200 – 1300 % (Appl. CN 103540311; МПК B82Y 20/00, 30/00, 40/00; C09K 11/02, 85; G01N 21/64; 2014 год) (прототип).

Однако недостатком известного материала является недостаточно большая разница между интенсивностью красной и зеленой компонентами, что ухудшает визуализацию патологий в биологических тканях, в частности опухолевых новообразований.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать биомедицинский материал на основе апконверсионного люминофора, имеющего высокую интенсивность свечения преимущественно красного цвета при возбуждении излучением 980 нм.

Поставленная задача решена в предлагаемом биомедицинском материале для диагностики патологий в биологических тканях, содержащем наноразмерный апконверсионный люминофор и органическую добавку, который содержит в качестве апконверсионного люминофора наноаморфный сложный силикат редкоземельных элементов состава Sr₂Y_6,8YbEr_0,2Si₆O₂₆, а в качестве органической добавки – демитилглицеролаты кремния состава (CH₃)₂Si(C₃H₇O₃)₂∙ xC₃H₈O₃, где 0,25 ≤ х ≤ 0,40, при следующем соотношении, мас.%:

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен биомедицинский материал для диагностики патологий в биологических тканях, содержащий наноаморфный апконверсионный люминофор состава Sr₂Y_6,8YbEr_0,2Si₆O₂₆, а в качестве органической добавки – демитилглицеролаты кремния состава (CH₃)₂Si(C₃H₇O₃)₂∙ xC₃H₈O₃, где 0,25 ≤ х ≤ 0,40, в предлагаемом диапазоне соотношения компонентов.

В состав предлагаемого биомедицинского материала входит апконверсионный люминофор состава Sr₂Y_6,8YbEr_0,2Si₆O₂₆ в наноаморфном состоянии с частицами размером 2.6-5.0 нм (патент RU 2626020), исследования, проведенные авторами, показали его хорошую фармакологическую и физико-химическую совместимость с органической добавкой - демитилглицеролатами кремния состава (CH₃)₂Si(C₃H₇O₃)₂∙ xC₃H₈O₃(патент RU 2415144), которые благодаря наличию высокой трансдермальной проводимости обеспечивают эффективный перенос активного вещества (апконверсионного люминофора) в область патологии. Демитилглицеролаты кремния представляют собой прозрачную бесцветную вязкую жидкость, относящуюся к малотоксичным соединениям (IV класс опасности), обладающие высокой биосовместимостью с клетками, отсутствием цитотоксичности, легко пенетрируют в ткани организма. Однако, исходя из известного уровня техники, нельзя с очевидностью утверждать о возможности их использования в качестве основы в средстве, содержащем в качестве активно действующего вещества апконверсионного люминофора состава Sr₂Y_6,8YbEr_0,2Si₆O₂₆. Исследования, проведенные авторами, позволили выявить при использовании предлагаемого биомедицинского материала возможность получения синергетического, а не аддитивного эффекта. Поскольку в апконверсионном нанолюминофоре состава Sr₂Y_6,8YbEr_0,2Si₆O₂₆ происходят нелинейные процессы возбуждения свечения, при этом при прохождении лазерного излучения через органическую среду происходит небольшое уменьшение его мощности. В результате из-за нелинейности процессов возбуждения нанолюминофора наблюдается уменьшение интенсивности зеленой компоненты и относительное увеличение интенсивности красной, и, как следствие, увеличивается отношение интенсивности красной компоненты к интенсивности зеленой компоненты. Экспериментальным путем были установлены пределы количественного содержания компонентов, обеспечивающие проявление максимального эффекта визуализации. Так, при увеличении содержания апконверсионного люминофора более 10 мас.% наблюдается его выпадение в осадок. При уменьшении содержания апконверсионного люминофора менее 8.5 мас.% наблюдается уменьшение интенсивности и увеличение полуширины спектральной линии красной компоненты. Таким образом, сочетанное действие компонентов предлагаемого биомедицинского материала обеспечивает получение синергетического эффекта, а именно улучшение визуализации патологии органа за счет усиление красной компоненты свечения.

Предлагаемый биомедицинский материал может быть получен следующим образом. Берут наноаморфный порошок с размером частиц 2.6-5.0 нм сложного силиката редкоземельных элементов состава Sr₂Y_6,8YbEr_0,2Si₆O₂₆, помещают во флакон с диметилглицеролатом кремния состава (CH₃)₂Si(C₃H₇O₃)₂∙ xC₃H₈O₃, где 0,25 ≤ х ≤ 0,40, в виде прозрачной бесцветной вязкой жидкости при следующем соотношении компонентов, мас. %: наноаморфный порошок с частицами размером 2.6-5.0 нм состава Sr₂Y_6,8YbEr_0,2Si₆O₂₆ – 8.5 ÷ 10, диметилглицеролаты кремния – остальное до 100, и тщательно перемешивают до получения однородной массы.

Люминесценцию полученного материала возбуждают лазером с длиной волны 980 нм. Спектры люминесценции получают на спектрометре и регистрируют с помощью фотоэлектронного умножителя. Возможность визуализации патологических клеток биологических тканей подтверждена исследованием культурального раствора, содержащего клетки Saos.

Получение и использование предлагаемого биомедицинского материала иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. В стеклянный сосуд помещают 9.0 г диметилглицеролатов кремния состава (CH₃)₂Si(C₃H₇O₃)₂∙ 0.25C₃H₈O (90 мас. %) и 1.0 г (10 масс. %) нанаморфного порошка силиката Sr₂Y_6,8YbEr_0.2Si₆O₂₆ с размером частиц 5.0 нм и тщательно перемешивают до получения однородной массы. Получают средство состава, мас. %:. наноаморфный сложный силикат редкоземельных элементов состава Sr₂Y_6,8YbEr_0,2Si₆O₂₆ – 10; демитилглицеролаты кремния состава (CH₃)₂Si(C₃H₇O₃)₂∙ 0.25C₃H₈O₃ - 90. Затем проверяют апконверсионную фотолюминесценцию. Свечение возбуждают лазером с длиной волны 980 нм. Спектр люминесценции состоит из красного излучения (630 − 680 нм) и зеленого излучения (520 − 570 нм). При этом отношение интенсивности красного излучения к интенсивности зеленого составляет 1600 %.

Пример 2. В стеклянный сосуд помещают 9.15 г диметилглицеролатов кремния состава (CH₃)₂Si(C₃H₇O₃)₂∙ 0.40C₃H₈O (91.5 мас. %) и 0.85 г (8.5 масс. %) нанаморфного порошка силиката Sr₂Y_6,8YbEr_0.2Si₆O₂₆ с размером частиц 4.0 нм и тщательно перемешивают до получения однородной массы. Получают средство состава, мас. %:. наноаморфный сложный силикат редкоземельных элементов состава Sr₂Y_6,8YbEr_0,2Si₆O₂₆ – 8.5; демитилглицеролаты кремния состава (CH₃)₂Si(C₃H₇O₃)₂∙ 0.40C₃H₈O₃ – 91.5. Затем проверяют апконверсионную фотолюминесценцию полученной суспензии. Свечение возбуждают лазером с длиной волны 980 нм. Спектр люминесценции состоит из красного излучения (630 − 680 нм) и зеленого излучения (520 − 570 нм). При этом отношение интенсивности красного излучения к интенсивности зеленого составляет 1400 %.

Пример 3. В культуральный флакон помещают суспензию, содержащую клетки Saos и биомедицинский материал состава в соответствие с примером 1. Полученный суспензию инкубируют при температуре 37 ºС в течение 1 суток после чего отмывают солевым раствором. Затем проверяют фотолюминесценцию клеток. Свечение возбуждают лазером с длиной волны 980 нм. Визуально свечение состоит из красного излучения (630 − 680 нм), что указывает на захват клетками наночастиц активного вещества - сложного силиката состава Sr₂Y_6,8YbEr_0,2Si₆O₂₆,.

Таким образом, авторами предлагается биомедицинский материал для диагностики патологий в биологических тканях, обеспечивающий улучшение визуализации патологических клеток биологической ткани за счет усиления свечения красной компоненты излучения.