МЕТОДЫ ФОТОНИКИ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПРИЖИВЛЕНИЯ КОЖНЫХ ТРАНСПЛАНТАТОВ

 In this review, based on more than 70 articles of Russian and foreign authors, methods of skin engraftment monitoring are discussed. Main processes occurring in skin on cellular and subcellular levels at different stages of engraftment are considered. Optical methods which allow performing non-invasive analysis of blood vessels, collagen concentration and form of cellular respiration (by NADH fluorescence) are described. Comparative analysis of nuclear and optical methods for engraftment monitoring highly developed and widespread nowadays is presented. The advantages of optical methods includes multifunctionality, usability and clarity of results, safety and low cost. In contrast to X-ray CT, MRI and ultrasound, optical methods can be used in monitoring mode. One of the promising directions for improving quality of engraftment due to antibacterial effect, photodynamic therapy, is described in details. The use of crystalline organic nanophotosensitizers (particularly aluminum phthalocyanine) is shown to be the most promising. The main distinctive feature of its application is that nanoparticles injected into wound surface or contact area of tissue graft are not photoactive until the moment the inflammation starts. The development of method for assessing skin condition by spectroscopic properties of tissue components (using fluorescent dyes and photosensitizers in molecular and nanoforms), which allows analyzing physiological state of skin (degree and rate of engraftment or rejection) and controlling certain biochemical and physiological parameters of a tissue graft or an entire area of affected skin is shown to be crucial.Настоящий обзор, основанный более чем на 70 проанализированных статьях российских и зарубежных авторов, посвящен методам мониторинга состояния трансплантируемых участков кожи. В обзоре рассмотрены основные процессы, происходящие в коже на клеточном и субклеточном уровнях на разных этапах приживления трансплантата. Описаны оптические методы, позволяющие проводить неинвазивный анализ состояния кровеносных сосудов, концентрации коллагена, типа клеточного дыхания (по флуоресценции NADH). Приведена сравнительная таблица ядерных и оптических методов мониторинга состояния приживления трансплантата, наиболее широко развитых и использующихся на сегодняшний день. Отмечено, что преимущество оптических методов заключается в многофункциональности, простоте использования и интерпретации результатов, безопасности, низкой стоимости, а также в возможности использования в режиме мониторинга, в отличие от рентгено-компьютерной томографии, МРТ и УЗИ. Подробно рассмотрено одно из перспективных направлений, используемых для улучшения качества приживления трансплантатов преимущественно за счет антимикробного эффекта – фотодинамическая терапия. Отмечено, что перспективным является использование для фотодинамической терапии кристаллических наночастиц органических фотосенсибилизаторов, в частности фталоцианина алюминия. Основная отличительная особенность их использования заключается в том, что наночастицы, введенные в область раневой поверхности или в контактную область приживляемой ткани или трансплантата, не проявляют фотоактивности до момента начала воспаления. Сделан вывод, что актуальной является задача по разработке метода оценки состояния кожного покрова по спектроскопическим свойствам компонентов тканей (с использованием флуоресцентных красителей и фотосенсибилизаторов в молекулярной и наноформах), который позволит анализировать физиологическое состояние кожного покрова (степень и скорость приживления или отторжения), а также контролировать некоторые биохимические и физиологические параметры трансплантата или всей области поражения кожи

Оптический спектроанализатор с расширенным динамическим диапазоном для фармакокинетических исследований флуоресцирующих препаратов в биотканях

Currently, the most promising method for the study of pharmacokinetics of drugs with fluorescent properties is the spectral-fluorescent method. In this article, we propose an algorithm for expanding the dynamic range of the spectrum analyzer by automatically monitoring the maximum spectral density in the recorded fluorescence spectrum and automatically controlled changes in the accumulation time depending on this value, followed by compensation of the output signal with regard to this change, as well as hardware circuit solutions that allow this algorithm.Testing of LESA-01-"Biospeс" spectrum analyzer, upgraded using the proposed approach, was carried out on photosensitizer dispersions based on tetra-3-phenylthiophthalocyanine hydroxyaluminium of various concentrations (from 0.01 mg/l to 50 mg/l), approximately corresponding to the concentrations realized in the process of studying pharmacokinetics in calibration samples and tissues of experimental animals.The proposed solutions that implement the algorithm for recording fluorescence spectra with automatic change of accumulation time depending on the signal level, ensured a significant expansion of the dynamic range of the spectrum analyzer (up to 3.5 orders of magnitude) and improved accuracy in pharmacokinetic studies.В настоящее время наиболее перспективным методом для исследования фармакокинетики препаратов, обладающих выраженными флуоресцентными свойствами, является спектрально-флуоресцентный метод. В этой статье мы предлагаем алгоритм расширения динамического диапазона спектроанализатора путем автоматического мониторинга максимального значения спектральной плотности в регистрируемом спектре флуоресценции и автоматического контролируемого изменения времени накопления в зависимости от этого значения с последующей компенсацией выходного сигнала с учетом этого изменения, а также схемные решения, позволяющие реализовать этот алгоритм.Тестирование спектроанализатора ЛЭСА-01-«Биоспек», модернизированного с использованием предложенного подхода, проводилось на дисперсиях фотосенсибилизатора на основе тетра-3-фенилтиофталоцианина гидроксиалюминия различной концентрации (от 0,01 мг/л до 50 мг/л), примерно соответствующих концентрациям, реализующихся в процессе исследования фармакокинетики в калибровочных образцах и тканях экспериментальных животных. Предложенные решения, реализующие алгоритм регистрации спектров флуоресценции с автоматическим изменением времени накопления в зависимости от уровня сигнала, обеспечили существенное расширение динамического диапазона спектроанализатора (до 3.5 порядков) и повышение точности при фармакокинетических исследованиях

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОРА ДЛЯ АНТИБАКТЕРИАЛЬНОЙ ФОТОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ НА ОСНОВЕ ЦИКЛОДЕКСТРИНОВОЙ КОМПОЗИЦИИ МЕТИЛОВОГО ЭФИРА 133-N-(N-МЕТИЛНИКОТИНИЛ) БАКТЕРИОПУРПУРИНИМИДА

Cationic bacteriochlorins are promising as antibacterial photosensitizers (PS) for antibacterial photodynamic therapy. Current work is devoted to the study of properties of new nanostructured cationic photosensitizer based on cyclodextrin dispersion of bacteriochlorine derivative – 133-N-(N-methylnicotinyl)-bacteriopurpurinimide methyl ester, for optimization of dispersion composition and selection of time interval between administration of the PS and photodynamic ttherapy of infected septic wounds. Specifics of absorption and fluorescence of PS in dependence of its concentration and proportions of components in dispersion was assessed. Pharmacokinetics and biodistribution of PS were studies in vivo in organs and tissues of intact mice and septic wounds infected with P. аeruginosa or S. aureus. The preliminary studies have shown high efficiency of antimicrobial photodynamic therapy of septic wounds with cyclodextrin dispersion of 133-N-(N-methylnicotinyl)-bacteriopurpurinimide methyl ester. Results of study of absorption and spectral and fluorescence properties of its drug formulation depending on its composition allowed to recommend the use of weight ratio 133-N-(N-methylnicotinyl)bacteriopurpurinimide methyl ester : cyclodextrin about 1:200 and addition of 0,1% Tween 80 to reduce aggregation. The study showed that 133-N-(N-methylnicotinyl)-bacteriopurpurinimide methyl ester was rapidly cleared from mouse blood circulation: more than 70% – for 2 h, 95% – for 1 day, more than 99% – for 6 days. About 98% was cleared from skin and muscles for 6 days. The long-term (up to 24 h) persistence of PS were observed in liver and kidneys, however more than 99% was cleared for 6 days. Thus, it may be supposed that elimination of PS form mice body is through kidneys and liver. After 24 h partial PS aggregation in tissues, particularly in skin and muscles, was observed. Thus, it may be supposed that the reduce of fluorescence intensity after 24 hand later was associated not only with its elimination from body but with its aggregation. Spectral and fluorescence studies showed that 133-N-(Nmethylnicotinyl)-bacteriopurpurinimide methyl ester selectively accumulated in septic wounds, fluorescence contrast was in the range of 3–4. The highest values of concentration and selectivity of its accumulation were achieved at 1.5–3 h after intravenous injection. The irradiation 2 h after injection provided high efficacy of the therapy of septic wounds.Катионные бактериохлорины перспективны как антимикробные фотосенсибилизаторы для антибактериальной фотодинамической терапии. Настоящая работа посвящена изучению свойств нового наноструктурированного катионного фотосенсибилизатора на основе циклодекстриновой дисперсии производного бактериохлорина – метилового эфира 133-N-(N-метилникотинил)бактериопурпуринимида (КБХ), с целью оптимизации состава дисперсии и выбора интервала времени от введения фотосенсибилизатора до проведения фотодинамической терапии инфицированных гнойных ран. Оценены особенности поглощения и флуоресценции фотосенсибилизатора в зависимости от его концентрации и соотношения между компонентами дисперсии. Изучена фармакокинетика и биораспределение фотосенсибилизатора в органах и тканях интактных мышей и гнойных ранах, инфицированных P. аeruginosa или S. aureus. Предварительные исследования показали высокую эффективность антимикробной фотодинамической терапии инфицированных гнойных ран с циклодекстрированной дисперсией КБХ. Проведенные исследования поглощения и спектрально-флуоресцентных свойств его лекарственной формы в зависимости от ее состава позволили рекомендовать использование массового отношения КБХ : циклодекстрин около 1:200 и введение для уменьшения агрегации 0,1% Твин-80. Установлено, что КБХ быстро выводится из кровотока мыши: более 70% – за 2 ч, 95% – за 1 сут , более 99% – за 6 сут. Из кожи и мышц около 98% выводится за 6 сут. Фотосенсибилизатор накапливается и удерживается до 24 ч в печени и почках. Это позволяет предположить, что элиминирование фотосенсибилизатора из организма мышей происходит через почки и печень. Обнаружено, что в тканях, в частности, в коже и мышцах, через 24 ч наблюдается частичная агрегация фотосенсибилизатора. Это позволяет предположить, что уменьшение интенсивности его флуоресценции через 24 и более часа связано не только с его элиминацией из организма, но и с агрегацией. Спектрально-флуоресцентное исследования показали, что КБХ селективно накапливается в инфицированных ранах, флуоресцентная контрастность лежит в пределах 3–4. Наиболее высокие значения концентрации и селективности его накопления в инфицированных ранах были достигнуты через 1,5–3 ч после внутривенного введения. Облучение через 2 ч после введения обеспечило высокую эффективность терапии инфицированных гнойных ран

Optical spectroanalyzer with extended dynamic range for pharmacokinetic investigations of photosensitizers in biotissue

Currently, the most promising method for the study of pharmacokinetics of drugs with fluorescent properties is the spectral-fluorescent method. In this article, we propose an algorithm for expanding the dynamic range of the spectrum analyzer by automatically monitoring the maximum spectral density in the recorded fluorescence spectrum and automatically controlled changes in the accumulation time depending on this value, followed by compensation of the output signal with regard to this change, as well as hardware circuit solutions that allow this algorithm.Testing of LESA-01-"Biospeс" spectrum analyzer, upgraded using the proposed approach, was carried out on photosensitizer dispersions based on tetra-3-phenylthiophthalocyanine hydroxyaluminium of various concentrations (from 0.01 mg/l to 50 mg/l), approximately corresponding to the concentrations realized in the process of studying pharmacokinetics in calibration samples and tissues of experimental animals.The proposed solutions that implement the algorithm for recording fluorescence spectra with automatic change of accumulation time depending on the signal level, ensured a significant expansion of the dynamic range of the spectrum analyzer (up to 3.5 orders of magnitude) and improved accuracy in pharmacokinetic studies

PHOTONIC METHODS FOR QUALITY EVALUATION OF SKIN ENGRAFTMENT

 In this review, based on more than 70 articles of Russian and foreign authors, methods of skin engraftment monitoring are discussed. Main processes occurring in skin on cellular and subcellular levels at different stages of engraftment are considered. Optical methods which allow performing non-invasive analysis of blood vessels, collagen concentration and form of cellular respiration (by NADH fluorescence) are described. Comparative analysis of nuclear and optical methods for engraftment monitoring highly developed and widespread nowadays is presented. The advantages of optical methods includes multifunctionality, usability and clarity of results, safety and low cost. In contrast to X-ray CT, MRI and ultrasound, optical methods can be used in monitoring mode. One of the promising directions for improving quality of engraftment due to antibacterial effect, photodynamic therapy, is described in details. The use of crystalline organic nanophotosensitizers (particularly aluminum phthalocyanine) is shown to be the most promising. The main distinctive feature of its application is that nanoparticles injected into wound surface or contact area of tissue graft are not photoactive until the moment the inflammation starts. The development of method for assessing skin condition by spectroscopic properties of tissue components (using fluorescent dyes and photosensitizers in molecular and nanoforms), which allows analyzing physiological state of skin (degree and rate of engraftment or rejection) and controlling certain biochemical and physiological parameters of a tissue graft or an entire area of affected skin is shown to be crucial.</p

Исследование процессов передачи энергии между редкоземельными ионами и молекулами фотосенсибилизаторов для задач фотодинамической терапии с возбуждением в ИК-диапазоне

Today, photodynamic therapy is one of the most promising minimally invasive methods of treatment of various diseases, including cancer. The main limitation of this method is the insufficient penetration into the tissue of laser radiation used to activate photosensitizer molecules, which makes it difficult to carry out therapy in the treatment of large or deep-seated tumors. In this regard, there is a great interest in the development of new strategies for photodynamic therapy using infrared radiation for excitation, the wavelengths of which fall into the “transparency window” of biological tissues. In this work, it was proposed to use upconversion NaGdF4 :Yb:Er nanoparticles (UCNP), which absorb infrared excitation and serve as a donor that transfers energy to the photosensitizer. Photosens and phthalosens were chosen as the most promising photosensitizers for the study. The aim of this work was to study the energy transfer processes between upconversion nanoparticles doped with rare-earth ions and photosensitizer molecules. in order to excite photosensitizers with IR radiation and carry out photodynamic therapy of deep-seated neoplasms. Using spectroscopic and time-resolved methods, it has been demonstrated that there is an efficient energy transfer between upconversion particles and photosensitizers phthalosens and photosens. The calculated efficiency of energy transfer by the Foerster mechanism was 41% for the UCNP + photosens system and 69% for the UCNP + phthalosens system. It has been experimentally and theoretically proved that there is a binding of photosensitizer molecules with UCNP by means of surfactants, leading to a reduction in the distance between them, due to which effective nonradiative energy transfer is realized. The generation of singlet oxygen by the phthalosens photosensitizer upon excitation by means of energy transfer from UCNP, excited at 980 nm wavelength of, has been demonstrated.На сегодняшний день фотодинамическая терапия (ФДТ) является одним из самых перспективных минимально инвазивных методов лечения различных заболеваний, включая злокачественные новообразования. Основным ограничением применения этой методики является недостаточная проникающая способность в ткань лазерного излучения, используемого для активации молекул фотосенсибилизатора (ФС), что затрудняет проведение терапии при лечении объемных или глубокозалегающих опухолей. В связи с этим наблюдается большой интерес к разработке новых стратегий ФДТ с использованием для возбуждения инфракрасного (ИК) излучения, длины волн которого попадают в «окно прозрачности» биологических тканей. В работе было предложено использовать ап-конверсионные наночастицы (АКНЧ) NaGdF4 :Yb:Er, которые поглощают инфракрасное возбуждение и служат донором, передающим энергию ФС. В качестве наиболее перспективных ФС для исследования были выбраны фотосенс и фталосенс. Исследованы процессы передачи энергии между АКНЧ, легированными редкоземельными ионами, и молекулами ФС для верификации возможности возбуждения ФС ИК-излучением и проведения ФДТ глубокозалегающих новообразований. При помощи спектроскопических и время-разрешенных методов продемонстрировано, что наблюдается эффективная передача энергии между АКНЧ и ФС фталосенс и фотосенс. Расчётная эффективность передачи энергии по механизму Фёрстера составила 41% для системы АКНЧ + фотосенс и 69% для АКНЧ + фталосенс. Экспериментально и теоретически доказано, что наблюдается связывание молекул ФС с АКНЧ посредством поверхностно-активного вещества, приводящее к сокращению расстояния между ними, за счет чего реализуется эффективная безызлучательная передача энергии. Продемонстрирована генерация синглетного кислорода молекулами фталосенса при возбуждении посредством передачи энергии от АКНЧ, возбуждаемых длиной волны 980 нм

STUDY OF PHOTOSENSITIZER FOR ANTIBACTERIAL PHOTODYNAMIC THERAPY BASED ON CYCLODEXTRIN FORMULATION OF 133-N-(N-METHYLNICOTINYL)BACTERIOPURPURINIMIDE METHYL ESTER

Cationic bacteriochlorins are promising as antibacterial photosensitizers (PS) for antibacterial photodynamic therapy. Current work is devoted to the study of properties of new nanostructured cationic photosensitizer based on cyclodextrin dispersion of bacteriochlorine derivative – 133-N-(N-methylnicotinyl)-bacteriopurpurinimide methyl ester, for optimization of dispersion composition and selection of time interval between administration of the PS and photodynamic ttherapy of infected septic wounds. Specifics of absorption and fluorescence of PS in dependence of its concentration and proportions of components in dispersion was assessed. Pharmacokinetics and biodistribution of PS were studies in vivo in organs and tissues of intact mice and septic wounds infected with P. аeruginosa or S. aureus. The preliminary studies have shown high efficiency of antimicrobial photodynamic therapy of septic wounds with cyclodextrin dispersion of 133-N-(N-methylnicotinyl)-bacteriopurpurinimide methyl ester. Results of study of absorption and spectral and fluorescence properties of its drug formulation depending on its composition allowed to recommend the use of weight ratio 133-N-(N-methylnicotinyl)bacteriopurpurinimide methyl ester : cyclodextrin about 1:200 and addition of 0,1% Tween 80 to reduce aggregation. The study showed that 133-N-(N-methylnicotinyl)-bacteriopurpurinimide methyl ester was rapidly cleared from mouse blood circulation: more than 70% – for 2 h, 95% – for 1 day, more than 99% – for 6 days. About 98% was cleared from skin and muscles for 6 days. The long-term (up to 24 h) persistence of PS were observed in liver and kidneys, however more than 99% was cleared for 6 days. Thus, it may be supposed that elimination of PS form mice body is through kidneys and liver. After 24 h partial PS aggregation in tissues, particularly in skin and muscles, was observed. Thus, it may be supposed that the reduce of fluorescence intensity after 24 hand later was associated not only with its elimination from body but with its aggregation. Spectral and fluorescence studies showed that 133-N-(Nmethylnicotinyl)-bacteriopurpurinimide methyl ester selectively accumulated in septic wounds, fluorescence contrast was in the range of 3–4. The highest values of concentration and selectivity of its accumulation were achieved at 1.5–3 h after intravenous injection. The irradiation 2 h after injection provided high efficacy of the therapy of septic wounds

STUDY OF PHOTOSENSITIZER FOR ANTIBACTERIAL PHOTODYNAMIC THERAPY BASED ON CYCLODEXTRIN FORMULATION OF 133-N-(N-METHYLNICOTINYL)BACTERIOPURPURINIMIDE METHYL ESTER

Cationic bacteriochlorins are promising as antibacterial photosensitizers (PS) for antibacterial photodynamic therapy. Current work is devoted to the study of properties of new nanostructured cationic photosensitizer based on cyclodextrin dispersion of bacteriochlorine derivative – 133-N-(N-methylnicotinyl)-bacteriopurpurinimide methyl ester, for optimization of dispersion composition and selection of time interval between administration of the PS and photodynamic ttherapy of infected septic wounds. Specifics of absorption and fluorescence of PS in dependence of its concentration and proportions of components in dispersion was assessed. Pharmacokinetics and biodistribution of PS were studies in vivo in organs and tissues of intact mice and septic wounds infected with P. аeruginosa or S. aureus. The preliminary studies have shown high efficiency of antimicrobial photodynamic therapy of septic wounds with cyclodextrin dispersion of 133-N-(N-methylnicotinyl)-bacteriopurpurinimide methyl ester. Results of study of absorption and spectral and fluorescence properties of its drug formulation depending on its composition allowed to recommend the use of weight ratio 133-N-(N-methylnicotinyl)bacteriopurpurinimide methyl ester : cyclodextrin about 1:200 and addition of 0,1% Tween 80 to reduce aggregation. The study showed that 133-N-(N-methylnicotinyl)-bacteriopurpurinimide methyl ester was rapidly cleared from mouse blood circulation: more than 70% – for 2 h, 95% – for 1 day, more than 99% – for 6 days. About 98% was cleared from skin and muscles for 6 days. The long-term (up to 24 h) persistence of PS were observed in liver and kidneys, however more than 99% was cleared for 6 days. Thus, it may be supposed that elimination of PS form mice body is through kidneys and liver. After 24 h partial PS aggregation in tissues, particularly in skin and muscles, was observed. Thus, it may be supposed that the reduce of fluorescence intensity after 24 hand later was associated not only with its elimination from body but with its aggregation. Spectral and fluorescence studies showed that 133-N-(Nmethylnicotinyl)-bacteriopurpurinimide methyl ester selectively accumulated in septic wounds, fluorescence contrast was in the range of 3–4. The highest values of concentration and selectivity of its accumulation were achieved at 1.5–3 h after intravenous injection. The irradiation 2 h after injection provided high efficacy of the therapy of septic wounds