Aluminium Phthalocyanine Nanoparticles Application for Fluorescent Diagnostics and Photodynamic Therapy in Dentistry

Early diagnosis of tooth-enamel microcracks is of great importance in modern dentistry for caries prevention. It is known that the accumulation of the bacteria in the enamel microcracks can be reason of caries. A promising substance for early diagnostics of the accumulation of pathogenic microflora on the tooth enamel surface is aluminum phthalocyanine (AlPc). It could be observed that AlPc does not fluoresce in the nanoparticles form but in the monomeric molecular form it does. This allows identification of local pathological microflora accumulation within microcracks of the tooth enamel because AlPc nanoparticles (nAlPc) can be activated by pathological microflora. This paper describes the nAlPc application for fluorescent diagnostics (FD) of the enamel surface in vitro. To reduce the time from the beginning of interaction of nAlPc with the microflora to the appearance of nAlPc fluorescence, Protelan MST-35 surfactant was used as an additional activator. For FD in dentistry a model compound with nAlPc, Protelan MST-35 and with the complementary components was prepared. The following components were used as complementary: the methylparaben, carbopol, carboxymethyl cellulose, titanium dioxide, sodium phosphate, sodium saccharin and sorbitol, which are commonly used in toothpastes. Human teeth were used for the investigation of the interaction between nAlPc colloid and the model compound with nAlPc for the detection of microcracks and the areas of accumulation of pathogenic microflora on the enamel surface. Statistical processing of the experimental results showed the effectiveness of the surfactant usage for the additional activation of nAlPc and a reduction in the FD time. The application of nAlPc as a marker will make it possible to detect microcracks of the enamel tooth surface at the earliest stages and the areas of the pathogenic microflora accumulation, which can lead to the development of a caries. Keywords: fluorescent diagnostics, nanoparticles, aluminum phthalocyanine, Protelan MST-35, surfactants, enamel microcracks, tooth enamel

The Method of Light Dose Measurement During Phodinamic Therapy

A new method of light dose monitoring during the photodynamic therapy of abdominal cavity organs was developed. To apply this method specially developed sensors were constructed. For these sensors the temporal and distance dependences of light doses were received and analyzed. It was shown that the light dose from the operating lamp is large enough in laser light field to be taken into account when planning photodynamic therapy. Keywords: PDT, light doses, other source of light in PDT, photodynamic therap

Spectral-optical Properties of Nutrient Coated Optical Fibers for Glioma Cells Growth Orientation

This study is based on the approach of guiding randomly proliferated deep lying brain tumor cells to the external surface where they could be registered and therapeutically affected. Optical fibers coated with nutrient medium (agar) act like neuro-scaffold for tumor cells growth orientation. Research of neuro-scaffold spectral-optical properties was carried out by photodiagnostics method using the model sample: the brain tissue phantom with aluminum phthalocyanine photosensitizer addition. Such neuroscaffolds conduct and allow obtaining optical signal from the deep with high accuracy, comparable to direct measurement ”in contact” with the tissue, that will provide multiple phototheranostics and monitoring of processes occurring in the brain probed area. Keywords: Optical fibers, neuro-scaffold, photodiagnostics (PD), agar (C14H24O9), aluminum phthalocyanine (AlPc

Fiber Optic Devices for Endobiliary Photodynamic Therapy

The aim of the study is to optimize the irradiation procedure during endobiliary photodynamic therapy for patients with cholangiocarcinoma. The studies were performed using fiber-optic light delivery tools in various configurations and using different irradiation power levels. Control of photosensitizer accumulation at the site of therapy was also applied. It is shown that the use of fiber-optic light delivery tools with cylindrical diffusers provides more effective and less painful photodynamic therapy. It is shown that after the injection of the photosensitizer, there is an optimal time for the therapy, when the maximum difference in the accumulation of the photosensitizer in the tumor is observed in comparison with the intact tissue.     Keywords: endobiliary photodynamic therapy, fluorescent diagnostics, fiber-optic light delivery tools, cholangiocarcinom

Аппаратурное и инструментальное обеспечение флюоресцентной диагностики и фотодинамической терапии

The results of hardware and tool development in photodynamic therapy and fluorescence diagnostics performed by the Natural Research Center, A.M. Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences in collaboration with several research and medical institutes are presented. Physical and technical aspects of the problem are mentioned. We describe schemes and the principle of operation of devices which we use with our medical colleagues in clinical and experimental studies. Some results of clinical use of the developed devices and methods are presented. Представлены результаты аппаратных и инструментальных разработок в области фотодинамической терапии и флюоресцентной диагностики, проведенных Центром естественно-научных исследований Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук совместно с другими исследовательскими и медицинскими институтами. Приведены схемы и описаны принципы работы устройств, используемых в клинических и экспериментальных исследованиях. Представлены некоторые результаты использования разработанных устройств в клинической практике.

Scattered and Fluorescent Photon Track Reconstruction in a Biological Tissue

Appropriate analysis of biological tissue deep regions is important for tumor targeting. This paper is concentrated on photons’ paths analysis in such biotissue as brain, because optical probing depth of fluorescent and excitation radiation differs. A method for photon track reconstruction was developed. Images were captured focusing on the transparent wall close and parallel to the source fibres, placed in brain tissue phantoms. The images were processed to reconstruct the photons most probable paths between two fibres. Results were compared with Monte Carlo simulations and diffusion approximation of the radiative transfer equation. It was shown that the excitation radiation optical probing depth is twice more than for the fluorescent photons. The way of fluorescent radiation spreading was discussed. Because of fluorescent and excitation radiation spreads in different ways, and the effective anisotropy factor, geff, was proposed for fluorescent radiation. For the brain tissue phantoms it were found to be 0.62±0.05 and 0.66±0.05 for the irradiation wavelengths 532 nm and 632.8 nm, respectively. These calculations give more accurate information about the tumor location in biotissue. Reconstruction of photon paths allows fluorescent and excitation probing depths determination. The geff can be used as simplified parameter for calculations of fluorescence probing depth

Лазерный микроскоп-спектроанализатор для исследования внутриклеточного накопления фотосенсибилизаторов ближнего инфракрасного диапазона спектра in vitro

Measuring system based on the binocular microscope for analysis of intracellular accumulation of infrared IR photosenstizers allowing to obtain graphic data about state of analyzed objects, location of fluorescence foci and to obtain details of spectral profile of fluorescence emission centers in IR spectral region was developed. According to image of fluorescence signal distribution the location of photosensitizer accumulation in the cell may be detected accurately and the spectrum of fluorescence signal of near IR-range in the targeted point may be obtained. The developed system is quite comprehensive because there is an opportunity to choose technical parameters, operating modes, measuring methods and analysis. The advantage of the developed microscope-spectrum analyzer is an opportunity to focus emission and create high power intensity on the irradiated area by means of laser source with small-angle beam spreading, all this allow to perform ultra-precise operations with cells. Particularly, tunable size of the diaphragm opening in the far field allows to register fluorescence signal on certain cell organoids. By means of developed system the studies of accumulation of the new bacteriochlorine photosensitizers on HeLa cell line were performed. The system allowed to register accumulation of cancer cells with definite sites of selectively accumulated photosensitizer. The sites of fluorescence were the centers of accumulation of bacteriochlorine photosensitizer, this suggests that studied photosensitizer has a tendency for local accumulation in cellular organoids. The authors suggested that the developed system allowed to perform the effective and rapid screening of new photosensitizers, particularly IR bacteriochlorine photosensitizers. Разработан измерительный комплекс на базе бинокулярного микроскопа для анализа внутриклеточного накопления фотосенсибилизаторов ИК-диапазона, который дает возможность получить графическую информацию о состоянии исследуемых объектов, о локализации очагов флуоресценции, а также сведения о спектральном составе флуоресцирующих центров в ИК-области спектра. По картине распределения флуоресцентного сигнала можно точно определить локализацию накопления фотосенсибилизатора внутри клетки и получить спектр флуоресцентного сигнала ближнего ИК-диапазона в заданной точке. Разработанная система достаточно универсальна, поскольку дает возможность выбора технических параметров, режимов работы, методов измерения и анализа. Преимуществом разработанного микроскопа-спектроанализатора является возможность с помощью лазерного источника с малой угловой расходимостью луча сфокусировать излучение и этим создать большую плотность мощности на облучаемом участке, что позволяет проводить сверхтонкие операции на клетках. При этом перестраиваемый размер открытия диафрагмы в дальнем поле позволяет зарегистрировать сигнал флуоресценции на отдельных органеллах клеток. При помощи разработанной системы на клеточной линии HeLa проведены исследования накопления нового фотосенсибилизатора ряда бактериохлоринов. Система позволила зафиксировать скопления раковых клеток с четко выраженными центрами избирательно накопленного фотосенсибилизатора. Очаги флуоресценции представляли собой центры накопления фотосенсибилизатора бактериохлорина, откуда можно сделать вывод, что исследуемый фотосенсибилизатор имеет тенденцию к локальному накоплению внутри органелл клеток. Авторы предполагают, что использование разработанной системы позволит осуществлять эффективный и быстрый скрининг новых фотосенсибилизаторов, в частности ИК-фотосенсибилизаторов бактериохлоринового ряда.

Спектроскопическое исследование метиленового синего in vivo: влияние на оксигенацию тканей и опухолевый метаболизм

Methylene blue (MB) is a promising photosensitizer (PS) for the treatment of pathological neoplasms, since it has both photodynamic activity (under laser irradiation) and redox and catalytic properties (in the absence of light). In the framework of this work, using spectroscopic methods, the effect of intravenous administration of MB on tissue oxygenation of hemoglobin in small animals in vivo in tumor and normal tissues was analyzed. The influence of MB on cell metabolism was analyzed. It has been shown that the use of MB promotes an increase in oxygen consumption by the tumor, and also leads to a shift in metabolism towards oxidative phosphorylation. It was shown that the use of MB contributes to an increase in oxygen consumption by the tumor, and also leads to a shift in metabolism towards oxidative phosphorylation.Метиленовый синий (МС) является перспективным фотосенсибилизатором для терапии патологических новообразований, поскольку обладает как фотодинамической активностью (при лазерном облучении), так и окислительно-восстановительными и каталитическими свойствами (в отсутствии света). В рамках данной работы при помощи спектроскопических методов было проанализировано влияние внутривенного введения МС на тканевую оксигенацию гемоглобина на малых животных in vivo в опухоли и нормальных тканях. Проведен анализ влияния МС на клеточный метаболизм. Показано, что применение МС способствует увеличению потребления кислорода опухолью, а также приводит к сдвигу метаболизма в сторону окислительного фосфорилирования

Разработка метода оценки глубины проникновения этосом с метиленовым синим в кожу при аппликационном применении и фотодинамическим воздействии

A wide range of literature sources report on the potential benefits of transdermal drug delivery. Among these advantages, the following are distinguished – minimal injury, reduction of side effects, and prevention of degradation or metabolism in the gastrointestinal tract or liver. However, transdermal delivery of most molecules often excludes due to the barrier function of the skin, which prevents the penetration of exogenous substances. To overcome this barrier and increase skin absorption, ethosomal complexes use, by means penetration into the deep layers of the skin and/or systemic circulation is possible. This work devotes to the development of a non-invasive method for assessing the depth of penetration by ethosomes with methylene blue (MB) into the skin during application and photodynamic exposure. MB as photosensitizer (PS) was chosen, since there are a sufficient number of publications on its positive effect on the restoration of the cell’s respiratory chain of various organs and therefore the restoration of their metabolism. Besides MB has proven to be an effective PS, destructed pathogenic microbes and viruses, including SARS-CoV-2. However, for more effective Covid-19 therapy and antibiotic-resistant microbial diseases, the penetration of MB into the vascular system of the epidermis or mucous tissue is required. Nowadays, the existing methods for assessing the penetration depth of PS are time consuming and require the use of animal skin or model samples. The LESA-01 BIOSPEC system with specially designed optical adapters that allow assessing the drug fluorescence intensity on skin surface and at a depth of up to 2 mm in the investigation was used.В широком спектре литературных источников сообщается о потенциальных преимуществах трансдермальной доставки лекарственных веществ. Среди данных преимуществ выделяют следующие – минимальная травматичность, снижение побочных эффектов, предотвращение деградации или метаболизма в желудочно-кишечном тракте или печени. Однако трансдермальная доставка большинства молекул часто исключается из-за барьерной функции кожи, которая препятствует проникновению экзогенных веществ. Для преодоления данного барьера и увеличения кожного поглощения могут быть использованы этосомальные комплексы, с помощью которых возможно проникновение в глубокие слои кожи и/или системное кровообращение. Данная работа посвящена разработке неинвазивного метода оценки глубины проникновения этосом с метиленовым синим в кожу при аппликационном применении и фотодинамическом воздействии. Именно метиленовый синий был выбран в качестве фотосенсибилизатора (ФС) в работе, поскольку имеется достаточное количество публикаций о его положительном влиянии на восстановление дыхательной цепи клеток различных органов и, тем самым восстановлении их метаболизма. Кроме того, метиленовый синий проявил себя как эффективный ФС, разрушающий патогенные микробы и вирусы, в том числе вирус SARS-CoV-2. Однако для более эффективной терапии Covid-19 и антибиотикорезистентных микробных заболеваний требуется проникновение метиленовый синий в сосудистую систему эпидермиса или слизистой ткани. На данный момент существующие методы оценки глубины проникновения фотосенсибилизаторов являются трудоёмкими и требуют использования кожи животных или модельных образцов. В работе была использована система ЛЭСА-01 БИОСПЕК со специально разработанными оптическими адапторами, позволяющими оценивать интенсивность флуоресценции препарата на поверхности кожи и на глубине до 2 мм

ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗРЕШЕННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ НА ПРИМЕРЕ ДВУХСЛОЙНЫХ ФАНТОМОВ, СОДЕРЖАЩИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ НАНОЧАСТИЦЫ

The abilities of the optical probe for fluorescence-guided stereotactic biopsy were investigated by means of a multifiber probe under 532 or 632.8 nm excitation. The set of multilayered phantoms representing a border between normal brain-tissue and a tumor with photosensitizer and gold nanoparticles (spheres or stars) in different concentrations were made to investigate the macroscopic parameters observed during the neurosurgical biopsy sample collection by means of the optical probe. These investigantions will allow to define the border of a brain tumor and control the type of tissue being collected by a stereotactic cannula during surgery. The impact of gold nanospheres and gold nanostars added in different concentrations to the bottom-layer of phantom was analyzed by fluorescence quenching or enhancement due to energy transfer between nanoparticles and fluorescent molecules. The results allow determining the tumor border and to make the biopsy uptake more efficient by observing the character of signal change while penetrating a tumor and while going out of it.Исследованы возможности применения зонда для стереотаксической биопсии при флуоресцентной навигации при возбуждении 532 или 632,8 нм. Для исследования макроскопических параметров, наблюдаемых во время забора образцов при стереотаксической биопсии с помощью оптического зонда, был сделан набор полужидких, полутвердых многослойных фантомов, моделирующих границу между нормальной мозговой тканью и опухолью с фотосенсибилизатором и наночастицами золота (сферы и звезды) в различных концентрациях. Было проанализировано влияние золотых наносфер и нанозвезд, добавленных в разных концентрациях к нижнему слою фантома, на усиление флуоресценции за счет переноса энергии между наночастицами и флуоресцентными молекулами. Результаты позволяют определить границу опухоли и повысить эффективность биопсии, наблюдая характер изменения флуоресцентного сигнала при прохождении зонда через опухоль