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

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.

Взаимосвязь спектроскопических и структурных свойств j-агрегатов индоцианина зеленого

Indocyanine green (ICG), when in free form in a liquid, can form stable nanoparticle structures or colloidal solution, while changing its spectroscopic properties. In the work, the aggregation degree and the average size of nanoparticles depending on the concentration of a colloidal solution of indocyanine green (ICG NPs) in the form of J-aggregates were investigated by various methods based on light scattering. The size of nanoparticles is an important parameter from the point of view of clinical application, because the technique of intravenous administration of drugs, in order to avoid microvascular thrombosis and embolism, provides dosage forms with inclusions of individual molecules or their clusters, not exceeding 500 nm diameter. In turn, small nanoparticles less than 30 nm lead to prolonged circulation of the drug in the body with an increased possibility of permeation into cells of healthy tissue. In the course of studies, it was found that an increase in the concentration of ICG NPs in the solution leads to an increase in the average size of spontaneously formed J-aggregates, which, in turn, leads to a decrease in the absorption coefficient in the aggregates. Presumably, this phenomenon, i.e. the established nonlinear dependence of the J-aggregate absorption on its size, can be explained by the formation of absorption centers on the J-aggregate surface in the form of mobile surface molecules. The threshold range of ICG molecule concentration was determined, at which there is a transition from aggregation with an increase in size with a slow addition of ICG J-aggregate molecules in height to a rapid addition in width.Индоцианин зеленый (ICG), находясь в растворе, способен образовывать стабильные структуры наночастиц или коллоидный раствор, изменяя при этом свои спектроскопические свойства. В работе различными методами, основанными на светорассеянии, были исследованы степень агрегации и средний размер наночастиц в зависимости от концентрации коллоидного раствора наночастиц индоцианина зеленого (ICG NPs) в форме J-агрегатов. Размер наночастиц представляет собой важный параметр с точки зрения клинического применения, так как техника внутривенного введения препаратов, с целью избежания тромбозов микрососудов и эмболии, предусматривает лекарственные формы с включениями, в виде отдельных молекул или их кластеров, не превышающими в диаметре 500 нм. С другой стороны, наночастицы размером менее 30 нм длительно циркулируют в организме и могут проникать в клетки здоровой ткани. В ходе исследований, было установлено, что увеличение концентрации ICG NPs в растворе ведет к увеличению среднего размера спонтанно формируемых J-агрегатов, что в свою очередь ведет к уменьшению коэффициента поглощения в агрегатах. Предположительно, нелинейная зависимость поглощения J-агрегата от его размера, может быть объяснен формированием центров поглощения на поверхности J-агрегата в виде подвижных поверхностных молекул. Был определен пороговый диапазон концентрации молекул ICG, при котором происходит переход от агрегации с увеличением размера с медленным прибавлением молекул J-агрегата ICG в высоту, но с быстрым прибавлением в ширину

Спектрально-люминесцентные свойства наночастиц бактериохлорина и фталоцианина алюминия в качестве поверхностного покрытия имплантов на основе гидроксиапатита

The development and the spectral research of unique coating as crystalline nanoparticles of IR photosensitizers were performed for the creation of hydroxyapatite implants with photobactericidal properties. It has been proved that by the interaction of nanoparticles covering implant with the polar solvent, which simulates the interaction of the implant with the biocomponents in vivo (fast proliferating and with immunocompetent cells), photosensitizers nanoparticles change the spectroscopic properties, becoming fluorescent and phototoxic. Thus, the developed coating based on crystalline photosensitizer nanoparticles with studied specific properties should have antibacterial, anti-inflammatory effect by the photodynamic treatment in the near implant area. This research opens the prospect of the local prevention of inflammatory and autoimmune reactions in the area of implantation. The results of the study suggest a promising this technology in order to create implants with photobactericidal properties.Разработана перспективная технология покрытия поверхности имплантов нанокристаллами фотосенсибилизаторов для придания им фотобактерицидных свойств. В ходе работы было проведено исследование спектрально-люминесцентных свойств покрытий на основе наночастиц фотосенсибилизаторов, поглощающих в ближнем инфракрасном диапазоне спектра: бактериохлорина и фталоцианина алюминия. Было показано, что при взаимодействии с полярным растворителем, что моделирует процесс взаимодействия импланта с биокомпонентами в условиях in vivo (быстро пролиферирующими и иммунокомпетентными клетками), кристаллические наночастицы фотосенсибилизаторов, покрывающие имплант, меняют свои спектроскопические свойства: приобретают способность к фотолюминесценции и становятся фототоксичными. Показана устойчивость разработанного покрытия к вымыванию нанокристаллов во времени. Сделан вывод, что разработанное покрытие на основе кристаллических наночастиц фотосенсибилизаторов будет оказывать антибактериальное и противовоспалительное действие в условиях фотодинамического воздействия в околоимплантационной зоне. Результаты проведенных исследований позволяют считать данную технологию перспективной для создания имплантов с фотобактерицидными свойствами, что открывает перспективу локальной профилактики воспалительных и аутоиммунных реакций в области имплантации

РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЙРОПОРТА ДЛЯ ТЕРАПИИ ГЛИОМЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА

Current paper presents the results of the system development for intracranial implantation aimed on therapy and prevention of brain gliomas relapse. The main property of the system, in prospective,  will be to direct the growth of glioma cells localized in the region  adjacent to the site of the removed tumor along the fi bers towards  the proximal part of the fiber-optic scaffold (neuroport). Such  approach will allow carrying out cells diagnostics by the  photoluminescence signal and provide subsequent destruction of  malignant cells by photodynamic action. Besides, this system could  be used for monitoring the processes occurring in the probed area in order to control the possible relapses. The localization of cells along  the fi ber structures covered with gelatin compound, which is the  source of amino acids during cultivation, was shown during the glioma cells growth dynamics study. Moreover, four different designs of intracranial scaffold models, serving as ports for diagnostic and therapeutic laser radiation delivery, were developed and  successfully tested in the framework of the research. The results  obtained on the rats brain with induced tumors (glioma C6) after  neuroport implantation demonstrate sufficiently intense fluorescence in the tumor bed after intravenous injection of the  nonmetallic sulfonated phthalocyanine based photosensitizer, and a  pronounced photodynamic effect leading to total destruction of the  tumor. In this way, the results of this study open the prospects of creating the neuroport with an internal fi ber structure that focuses the glioma cells growth.В работе представлены результаты разработки системы для внутричерепной имплантации с целью терапии и предотвращения рецидивирования глиом головного. Основное свойство  системы в перспективе будет состоять в том, чтобы направить рост клеток глиомы,  локализованных в области, прилегающей к месту удаленной опухоли, вдоль волокон по  направлению к проксимальной части волоконно-оптического имплантата (нейропорт) с  целью их регистрации по сигналу фотолюминесценции и последующей их деструкции в  результате фотодинамического воздействия. Такое устройство должно обеспечить  мониторинг процессов, происходящих в зондируемой области с целью контроля процессов  рецидивирования. В ходе данного исследования динамики роста клеток глиомы показана  локализация клеток вдоль волоконных структур, покрытых желатином, который является  источником аминокислот при культивировании. Также в ходе работы были разработаны и  успешно апробированы четыре различных конструкции макетов внутричерепных  имплантатов, выполняющие роль портов для доставки диагностического и терапевтического лазерного излучения. Получены на головном мозге крыс с индуцированными опухолями  (глиома С6) после имплантации нейропорта, демонстрирующие достаточно интенсивную  флуоресценцию в ложе опухоли при внутривенном введении фотосенсибилизатора на  основе безметального сульфированного фталоцианина и выраженный фотодинамический  эффект, приведший к тотальному разрушению опухоли. Полученные результаты открывают  перспективы создания нейропорта с внутренней волоконной структурой, фокусирующей рост клеток глиомы

ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ МЕЗО-ТЕТРА(3-ПИРИДИЛ)БАКТЕРИОХЛОРИНА

The results of the study of subcellular distribution of molecular meso-tetra(3-pyridyl)bacteriochlorin nanocrystals proposed as therapeutic agents for photodynamic therapy are represented in the article. Investigations and measurement of spectroscopic properties of molecular crystals of near-infrared photosensitizer were conducted using special device complex based on fiber-optic spectrometer. Investigation and analysis of the pattern of subcellular accumulation of meso-tetra(3-pyridyl)bacteriochlorin in molecular (dimethyl sulfoxide (DMSO) as solvent) and nanocrystalline forms on different cell lines: human monocytes (THP-1), human cervical cancer cells (HeLa) and mouse malignant brain tumor cells (glioma C6). The dynamics of subcellylar accumulation of the agent at concentration of 5 and 10 mg/l was assessed with laser microscope-spectrum analyzer and by confocal microscopy. The study showed that in the course of interaction with cell lines molecular nanocrystals of the agent developed ability to fluorescence. Hence, in the cellular environment meso-tetra(3-pyridyl) bacteriochlorin nanoparticles became phototoxic giving opportunities for their use for fluorescence diagnosis and photodynamic therapy. Specific role of meso-tetra(3-pyridyl)bacteriochlorin in the range of photosensitizers is determined by its spectral characteristics, i.e. absorption and fluorescence in near-infrared band, which allows measuring and affecting on deeper layers of biotissue. Thus, the use of meso-tetra(3-pyridyl)bacteriochlorin nanoparticles as nanophotosensitizers may improve the efficacy of diagnosis and treatment of deep-seated tumors.В настоящей статье представлены результаты исследования внутриклеточного распределения молекулярных нанокристаллов мезотетра(3-пиридил)бактериохлорина, предлагаемых для использования в качестве терапевтических агентов для фотодинамической терапии. Исследования и оценка изменений спектроскопических свойств молекулярных кристаллов фотосенсибилизатора ближнего инфракрасного диапазона были проведены с помощью специального комплекса оборудования, созданного на базе волоконного спектрометра. В рамках работы проведено исследование и анализ характера внутриклеточного накопления мезо-тетра(3-пиридил) бактериохлорина в молекулярной (растворитель диметилсульфоксид) и нанокристаллической формах на различных культурах клеток: моноциты человека (THP-1), клетки рака шейки матки человека (HeLa) и клетки злокачественной опухоли мозга мыши (глиома С6). Оценку динамики внутриклеточного накопления исследуемого препарата в концентрациях 5 и 10 мг/л проводили с помощью лазерного микроскопа-спектроанализатора, а также методом конфокальной микроскопии. В ходе исследования было показано, что при взаимодействии с клеточными культурами молекулярные нанокристаллы исследуемого препарата приобретают способность к флуоресценции, откуда следует, что в клеточном окружении наночастицы мезо-тетра(3-пиридил)бактериохлорина становятся фототоксичными, что открывает перспективы их использования для флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии. Особая роль мезо-тетра(3-пиридил)бактериохлорина в ряду фотосенсибилизаторов обусловлена его спектральными характеристиками, а именно поглощением и флуоресценцией в ближнем инфракрасном диапазоне, что позволяет анализировать и воздействовать на более глубокие слои биоткани. Таким образом, использование наночастиц мезо-тетра(3-пиридил)бактериохлорина в качестве нанофотосенсибилизатора может повысить эффективность диагностики и терапии глубокозалегающих опухолей

Laser microscope-spectrum analyzer for studying intracellular accumulation of near infrared emitting photosensitizers 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. </p

Spectral luminescent properties of bacteriochlorin and aluminum phthalocyanine nanoparticles as hydroxyapatite implant surface coating

The development and the spectral research of unique coating as crystalline nanoparticles of IR photosensitizers were performed for the creation of hydroxyapatite implants with photobactericidal properties. It has been proved that by the interaction of nanoparticles covering implant with the polar solvent, which simulates the interaction of the implant with the biocomponents in vivo (fast proliferating and with immunocompetent cells), photosensitizers nanoparticles change the spectroscopic properties, becoming fluorescent and phototoxic. Thus, the developed coating based on crystalline photosensitizer nanoparticles with studied specific properties should have antibacterial, anti-inflammatory effect by the photodynamic treatment in the near implant area. This research opens the prospect of the local prevention of inflammatory and autoimmune reactions in the area of implantation. The results of the study suggest a promising this technology in order to create implants with photobactericidal properties

STUDY OF SUBCELLULAR DISTRIBUTION OF CRYSTALLINE MESO-TETRA(3-PYRIDYL)BACTERIOCHLORIN NANOPARTICLES

The results of the study of subcellular distribution of molecular meso-tetra(3-pyridyl)bacteriochlorin nanocrystals proposed as therapeutic agents for photodynamic therapy are represented in the article. Investigations and measurement of spectroscopic properties of molecular crystals of near-infrared photosensitizer were conducted using special device complex based on fiber-optic spectrometer. Investigation and analysis of the pattern of subcellular accumulation of meso-tetra(3-pyridyl)bacteriochlorin in molecular (dimethyl sulfoxide (DMSO) as solvent) and nanocrystalline forms on different cell lines: human monocytes (THP-1), human cervical cancer cells (HeLa) and mouse malignant brain tumor cells (glioma C6). The dynamics of subcellylar accumulation of the agent at concentration of 5 and 10 mg/l was assessed with laser microscope-spectrum analyzer and by confocal microscopy. The study showed that in the course of interaction with cell lines molecular nanocrystals of the agent developed ability to fluorescence. Hence, in the cellular environment meso-tetra(3-pyridyl) bacteriochlorin nanoparticles became phototoxic giving opportunities for their use for fluorescence diagnosis and photodynamic therapy. Specific role of meso-tetra(3-pyridyl)bacteriochlorin in the range of photosensitizers is determined by its spectral characteristics, i.e. absorption and fluorescence in near-infrared band, which allows measuring and affecting on deeper layers of biotissue. Thus, the use of meso-tetra(3-pyridyl)bacteriochlorin nanoparticles as nanophotosensitizers may improve the efficacy of diagnosis and treatment of deep-seated tumors.</p

STUDY OF SUBCELLULAR DISTRIBUTION OF CRYSTALLINE MESO-TETRA(3-PYRIDYL)BACTERIOCHLORIN NANOPARTICLES

The results of the study of subcellular distribution of molecular meso-tetra(3-pyridyl)bacteriochlorin nanocrystals proposed as therapeutic agents for photodynamic therapy are represented in the article. Investigations and measurement of spectroscopic properties of molecular crystals of near-infrared photosensitizer were conducted using special device complex based on fiber-optic spectrometer. Investigation and analysis of the pattern of subcellular accumulation of meso-tetra(3-pyridyl)bacteriochlorin in molecular (dimethyl sulfoxide (DMSO) as solvent) and nanocrystalline forms on different cell lines: human monocytes (THP-1), human cervical cancer cells (HeLa) and mouse malignant brain tumor cells (glioma C6). The dynamics of subcellylar accumulation of the agent at concentration of 5 and 10 mg/l was assessed with laser microscope-spectrum analyzer and by confocal microscopy. The study showed that in the course of interaction with cell lines molecular nanocrystals of the agent developed ability to fluorescence. Hence, in the cellular environment meso-tetra(3-pyridyl) bacteriochlorin nanoparticles became phototoxic giving opportunities for their use for fluorescence diagnosis and photodynamic therapy. Specific role of meso-tetra(3-pyridyl)bacteriochlorin in the range of photosensitizers is determined by its spectral characteristics, i.e. absorption and fluorescence in near-infrared band, which allows measuring and affecting on deeper layers of biotissue. Thus, the use of meso-tetra(3-pyridyl)bacteriochlorin nanoparticles as nanophotosensitizers may improve the efficacy of diagnosis and treatment of deep-seated tumors