Rose Bengal Decorated NaYF4:Tb Nanoparticles for Low Dose X-ray-Induced Photodynamic Therapy in Cancer Cells

光动力疗法 活性氧 孟加拉玫瑰 光敏剂 纳米颗粒 化学 材料科学 核化学 光化学 纳米技术 生物化学 有机化学
作者
Debabrata Maiti,Hao Yu,Beob Soo Kim,Mitsuru Naito,Shinichi Yamashita,Hyun Jin Kim,Kanjiro Miyata
出处
期刊:ACS applied bio materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (11): 5477-5486 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsabm.2c00801
摘要

The use of scintillating nanoparticles (ScNPs) in X-ray-induced photodynamic therapy (X-PDT) is a technique for deep tissue-localized tumor therapy with few side effects. ScNPs transfer X-ray-induced energy to photosensitizers, which generate massive amounts of reactive oxygen species (ROS) and kill cancer cells. Here we fabricated rose bengal (RB)-installed, Tb3+-rich NaYF4 nanocrystals (NaYF4:Tb@RB), in which optically inert Y3+ enables highly efficient energy transfer via high amounts of Tb3+ doping. NaYF4:Tb was prepared via solvothermal synthesis to have an average size of 7.6 nm, followed by coating with poly(maleic anhydride-alt-1-octedecene)-poly(ethylene glycol) with a molecular weight of 2000 (C18PMH-PEG2k). Further, RB was covalently conjugated to carboxyl groups generated from PMH on NaYF4:Tb using an ethylenediamine linker. NaYF4:Tb@RB exhibited a hydrodynamic diameter of ∼75 nm with a ζ-potential of -12 mV. NaYF4:Tb@RB efficiently generated ROS in cultured luciferase-expressing murine epithelial breast cancer (4T1-luc) cells under low dose X-ray irradiation (0.5 Gy). The ROS generation amounts of NaYF4:Tb@RB were 1.5-2-fold higher than those of NaGdF4:Tb@RB, in which host nanocrystals were prepared with optically active Gd3+. Flow cytometric and confocal microscopic analyses showed higher intracellular ROS production of NaYF4:Tb@RB, compared to NaYF4:Tb and RB, resulting in higher X-ray-induced DNA damage in cultured 4T1-luc cells. Ultimately, NaYF4:Tb@RB elicited significant cytotoxicity after X-ray irradiation (0.5 Gy), while inducing marginal cytotoxicity without X-ray irradiation. Altogether, this research proposes a promising ScNP design for efficient X-PDT agents that make the better use of incident X-ray energy while causing the fewest side effects.
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