Verbeterde reactieve zuurstofsoort generatie door GdVO₄:Eu³⁺ nanopartikelen en methylene blauw complexen onder UV-Vis en X-straling bestraling

Samenvatting

Deze studie onderzoekt de generatie van reactieve zuurstofsoorten (ROS) in aqueuze oplossingen bevattende gadolinium orthovanaat GdVO₄:Eu³⁺ nanopartikelen (VNP's) en hun complexen met methylene blauw (MB). Gebruikmakend van geconjugeerde-diene vorming, hydroxyradicaal detectie met coumarine, en singletoxygen monitoring via ADPA, vergelijken we ROS productie onder UV-Vis en X-straling bestraling. VNP-MB complexen produceerden hoge niveaus van hydroxyradicalen en singletoxygen bij verlichting met UV-Vis licht, dankzij efficiënte non-radiatieve energieoverdracht van VNP's naar MB. In tegenstelling, onder X-straling blootstelling, maakten VNP's hydroxyradicalen onschadelijk, een nieuwe observatie voor deze materiaalklasse. Deze bevindingen suggereren dat VNP-MB complexen effectieve agenten kunnen dienen voor X-straling-geïnduceerde fotodynamische therapie.

Achtergrond

Stralingstherapie (RT) behandelt ongeveer de helft van alle kankerpatiënten, in grote mate staande op indirecte DNA-schade gemedieerd door ROS gegenereerd tijdens water radiolyse. Hoog-atoomnummer nanopartikelen (Au, Ag, Hf, Gd, Ti) en halfgeleider nanopartikelen (TiO₂, ZnO, CuO, CeO₂, Al₂O₃, ZnS) versterken RT door ROS productie te versterken via foto-elektrische en Compton interacties. Op dezelfde manier genereren halfgeleider nanopartikelen ROS onder UV bestraling door ladingsoverheiding-scheiding: gaten oxideren water om hydroxyradicalen te produceren, terwijl elektronen zuurstof reduceren tot superoxide, wat verder singletoxygen kan vormen. Scintillerende nanopartikelen kunnen ook X-straling-geïnduceerde energie overbrengen naar fotosensitizers, wat diep-weefsel fotodynamische therapie (PDT) mogelijk maakt. Eerder werk toonde aan dat GdVO₄:Eu³⁺ nanopartikelen (VNP's) excitatie-energie kunnen overbrengen naar methylene blauw, wat potentieel suggereert als X-straling-geactiveerde PDT agenten.

Experimenteel

Chemicaliën

Alle reagentia waren analytische graad; GdCl₃·6H₂O, EuCl₃·6H₂O, NaVO₃, en methylene blauw (MW = 373,90 g mol⁻¹) werden zonder verdere zuivering gebruikt.

Synthese van GdVO₄:Eu³⁺ Nanopartikelen

Gd₀,₉Eu₀,₁VO₄ colloïden werden bereid door co-precipitatie van GdCl₃, EuCl₃, EDTA, en Na₃VO₄ onder reflux (100 °C, 24 u). De resulterende dispersie werd gedialyseerd (MWCO 12 kDa) voor 24 u om overtollige ionen te verwijderen.

Karakterisatie

Transmissie elektronenmicroscopie (TEM) onthulde spindel-vormige VNP's (8 × 25 ± 5 nm). Dynamische lichtverstrooiing gaf een gemiddelde hydrodynamische diameter van 44 ± 0,3 nm. Zeta-potentiaal was –18,75 ± 0,15 mV bij pH 7,8, reflecterend EDTA oppervlakte capping. UV-Vis absorptie toonde een brede band (250–350 nm) van O→V ladingsoverdracht en een roodverschuigde Eu³⁺ emissieband. Tauc analyse leverde een bandgap van 4,13 eV op, hoger dan gerapporteerd voor grotere deeltjespoeders, wat quantum-grootte effecten aangeeft.

Bereiding van VNP-MB Complexen

MB (10 µM) werd gemengd met VNP's (0,1–10 mg mL⁻¹) in aqueuze oplossing, 1 u geroerd, en het resulterende complex had een oppervlakte-gebonden MB concentratie van 10 µM.

ROS Detectiemethoden

Geconjugeerde-Diene Test: PC liposomen (1,2 mmol L⁻¹) werden geoxideerd door ROS, gemonitord bij 234 nm na 30 min UV verlichting (310–400 nm, 43 W cm⁻²).

Hydroxyradicaal Assay: Coumarine (0,1 mmol L⁻¹) werd bestraald met 325 nm laser (1 u) of 30 kV X-stralen (30 min). Fluorescentie van 7-hydroxycoumarine (λ_max ≈ 460 nm) kwantificeerde OH•.

Singletoxygen Assay: ADPA (10 µM) fluorescentie (excitatiе 378 nm) werd gekwist door singletoxygen gegenereerd onder 457 nm laser verlichting (50 mW, 30 min).

Resultaten en discussie

VNP Karakterisatie

Spindel-vormige VNP's vertonen een tetragonale zircon structuur (XRD). Hun kleine grootte leidt tot een blauwverschuigde absorptierand, wat de gemeten 4,13 eV bandgap verklaart.

ROS Generatie onder UV-Vis

Geconjugeerde-diene vorming was het grootst in VNP-MB complexen, gevolgd door VNP's alleen, MB alleen, en controle. Deze hiërarchie reflecteert: (1) VNP-gedreven hydroxyradicaal en singletoxygen productie; (2) MB-gemedieerde singletoxygen generatie; en (3) synergistische energieoverdracht van VNP's naar MB in het complex. Hydroxyradicaal assays bevestigden dat VNP's alleen significante OH• genereren onder UV, terwijl VNP-MB complexen ongeveer de helft van dat bedrag produceren, waarschijnlijk door MB's adsorptie die oppervlaktewater schermt en elektronen-gaat recombinatie afleidt naar MB excitatie. Singletoxygen assays toonden een tweevoudige toename in ADPA kwisting voor VNP-MB complexen versus MB of VNP's alleen, wat efficiënte energieoverdracht bevestigt.

ROS Generatie onder X-straling Bestraling

In tegenspraak met UV, resulteerde X-straling blootstelling in verminderde 7-hydroxycoumarine fluorescentie voor VNP oplossingen, wat scherming van OH• door VNP's aangeeft. Dit effect versterkte met hogere VNP concentraties en vertegenwoordigt de eerste rapportage van GdVO₄:Eu³⁺ nanopartikelen die fungeren als ROS kwisters onder X-straling condities. Het onderliggende mechanisme kan elektronenopname door VNP's of oppervlakte-gemedieerde radicaal neutralisatie omvatten, analoog aan het bekende gedrag van CeO₂ nanopartikelen.

Conclusies

GdVO₄:Eu³⁺ nanopartikelen en hun methylene blauw complexen vertonen uitgesproken ROS productie onder UV-Vis bestraling, hydroxyradicaal en singletoxygen paden combineren. Onder X-straling blootstelling, schermen VNP's uniek hydroxyradicalen. Deze dubbele capaciteiten positioneren VNP-MB complexen als veelbelovende kandidaten voor X-straling-geactiveerde fotodynamische therapie.

Afkortingen

• MB – Methylene Blauw
• PS – Fotosensitizer
• ROS – Reactieve Zuurstofsoorten
• VNP's – GdVO₄:Eu³⁺ Nanopartikelen