Microfluidic Synthesis of Theranostic Nanoparticles with Near-Infrared Scintillation: Toward Next-Generation Dosimetry in X-ray-Induced Photodynamic Therapy

材料科学 光动力疗法 闪烁 纳米颗粒 单线态氧 纳米技术 辐照 介孔材料 光学 化学 氧气 催化作用 有机化学 探测器 物理 核物理学
作者
Mileni Isikawa,Éder José Guidelli
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (1): 324-336 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acsami.1c20689
摘要

We developed a microfluidic synthesis to grow GdF3:Eu theranostic scintillating nanoparticles to simultaneously monitor the X-ray dose delivered to tumors during treatments with X-ray activated photodynamic therapy (X-PDT). The flow reaction was optimized to enhance scintillation emission from the Eu3+ ions. The as-prepared ∼15 nm rhombohedral-shaped nanoparticles self-assembled into ∼100 nm mesoporous flower-like nanostructures, but the rhombohedral units remained intact and the scintillation spectra unaltered. The conjugation of the ScNPs with multilayers of methylene blue (MB) in a core-shell structure (GdF@MB) resulted in enhanced singlet oxygen (1O2) generation under X-ray irradiation, with maximum 1O2 production for nanoparticles with 4 MB layers (GdF@4MB). High 1O2 yield was further evidenced in cytotoxicity assays, demonstrating complete cell death only for the association of ScNPs with MB and X-rays. Because the scintillating Eu3+ emission at 694 nm is within the therapeutic window and was only partially absorbed by the MB molecules, it was explored for getting in vivo dosimetric information. Using porcine skin and fat to simulate the optical and radiological properties of the human tissues, we showed that the scintillation light can be detected for a tissue layer of ∼16 mm, thick enough to be employed in radiotherapy treatments of breast cancers, for instance. Therefore, the GdF3:Eu ScNPs and the GdF@4MB nanoconjugates are strong candidates for treating cancer with X-PDT while monitoring the treatment and the radiation dose delivered, opening new avenues to develop a next-generation modality of real-time in vivo dosimetry.
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