Erhöhte ROS-Generierung durch GdVO₄:Eu³⁺ Nanopartikel und Methylenblau-Komplexe unter UV-Vis und Röntgenbestrahlung

Zusammenfassung

Diese Studie untersucht die Generierung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) in wässrigen Lösungen mit Gadoliniumorthovanadat GdVO₄:Eu³⁺ Nanopartikeln (VNPs) und ihren Komplexen mit Methylenblau (MB). Mittels konjugierter Dienbildung, Hydroxylradikal-Detektion mit Cumarin und Singulett-Sauerstoff-Überwachung via ADPA verglichen wir ROS-Produktion unter UV-Vis und Röntgenbestrahlung. VNPs-MB-Komplexe produzierten hohe Mengen an Hydroxylradikalen und Singulett-Sauerstoff bei UV-Vis-Beleuchtung, aufgrund effizienter nicht-strahlender Energieübertragung von VNPs zu MB. Im Gegensatz dazu scavengten VNPs unter Röntgenbestrahlung Hydroxylradikale, eine neuartige Beobachtung für diese Materialklasse. Diese Befunde legen nahe, dass VNPs-MB-Komplexe als effektive Agenten für Röntgen-induzierte photodynamische Therapie dienen könnten.

Hintergrund

Strahlentherapie (RT) behandelt etwa die Hälfte aller Krebspatienten und beruht weitgehend auf indirekter DNA-Schädigung vermittelt durch ROS, die während der Wasserradiolyse generiert werden. Hoch-Z-Nanopartikel (Au, Ag, Hf, Gd, Ti) und Halbleiter-Nanopartikel (TiO₂, ZnO, CuO, CeO₂, Al₂O₃, ZnS) verbessern RT durch Verstärkung der ROS-Produktion via photoelektrischer und Compton-Wechselwirkungen. Ähnlich generieren Halbleiter-Nanopartikel ROS unter UV-Bestrahlung durch Ladungsträgertrennung: Löcher oxidieren Wasser zu Hydroxylradikalen, während Elektronen Sauerstoff zu Superoxid reduzieren, das weiter Singulett-Sauerstoff bilden kann. Szintillierende Nanopartikel können auch Röntgen-induzierte Energie an Photosensibilisatoren übertragen, was tiefe-Gewebe photodynamische Therapie (PDT) ermöglicht. Vorherige Arbeiten demonstrierten, dass GdVO₄:Eu³⁺ Nanopartikel (VNPs) Anregungsenergie an Methylenblau übertragen können, was Potenzial als Röntgen-aktivierte PDT-Agenten suggeriert.

Experimentell

Chemikalien

Alle Reagenzien waren analytischer Grad; GdCl₃·6H₂O, EuCl₃·6H₂O, NaVO₃ und Methylenblau (MW = 373,90 g mol⁻¹) wurden ohne weitere Reinigung verwendet.

Synthese von GdVO₄:Eu³⁺ Nanopartikeln

Gd₀.₉Eu₀.₁VO₄ Kolloide wurden durch Co-Fällung von GdCl₃, EuCl₃, EDTA und Na₃VO₄ unter Reflux (100 °C, 24 h) hergestellt. Die resultierende Dispersion wurde dialysiert (MWCO 12 kDa) für 24 h zur Entfernung überschüssiger Ionen.

Charakterisierung

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) offenbarte spindelförmige VNPs (8 × 25 ± 5 nm). Dynamische Lichtstreuung ergab einen durchschnittlichen hydrodynamischen Durchmesser von 44 ± 0,3 nm. Zeta-Potenzial war –18,75 ± 0,15 mV bei pH 7,8, reflektierend EDTA-Oberflächenkappung. UV-Vis-Absorption zeigte ein breites Band (250–350 nm) von O→V Ladungstransfer und ein rotverschobenes Eu³⁺ Emissionsband. Tauc-Analyse ergab eine Bandlücke von 4,13 eV, höher als für größere Partikelpulver berichtet, was Quanteneffekte anzeigt.

Herstellung von VNPs-MB Komplexen

MB (10 µM) wurde mit VNPs (0,1–10 mg mL⁻¹) in wässriger Lösung gemischt, 1 h gerührt, und der resultierende Komplex hatte eine oberflächengebundene MB-Konzentration von 10 µM.

ROS-Detektionsmethoden

Konjugiertes-Dien-Test: PC-Liposome (1,2 mmol L⁻¹) wurden durch ROS oxidiert, überwacht bei 234 nm nach 30 min UV-Bestrahlung (310–400 nm, 43 W cm⁻²).

Hydroxylradikal-Assay: Cumarin (0,1 mmol L⁻¹) wurde mit 325 nm Laser (1 h) oder 30 kV Röntgenstrahlen (30 min) bestrahlt. Fluoreszenz von 7-Hydroxycumarin (λ_max ≈ 460 nm) quantifizierte OH•.

Singulett-Sauerstoff-Assay: ADPA (10 µM) Fluoreszenz (Anregung 378 nm) wurde durch Singulett-Sauerstoff gequencht, generiert unter 457 nm Laser-Bestrahlung (50 mW, 30 min).

Ergebnisse und Diskussion

VNPs Charakterisierung

Spindelförmige VNPs weisen eine tetragonale Zirkon-Struktur (XRD) auf. Ihre kleine Größe führt zu einer blauverschobenen Absorptionskante, was die gemessene 4,13 eV Bandlücke erklärt.

ROS-Generierung unter UV-Vis

Konjugierte Dienbildung war am größten in VNPs-MB-Komplexen, gefolgt von VNPs allein, MB allein und Kontrolle. Diese Hierarchie reflektiert: (1) VNP-getriebene Hydroxyl- und Singulett-Sauerstoff-Produktion; (2) MB-vermittelte Singulett-Sauerstoff-Generierung; und (3) synergistischen Energieübertragung von VNPs zu MB im Komplex. Hydroxylradikal-Assays bestätigten, dass VNPs allein signifikante OH• unter UV generieren, während VNPs-MB-Komplexe etwa die Hälfte dieser Menge produzieren, wahrscheinlich aufgrund von MBs Adsorption, die Oberflächenwasser abschirmt und Elektron-Loch-Rekombination Richtung MB-Anregung umlenkt. Singulett-Sauerstoff-Assays zeigten eine zweifache Erhöhung der ADPA-Quenching für VNPs-MB-Komplexe versus MB oder VNPs allein, was effizienten Energieübertrag bestätigt.

ROS-Generierung unter Röntgenbestrahlung

Im Gegensatz zu UV führte Röntgenbestrahlung zu reduzierter 7-Hydroxycumarin-Fluoreszenz für VNP-Lösungen, was Scavenging von OH• durch VNPs anzeigt. Dieser Effekt intensivierte sich mit höheren VNP-Konzentrationen und stellt den ersten Bericht dar, dass GdVO₄:Eu³⁺ Nanopartikel als ROS-Quencher unter Röntgenbedingungen wirken. Der zugrundeliegende Mechanismus könnte Elektroneneinfang durch VNPs oder oberflächenvermittelte Radikalneutralisation umfassen, analog zum bekannten Verhalten von CeO₂-Nanopartikeln.

Fazit

GdVO₄:Eu³⁺ Nanopartikel und ihre Methylenblau-Komplexe zeigen ausgeprägte ROS-Produktion unter UV-Vis-Bestrahlung, kombinierend Hydroxylradikal- und Singulett-Sauerstoff-Pfade. Unter Röntgenbestrahlung scavengen VNPs einzigartig Hydroxylradikale. Diese dualen Fähigkeiten positionieren VNPs-MB-Komplexe als vielversprechende Kandidaten für Röntgen-aktivierte photodynamische Therapie.

Abkürzungen

• MB – Methylenblau
• PS – Photosensibilisator
• ROS – Reaktive Sauerstoffspezies
• VNPs – GdVO₄:Eu³⁺ Nanopartikel