Трекинг наночастиц NaYF₄:Yb³⁺,Tm³⁺ в живых опухолевых клетках в режиме реального времени

Цель исследования — демонстрация возможности трекинга антистоксовых нанофосфоров (НАФ) состава NaYF₄:Yb,Tm, покрытых полиэтиленимином, в живых опухолевых клетках в режиме реального времени с применением широкопольной микроскопии.

Материалы и методы. В исследовании использованы клетки аденокарциномы молочной железы человека SK-BR-3 и обладающие антистоксовой фотолюминесценцией наночастицы NaYF₄, легированные ионами Yb³⁺ и Tm³⁺. Наночастицы были визуализированы с помощью широкопольного микроскопа при возбуждении на длине волны 975 нм и регистрации сигнала в спектральном диапазоне 420–842 нм. Анализ траектории перемещения НАФ был выполнен путем аппроксимации функции рассеяния точки фотолюминесцентных пятен, соответствующих локализации НАФ, функцией Гаусса и посредством расчета среднеквадратичных перемещений.

Результаты. Наночастицы быстро интернализовались клетками SK-BR-3 и находились в клетках в течение по меньшей мере 12 ч. Зарегистрированы два типа движения частиц: 1 — изотропные случайные пространственные флюктуации с относительно малыми амплитудами и низкой скоростью перемещения и 2 — резкие направленные движения со скоростью до 1,2 мкм/с и суммарным перемещением до десятков микрометров. Зарегистрированные типы движения можно отнести к диффузии в локальной области и внутриклеточному транспорту наночастиц, заключенных в везикулы, соответственно.

Заключение. Трекинг НАФ в клетках аденокарциномы молочной железы человека показал, что наночастицы NaYF₄, легированные ионами Yb³⁺ и Tm³⁺, являются многообещающим агентом для динамического исследования внутриклеточных процессов. Реализованная схема трекинга НАФ обеспечивает длительное наблюдение при сохранении жизнеспособности клеток в течение как минимум нескольких часов. В совокупности практически полное отсутствие клеточной автофлюоресценции и фотообесцвечивания НАФ, низкая инвазивность, высокая скорость получения изображений позволяют рассматривать предлагаемый подход как перспективный для решения различных задач в биомедицинских исследованиях.

1. Kusumi A., Tsunoyama T.A., Hirosawa K.M., Kasai R.S., Fujiwara T.K. Tracking single molecules at work in living cells. Nat Chem Biol 2014; 10(7): 524–532, https://doi.org/10.1038/nchembio.1558.
2. Pinaud F., Clarke S., Sittner A., Dahan M. Probing cellular events, one quantum dot at a time. Nat Methods 2010; 7(4): 275–285, https://doi.org/10.1038/nmeth.1444.
3. Gerion D., Pinaud F., Williams S.C., Parak W.J., Zanchet D., Weiss S., Alivisatos A.P. Synthesis and properties of biocompatible water-soluble silica-coated CdSe/ZnS semiconductor quantum dots. J Phys Chem B 2001; 105(37): 8861–8871, https://doi.org/10.1021/jp0105488.
4. Parak W.J., Boudreau R., Le Gros M., Gerion D., Zanchet D., Micheel C.M., Williams S.C., Alivisatos A.P., Larabell C. Cell motility and metastatic potential studies based on quantum dot imaging of phagokinetic tracks. Adv Mater 2002; 14(12): 882–885, https://doi.org/10.1002/1521-4095(20020618)14:12882::aid-adma8823.0.co;2-y.
5. Dahan M., Levi S., Luccardini C., Rostaing P., Riveau B., Triller A. Diffusion dynamics of glycine receptors revealed by single-quantum dot tracking. Science 2003; 302(5644): 442–445, https://doi.org/10.1126/science.1088525.
6. Lidke D.S., Nagy P., Heintzmann R., Arndt-Jovin D.J., Post J.N., Grecco H.E., Jares-Erijman E.A., Jovin T.M. Quantum dot ligands provide new insights into erbB/HER receptor-mediated signal transduction. Nat Biotechnol 2004; 22(2): 198–203, https://doi.org/10.1038/nbt929.
7. Yao J., Larson D.R., Vishwasrao H.D., Zipfel W.R., Webb W.W. Blinking and nonradiant dark fraction of water-soluble quantum dots in aqueous solution. Proc Natl Acad Sci USA 2005; 102(40): 14284–14289, https://doi.org/10.1073/pnas.0506523102.
8. Nirmal M., Dabbousi B.O., Bawendi M.G., Macklin J.J., Trautman J.K., Harris T.D., Brus L.E. Fluorescence intermittency in single cadmium selenide nanocrystals. Nature 1996; 383(6603): 802–804, https://doi.org/10.1038/383802a0.
9. Chen N., He Y., Su Y.Y., Li X.M., Huang Q., Wang H.F., Zhang X.Z., Tai R.Z., Fan C.H. The cytotoxicity of cadmium-based quantum dots. Biomaterials 2012; 33(5): 1238–1244, https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2011.10.070.
10. Zvyagin A.V., Sreenivasan V.K.A., Goldys E.M., Panchenko V.Y., Deyev S.M. Photoluminescent hybrid inorganic-protein nanostructures for imaging and sensing in vivo and in vitro. Smart Materials Series 2015; p. 245–284, https://doi.org/10.1039/9781782622109-00245.
11. Generalova A.N., Rocheva V.V., Nechaev A.V., Khochenkov D.A., Sholina N.V., Semchishen A., Zubov V.P., Koroleva A.V., Chichkov B.N., Khaydukov E.V. PEG-modified upconversion nanoparticles for in vivo optical imaging of tumors. RSC Advances 2016; 6(36): 30089–30097, https://doi.org/10.1039/c5ra25304g.
12. Deng M.L., Ma Y.X., Huang S., Hu G.F., Wang L.Y. Monodisperse upconversion NaYF4 nanocrystals: syntheses and bioapplications. Nano Research 2011; 4(7): 685–694, https://doi.org/10.1007/s12274-011-0124-y.
13. Park Y.I., Kim J.H., Lee K.T., Jeon K.-S., Na H.B., Yu J.H., Kim H.M., Lee N., Choi S.H., Baik S.I., Kim H., Park S.P., Park B.J., Kim Y.W., Lee S.H., Yoon S.Y., Song I.C., Moon W.K., Suh Y.D., Hyeon T. Nonblinking and nonbleaching upconverting nanoparticles as an optical imaging nanoprobe and T1 magnetic resonance imaging contrast agent. Adv Mater 2009; 21(44): 4467–4471, https://doi.org/10.1002/adma.200901356.
14. Guller A.E., Generalova A.N., Petersen E.V., Nechaev A.V., Trusova I.A., Landyshev N.N., Nadort A., Grebenik E.A., Deyev S.M., Shekhter A.B., Zvyagin A.V. Cytotoxicity and non-specific cellular uptake of bare and surface-modified upconversion nanoparticles in human skin cells. Nano Research 2015; 8(5): 1546–1562, https://doi.org/10.1007/s12274-014-0641-6.
15. Vedunova M.V., Mishchenko T.A., Mitroshina E.V., Ponomareva N.V., Yudintsev A.V., Generalova A.N., Deyev S.M., Mukhina I.V., Semyanov A.V., Zvyagin A.V. Cytotoxic effects of upconversion nanoparticles in primary hippocampal cultures. RSC Advances 2016; 6(40): 33656–33665, https://doi.org/10.1039/c6ra01272h.
16. Grebenik E.A., Kostyuk A.B., Deyev S.M. Upconversion nanoparticles and their hybrid assemblies for biomedical applications. Russian Chemical Reviews 2016; 85(12): 1277–1296, https://doi.org/10.1070/rcr4663.
17. Sreenivasan V.K.A., Zvyagin A.V., Goldys E.M. Luminescent nanoparticles and their applications in the life sciences. J Phys Condens Matter 2013; 25(19): 194101, https://doi.org/10.1088/0953-8984/25/19/194101.
18. Bonnet J., Burton J., Kardos K., Vail T., Niedbala R.S., Tanke H.J. Detection of cell and tissue surface antigens using up-converting phosphors: a new reporter technology. Anal Biochem 1999; 267(1): 30–36, https://doi.org/10.1006/abio.1998.2965.
19. Nam S.H., Bae Y.M., Park Y.I., Kim J.H., Kim H.M., Choi J.S., Lee K.T., Hyeon T., Suh Y.D. Long-term real-time tracking of lanthanide ion doped upconverting nanoparticles in living cells. Angew Chem Int Ed Engl 2011; 50(27): 6093–6097, https://doi.org/10.1002/ange.201007979.
20. Jo H.L., Song Y.H., Park J., Jo E.-J., Goh Y., Shin K., Kim M.-G., Lee K.T. Fast and background-free three-dimensional (3D) live-cell imaging with lanthanide-doped upconverting nanoparticles. Nanoscale 2015; 7(46): 19397–19402, https://doi.org/10.1039/c5nr05875a.
21. Zhao J.B., Jin D.Y., Schartner E.P., Lu Y.Q., Liu Y.J., Zvyagin A.V., Zhang L.X., Dawes J.M., Xi P., Piper J.A., Goldys E.M., Monro T.M. Single-nanocrystal sensitivity achieved by enhanced upconversion luminescence. Nat Nanotechnol 2013; 8(10): 729–734, https://doi.org/10.1038/nnano.2013.171.
22. Michalet X. Mean square displacement analysis of single-particle trajectories with localization error: Brownian motion in an isotropic medium. Physical Review E 2010; 82(4): 041914, https://doi.org/10.1103/physreve.82.041914.
23. Ma N.N., Ma C., Li C.Y., Wang T., Tang Y.J., Wang H.Y., Mou X.B., Chen Z., He N.Y. Influence of nanoparticle shape, size, and surface functionalization on cellular uptake. J Nanosci Nanotechnol 2013; 13(10): 6485–6498, https://doi.org/10.1166/jnn.2013.7525.
24. Conner S.D., Schmid S.L. Regulated portals of entry into the cell. Nature 2003; 422(6927): 37–44, https://doi.org/10.1038/nature01451.
25. Wen L., Zheng Z.H., Liu A.A., Lv C., Zhang L.J., Ao J., Zhang Z.L., Wang H.Z., Lin Y., Pang D.W. Tracking single baculovirus retrograde transportation in host cell via quantum dot-labeling of virus internal component. J Nanobiotechnology 2017; 15(1): 37, https://doi.org/10.1186/s12951-017-0270-9.
26. Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. Molecular biology of the cell. New York: Garland Science; 2008.

Kostyuk A.B., Guryev E.L., Vorotnov A.D., Sencha L.M., Peskova N.N., Sokolova E.A., Liang L., Vodeneev V.A., Balalaeva I.V., Zvyagin A.V. Real-Time Tracking of Yb³⁺, Tm³⁺ Doped NaYF₄ Nanoparticles in Living Cancer Cells. Sovremennye tehnologii v medicine 2018; 10(1): 57, https://doi.org/10.17691/stm2018.10.1.07