Влияние пористости наночастиц кремния на их свойства сенсибилизации медицинского ультразвука низкой интенсивности

В данной работе исследована роль пористости наночастиц кремния в их способности выступать в качестве соносенсибилизаторов для сонодинамической терапии злокачественных опухолей.

Структурный анализ показал, что пористые наночастицы состоят из нанокристаллов размером ~4 нм и содержат поры диаметром ~15 нм, тогда как непористые наночастицы характеризуются плотной структурой с нанокристаллами размером 10–50 нм. Пористые наночастицы обладают выраженными фотолюминесцентными свойствами, связанными с квантово-размерными эффектами в их мелких нанокристаллах.

Цитотоксичность наночастиц изучена in vitro на клетках Hep2. Результаты показали, что как пористые, так и непористые наночастицы в исследуемом диапазоне концентраций (2–500 мкг/мл) являются нетоксичными. Ультразвук низкой интенсивности (0,88 МГц, <1 Вт) также не оказывает токсического воздействия на клетки. Однако совместное применение пористых наночастиц и ультразвука приводит к значительному снижению жизнеспособности клеток, чего не наблюдалось при использовании непористых наночастиц. Этот эффект связан с механическим разрушением клеточных мембран, а также возможной активацией дополнительных механизмов клеточной гибели, например апоптоза.

Полученные результаты подчеркивают значимость пористости как ключевого фактора, определяющего эффективность наночастиц кремния в качестве соносенсибилизаторов. Высокая эффективность, низкая токсичность и уникальные структурные свойства пористых наночастиц делают их перспективным материалом для дальнейшего изучения и разработки целенаправленных и неинвазивных методов лечения злокачественных опухолей в рамках сонодинамической терапии.

1. Osminkina L.A., Kudryavtsev A.A., Zinovyev S.V., Sviridov A.P., Kargina Y.V., Tamarov K.P., Nikiforov V.N., Ivanov A.V., Vasilyev A.N., Timoshenko V.Y. Silicon nanoparticles as amplifiers of the ultrasonic effect in sonodynamic therapy. Bull Exp Biol Med 2016; 161(2): 296–299, https://doi.org/10.1007/s10517-016-3399-x.
2. Николаев А.Л., Гопин А.В., Конопацкая И.И., Миро­нов М.А., Пятаков П.А., Андронова Н.В., Трещали­на Е.М., Дежкунов Н.В. Твердофазная соносенсибилизация в сонодинамической терапии онкологических заболеваний. Учебные записки физического факультета 2014; 5: 145344-1.
3. Tachibana K., Feril L.B. Jr, Ikeda-Dantsuji Y. Sonodynamic therapy. Ultrasonics 2008; 48(4): 253–259, https://doi.org/10.1016/j.ultras.2008.02.003.
4. Xu H., Zhang X., Han R., Yang P., Ma H., Song Y., Lu Z., Yin W., Wu X., Wang H. Nanoparticles in sonodynamic therapy: state of the art review. RSC Advances 2016; 6(56): 50697–50705, https://doi.org/10.1039/C6RA06862F.
5. Huang Y., Ouyang W., Lai Z., Qiu G., Bu Z., Zhu X., Wang Q., Yu Y., Liu J. Nanotechnology-enabled sonodynamic therapy against malignant tumors. Nanoscale Adv 2024; 6(8): 1974–1991, https://doi.org/10.1039/d3na00738c.
6. Park J.H., Gu L., von Maltzahn G., Ruoslahti E., Bhatia S.N., Sailor M.J. Biodegradable luminescent porous silicon nanoparticles for in vivo applications. Nat Mater 2009; 8(4): 331–336, https://doi.org/10.1038/nmat2398.
7. Milliken S., Thiessen A.N., Cheong I.T., O'Connor K.M., Li Z., Hooper R.W., Robidillo C.J.T., Veinot J.G.C. "Turning the dials": controlling synthesis, structure, composition, and surface chemistry to tailor silicon nanoparticle properties. Nanoscale 2021; 13(39): 16379–16404, https://doi.org/10.1039/d1nr04701a.
8. Heintz A.S., Fink M.J., Mitchell B.S. Silicon nanoparticles with chemically tailored surfaces. Applied Organometallic Chemistry 2010; 24(3): 236–240, https://doi.org/10.1002/aoc.1602.
9. Maximchik P.V., Tamarov K., Sheval E.V., Tolstik E., Kirchberger-Tolstik T., Yang Z., Siakov V., Osminkina L.A. Biodegradable porous silicon nanocontainers as an effective drug carrier for regulation of the tumor cell death pathways. ACS Biomaterials Science & Engineering 2019; 5(11): 6063–6071, https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.9b01292.
10. Gongalsky M.B., Tsurikova U.A., Kudryavtsev A.A., Pervushin N.V., Sviridov A.P., Kumeria T., Egoshina V.D., Tyurin-Kuzmin P.A., Naydov I.A., Gonchar K.A., Kopeina G.S., Andreev V.G., Zhivotovsky B., Osminkina L.A. Amphiphilic photoluminescent porous silicon nanoparticles as effective agents for ultrasound-amplified cancer therapy. ACS Appl Mater Interfaces 2025; 17(1): 374–385, https://doi.org/10.1021/acsami.4c15725.
11. Sviridov A.P., Osminkina L.A., Nikolaev A.L., Kudryavtsev A.A., Vasiliev A.N., Timoshenko V.Y. Lowering of the cavitation threshold in aqueous suspensions of porous silicon nanoparticles for sonodynamic therapy applications. Applied Physics Letters 2015; 107(12), https://doi.org/10.1063/1.4931728.
12. Osminkina L.A., Luckyanova E.N., Gongalsky M.B., Kudryavtsev A.A., Gaydarova A.Kh., Poltavtseva R.A., Kashkarov P.K., Timoshenko V.Y., Sukhikh G.T. Effects of nanostructurized silicon on proliferation of stem and cancer cell. Bull Exp Biol Med 2011; 151(1): 79–83, https://doi.org/10.1007/s10517-011-1264-5.
13. Osminkina L.A., Nikolaev A.L., Sviridov A.P., Andronova N.V., Tamarov K.P., Gongalsky M.B., Kudryavtsev A.A., Treshalina H.M., Timoshenko V.Y. Porous silicon nanoparticles as efficient sensitizers for sonodynamic therapy of cancer. Microporous and Mesoporous Materials 2015; 210: 169–175, https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2015.02.037.
14. Osminkina L.A., Sivakov V.A., Mysov G.A., Georgobiani V.A., Natashina U.А., Talkenberg F., Solovyev V.V., Kudryavtsev A.A., Timoshenko V.Y. Nanoparticles prepared from porous silicon nanowires for bio-imaging and sonodynamic therapy. Nanoscale Res Lett 2014; 9(1): 463, https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-463.
15. Georgobiani V.A., Gonchar K.A., Osminkina L.A., Timoshenko V.Y. Structural and photoluminescent properties of nanowires formed by the metal-assisted chemical etching of monocrystalline silicon with different doping level. Semiconductors 2015; 49: 1025–1029, https://doi.org/10.1134/S1063782615080084.
16. Shatskaia M.G., Nazarovskaia D.A., Gonchar K.A., Lomovskaya Y.V., Tsiniaikin I.I., Shalygina O.A., Kudryavtsev A.A., Osminkina L.A. Photoluminescent porous silicon nanowires as contrast agents for bioimaging. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy 2024; 26(1): 161–167, https://doi.org/10.17308/kcmf.2024.26/11819.
17. Canham L. Color of porous silicon. In: Canham L. (editor). Handbook of porous silicon. Springer, Cham; 2014, https://doi.org/10.1007/978-3-319-04508-5_27-1.

Osminkina L.A., Tyurin-Kuzmin P.A., Sumarokova M.V., Kudryavtsev A.A. The Impact of Silicon Nanoparticle Porosity on Their Ability to Sensitize Low-Intensity Medical Ultrasound. Sovremennye tehnologii v medicine 2025; 17(1): 40, https://doi.org/10.17691/stm2025.17.1.04