ИСТИНА

Проект направлен на установление физико-химических механизмов действия радиосенсибилизиторов на основе наночастиц оксидов металлов под действием рентгеновского излучения. Изучение этих механизмов представляет фундаментальный интерес с точки зрения химической физики и имеет принципиальное значение, в первую очередь, для разработки физико-химических основ использования наносенсибилизаторов. В последние два десятилетия интерес к этой проблеме неизменно возрастает в связи с поиском новых эффективных подходов к получению композитных наносенсибилизаторов на основе оксидных частиц. Кроме того, радиосенсибилизаторы на основе наночастиц оксидов металлов активно изучаются и имеют реальные перспективы использования в клинической практике, однако, несмотря на довольно широкий набор исследуемых наночастиц и источников излучения, неясным остается влияние на величину радиосенсибилизирующего эффекта различных факторов дизайна частиц и условий облучения. Конкретной задачей данного проекта является установление механизмов действия радиосенсибилизаторов на основе наночастиц оксидов металлов в терминах физического и химического усиления. Поскольку радиосенсибилизирующий эффект наночастиц (обычно описываемый в терминах физического и химического усиления) обусловлен сочетанием увеличения поглощенной дозы, генерации вторичного излучения и повышения радиационно-химического выхода свободных радикалов, для увеличения эффективности наносенсибилизаторов желательно объединить все возможные типы усиления, что требует изучения влияния различных факторов. Между тем, результаты исследований в данной области часто носят преимущественно эмпирический характер и крайне слабо систематизированы, в то время как физико-химические аспекты действия наночастиц изучены недостаточно. В рамках данного проекта планируется провести систематические сравнительные исследования физико-химических механизмов действия радиосенсибилизаторов на основе наночастиц оксидов металлов с использованием простых и универсальных модельных систем на основе оригинальных вариантов метода спиновых ловушек для регистрации радикальных продуктов в жидких водно-органических системах. В качестве целевых объектов исследований планируется использовать наночастицы оксидов металлов с различным атомным номером, для которых возможна реализация как физического, так и химического усиления. В рамках заявленной проблемы, решение поставленной задачи будет иметь принципиальное значение с точки зрения химических аспектов проблемы и позволит получить принципиально новые данные о механизмах физического и химического усиления при облучении систем, содержащих наночастицы оксидов металлов. С позиций фундаментальной радиационной химии решение данной задачи будет способствовать значительному прогрессу в понимании механизмов радиационно-химических процессов в золях. Кроме того, будет получена важная информация, представляющая потенциальный интерес для радиационной медицины, а также радиационно-химического синтеза наноматериалов, переработки ядерных отходов и катализа.

The project is aimed at establishing the physicochemical mechanisms of action of radiosensitizers based on metal oxide nanoparticles under the influence of X-ray radiation. The study of these mechanisms is of fundamental interest from the point of view of chemical physics and is of fundamental importance, first of all, for the development of physicochemical foundations for the use of nanosensitizers. Over the past two decades, interest in this problem has been steadily increasing due to the search for new effective approaches to the production of composite nanosensitizers based on oxide particles. In addition, radiosensitizers based on metal oxide nanoparticles are being actively studied and have real prospects for use in clinical practice; however, despite a fairly wide range of nanoparticles and radiation sources being studied, the influence of various particle design factors and irradiation conditions on the magnitude of the radiosensitizing effect remains unclear. The specific objective of this project is to establish the mechanisms of action of metal oxide nanoparticle radiosensitizers in terms of physical and chemical enhancement. Since the radiosensitizing effect of nanoparticles (usually described in terms of physical and chemical enhancement) is due to a combination of increased absorbed dose, generation of secondary radiation, and increased radiation-chemical yield of free radicals, to increase the effectiveness of nanosensitizers, it is desirable to combine all possible types of enhancement, which requires studying the influence of various factors. Meanwhile, the results of research in this area are often predominantly empirical in nature and extremely poorly systematized, while the physicochemical aspects of the action of nanoparticles have not been sufficiently studied. Within the framework of this project, it is planned to conduct systematic comparative studies of the physicochemical mechanisms of action of radiosensitizers based on metal oxide nanoparticles using simple and universal model systems based on original versions of the spin trap method for registering radical products in liquid aqueous-organic systems. It is planned to use metal oxide nanoparticles with different atomic numbers as target research objects, for which both physical and chemical reinforcement is possible. Within the framework of the stated problem, the solution to the problem posed will be of fundamental importance from the point of view of the chemical aspects of the problem and will make it possible to obtain fundamentally new data on the mechanisms of physical and chemical enhancement during irradiation of systems containing nanoparticles of metal oxides. From the standpoint of fundamental radiation chemistry, the solution to this problem will contribute to significant progress in understanding the mechanisms of radiation-chemical processes in sols. In addition, important information of potential interest for radiation medicine, as well as radiation-chemical synthesis of nanomaterials, nuclear waste processing and catalysis will be obtained.

В рамках заявляемого проекта ожидается получение следующих обобщённых основных результатов: 1. Экспериментальные данные о суммарных радиационно-химических выходах активных радикальных частиц и выходах окислительных радикалов (ОН) при действии рентгеновского излучения с энергией 10-45 кэВ на водно-органические системы, содержащие наночастицы оксидов металлов. 2. Экспериментальные данные о влиянии концентрации наночастиц оксидов металлов на величину радиосенсибилизирующего эффекта при действии рентгеновского излучения. 3. Данные о влиянии атомного номера металла на величину радиосенсибилизирующего эффекта при действии рентгеновского излучения. 4. Данные о влиянии кислорода на величину относительных суммарных радиационно-химических выходов активных радикальных частиц в водно-органических среде, содержащей наночастицы оксидов металлов. 5. Новые фундаментальные данные о вкладе физического и химического усиления действия рентгеновского излучения на водно-органические системы в присутствии наночастиц оксидов металлов, а также вероятных механизмах химического усиления. Анализ имеющейся литературы показывает, что ожидаемые результаты являются принципиально новыми и оригинальными. По всем указанным направлениям они не только будут соответствовать достигнутому мировому уровню исследований, но и опережать этот уровень по ряду позиций вследствие того, что, по существу, будут впервые получены представления о конкретных механизмах действия нанорадиосенсибилизаторов, позволяющие установить связь между физическими и химическими эффектами. Результаты исследований, имеющих по своей направленности междисциплинарный характер, будут положены в основу новой научной тематики и будут представлять самостоятельный интерес для специалистов в области радиационной химии, биофизики, молекулярной биологии и медицины, а также катализа.

Предлагаемый для реализации проекта подход на основе метода спиновых ловушек был впервые апробирован на примере наночастиц оксида гафния [E.S. Shiryaeva et al., J. Phys. Chem. C, 2019, 123, 27375−27384]. В 2020-2021 гг. с участием Е.В. Саночкиной, Е.С. Ширяевой, И.А. Барановой были проведены предварительные исследования радиосенсибилизирующего эффекта наночастиц золота, в том числе покрытых ПЭГ, с использованием аналогичного подхода [E.S. Shiryaeva et al., Radiat. Phys. Chem., 2022, 193, 109998. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2022.109998]. В 2022-2023 году с участием Е.В. Саночкиной, Е.С. Ширяевой, И.А. Барановой, А.И. Ваниной были проведены исследования радиосенсибилизирующего эффекта наночастиц оксида вольфрама [Shiryaeva E. S. et al., Radiat. Phys. Chem., 2024, 222, 111812. https://doi.org/ 10.1016/j.radphyschem.2024.111812]. Эти исследования и методические навыки можно рассматривать в качестве непосредственных предпосылок для выполнения данного проекта. Необходимо отметить, что участники данного проекта имеют большой опыт исследований механизмов радиационно-химических превращений с использований различных экспериментальных методов и подходов: 1. Металлические и оксидные нанорадиосенсибилизаторы для медицины: физико-химические механизмы, радиационно-химический синтез и модификация, РНФ- 22-73-00054 (руководитель Ширяева Е.С., в составе исполнителей Ванина А.И.). На основании результатов проделанной работы предложена схема выбора радиосенсибилизаторов на основе металлических и металлооксидных наночастиц для медицинского применения.