Intraoperative staining of malignant lung tumors using bioorganic fluorescent gold nanoclusters bound to aptamers

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Background: The problem of recurrence, generalization, or metastasis of lung cancer remains relevant to this day, despite the advances in diagnostic and therapeutic methods of treatment. The main method of localized lung cancer treatment is surgery. The volume of resection is determined by the location of the tumor, its spread to surrounding tissues and the status of lymph node damage. However, even after removal of a large part of the lung, metastatic foci may remain in healthy tissue. To improve the effectiveness of diagnostics during surgery, fluorescence-navigated surgery can be used, based on the use of fluorescent dyes, which enables to see even small clusters of malignant cells in the early stages of tumor process development.

Aim: To develop a drug for fluorescence-navigation surgery based on aptamers and fluorescent gold nanoclusters (fluorescence excitation wavelengths are 365–410 nm, emission wavelengths are 615–650 nm).

Materials and Methods: The object of the study is primary cultures of non-small cell lung cancer. Liposomes functionalized with DNA aptamer LC-17 were used to deliver gold nanoclusters stabilized with glutathione (GSH-AuNC) or bovine serum albumin (BSA-AuNC) to lung cancer cells. Electron microscopic images of the synthesized nanoclusters were obtained using transmission electron microscopy. Analysis of the efficiency of tumor cell binding to aptamer-functionalized liposomes containing nanoclusters was performed using flow cytometry Lung adenocarcinoma tissue was used to evaluate the efficiency of fluorescent nanoclusters.

Results: The diameter of BSA-AuNC and GSH-AuNC nanoclusters was 1.8±0.5 nm and 1.5±0.3 nm, respectively. When exciting by light with a wavelength of 365 nm, the maximum fluorescence emission for BSA-AuNCs was 655 nm, and for GSH-AuNCs — 613 nm. The fluorescence quantum yields for BSA-AuNCs and GSH-AuNCs were 6% and 14%, respectively. LC-17 aptamer-functionalized liposomes with included GSH-AuNC and BSA-AuNC effectively bound to lung adenocarcinoma cells and stained them.

Conclusion: The possibilityl of using gold nanoclusters stabilized by GSH-AuNC and BSA-AuNC for fluorescence-guided surgery is demonstrated.

About the authors

Galina S. Zamay

Professor V.F. Voino-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University; Federal Research Center “Krasnoyarsk Science Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”

Author for correspondence.
Email: galina.zamay@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2567-6918
SPIN-code: 6501-0371

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, 1 Partizan Zheleznyak street, Krasnoyarsk 660022; 50, Akademgorodok st., Krasnoyarsk 660036

Tatiana N. Zamay

Professor V.F. Voino-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University; Federal Research Center “Krasnoyarsk Science Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”

Email: tzamay@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7493-8742
SPIN-code: 8799-8497

Dr. Sci. (Biology)

Russian Federation, 1 Partizan Zheleznyak street, Krasnoyarsk 660022; 50, Akademgorodok st., Krasnoyarsk 660036

Daniil S. Chumakov

Federal Research Centre “Saratov Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences”

Email: laik2012@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1658-2562
SPIN-code: 8491-2313

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Saratov 410028

Semen A. Sidorov

Professor V.F. Voino-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University; Krasnoyarsk Regional Clinical Oncology Dispensary named after A.I. Kryzhanovsky

Email: sidorov.syoma2014@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6676-6656
SPIN-code: 8740-5259
Russian Federation, 1 Partizan Zheleznyak street, Krasnoyarsk 660022; Krasnoyarsk 660133

Aleksey V. Krat

Professor V.F. Voino-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University; Krasnoyarsk Regional Clinical Oncology Dispensary named after A.I. Kryzhanovsky

Email: alexkrat@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-5357-2637
SPIN-code: 2846-8592

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, 1 Partizan Zheleznyak street, Krasnoyarsk 660022; Krasnoyarsk 660133

Boris N. Khlebtsov

Federal Research Centre “Saratov Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences”; Saratov State University

Email: khlebtsov_b@ibppm.ru
ORCID iD: 0000-0003-3996-5750
SPIN-code: 5274-8718

Dr. Sci. (Physics and Mathematics)

Russian Federation, Saratov 410028; Saratov 410012

Irina A. Shchugoreva

Professor V.F. Voino-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University; Federal Research Center “Krasnoyarsk Science Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”

Email: shchugorevai@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4207-1627
SPIN-code: 8826-6672

Cand. Sci. (Chemistry)

Russian Federation, 1 Partizan Zheleznyak street, Krasnoyarsk 660022; 50, Akademgorodok st., Krasnoyarsk 660036

Anastasia A. Koshmanova

Professor V.F. Voino-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University

Email: koshmanova.1998@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7339-8660
SPIN-code: 2217-2229
Russian Federation, 1 Partizan Zheleznyak street, Krasnoyarsk 660022

Ruslan A. Zukov

Professor V.F. Voino-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University; Krasnoyarsk Regional Clinical Oncology Dispensary named after A.I. Kryzhanovsky

Email: zukov_rus@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7210-3020
SPIN-code: 3632-8415

MD, Dr. Sci. (Medicine)

Russian Federation, 1 Partizan Zheleznyak street, Krasnoyarsk 660022; Krasnoyarsk 660133

Nikolai G. Khlebtsov

Federal Research Centre “Saratov Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences”; Saratov State University

Email: khlebtsov@ibppm.sgu.ru
ORCID iD: 0000-0002-2055-7784
SPIN-code: 4377-1257

Dr. Sci. (Physics and Mathematics)

Russian Federation, Saratov 410028; Saratov 410012

Anna S. Kichkailo

Professor V.F. Voino-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University; Federal Research Center “Krasnoyarsk Science Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”

Email: annazamay@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1054-4629
SPIN-code: 5387-9071

Dr. Sci. (Biology)

Russian Federation, 1 Partizan Zheleznyak street, Krasnoyarsk 660022; 50, Akademgorodok st., Krasnoyarsk 660036

References

  1. Higgins KA, Chino JP, Berry M, et al. Local failure in resected stage N1 lung cancer: implications for adjuvant therapy. International journal of radiation oncology, biology, physics. 2012;83(2):727–733. doi: 10.1016/j.ijrobp.2011.07.018
  2. Varlotto JM, Yao AN, DeCamp MM, et al. Nodal stage of surgically resected non-small cell lung cancer and its effect on recurrence patterns and overall survival. International journal of radiation oncology, biology, physics. 2015;91(4):765–773. doi: 10.1016/j.ijrobp.2014.12.028
  3. Burel J, Ayoubi ME, Basté JM, et al. Surgery for lung cancer: postoperative changes and complications—what the Radiologist needs to know. Insights into Imaging. 2021;12:116. doi: 10.1186/s13244-021-01047-w
  4. Jiao J, Zhang J, Yang F, et al. Quicker, deeper and stronger imaging: A review of tumor-targeted, near-infrared fluorescent dyes for fluorescence guided surgery in the preclinical and clinical stages. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 2020;152:123–143. doi: 10.1016/j.ejpb.2020.05.002
  5. Van Keulen S, Hom M, White H, Rosenthal EL, Baik FM. Evolution of fluorescence-guided surgery. Molecular Imaging and Biology. 2023;25:36–45. doi: 10.1007/s11307-022-01772-8
  6. Krat AV, Zamay TN, Zamay GS, et al. The use of DNA aptamers in the estimation of the prevalence the tumor process in lung cancer patients. Siberian Medical Review. 2016;5(101):96–98. EDN: XDNMCL
  7. Luo Z, Yuan X, Yu Y, et al. From aggregation-induced emission of Au(I)-thiolate complexes to ultrabright Au(0)@Au(I)-thiolate core-shell nanoclusters. Journal of the American Chemical Society. 2012;134(40):16662–16670. doi: 10.1021/ja306199p
  8. Khlebtsov B, Tuchina E, Tuchin V, Khlebtsov N. Multifunctional Au nanoclusters for targeted bioimaging and enhanced photodynamic inactivation of Staphylococcus aureus. RSC Advances. 2015;5:61639–61649. doi: 10.1039/C5RA11713E
  9. Zamay GS, Kolovskaya OS, Zamay TN, et al. Aptamers selected to postoperative lung adenocarcinoma detect circulating tumor cells in human blood. Molecular Therapy. 2015;23(9):1486–1496. doi: 10.1038/mt.2015.108
  10. Zamay GS, Ivanchenko T, Zamay TN, et al. DNA-Aptamers for Characterization of Histological Structure of Lung Adenocarcinoma. Molecular Therapy: Nucleic Acid. 2016;17(6):150–162. doi: 10.1016/j.omtn.2016.12.004
  11. Zamay GS, Zamay TN, Kolovskii VA, et al. Electrochemical aptasensor for lung cancer-related protein detection in crude blood plasma samples. Scientific Reports. 2016;6:34350. doi: 10.1038/srep34350
  12. Chumakov D, Pylaev T, Avdeeva E, et al. Anticancer properties of gold nanoparticles biosynthesized by reducing of chloroaurate ions with Dunaliella salina aqueous extract. Proc SPIE: Optical and Nano-Technologies for Biology and Medicine. 2020;11457:e1145715. doi: 10.1117/12.2564630
  13. Saleh SM, Almotiri MK, Ali R. Green synthesis of highly luminescent gold nanoclusters and their application in sensing Cu (II) and Hg (II). Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 2022;426:e113719. doi: 10.1016/j.jphotochem.2021.113719
  14. Holt D, Okusanya O, Judy R, et al. Intraoperative near-infrared imaging can distinguish cancer from normal tissue but not inflammation. PLoS One. 2014;9(7):e103342. doi: 10.1371/journal.pone.0103342
  15. Newton AD, Kennedy GT, Predina JD. Intraoperative molecular imaging to identify lung adenocarcinomas. Journal of Thoracic Disease. 2016;8(9S):S697–S704. doi: 10.21037/jtd.2016.09.50
  16. Rynda AYu, Olyushin VE, Rostovtsev DM, Zabrodskaya YuM, Papayan GV. Comparative analysis of 5-ALA and chlorin E6 fluorescence-guided navigation in malignant glioma surgery. Pirogov Russian Journal of Surgery. 2022;(1):5–14. doi: 10.17116/hirurgia20220115
  17. Li CH, Kuo TR, Su HJ, et al. Fluorescence-guided probes of aptamer-targeted gold nanoparticles with computed tomography imaging accesses for in vivo tumor resection. Scientific Reports. 2015;5:e15675. doi: 10.1038/srep15675

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 4. Ex vivо staining of lung cancer tissue: a — without staining; b — stained with GSH-AuNСs in liposomes containing LC-17 aptamer; c — stained with BSA-AuNСs in liposomes containing LC-17 aptamer.

Download (528KB)
Indexing metadata
3. Fig. 1. a — transmission electron microscopy image of the BSA-AuNCs (scale bar is 20 nm); b — fluorescence spectra of the BSA-AuNCs; c — BSA-AuNCs suspension under ultraviolet lamp irradiation (365 nm); d — transmission electron microscopy image of the GSH-AuNCs (scale bar is 20 nm); e — fluorescence spectra of the GSH-AuNCs; f — GSH-AuNCs suspension under ultraviolet lamp irradiation (365 nm).

Download (506KB)
Indexing metadata
4. Fig. 2. The tertiary structure of the aptamer. a — the LC-17 aptamer model; b — a diagram depicting the LC17-liposome–gold nanoclaster.

Download (268KB)
Indexing metadata
5. Fig. 3. Flow cytometry of lung cancer cells stained with liposomes containing GSH-AuNСs or BSA-AuNСs associated with the LC-17 aptamer.

Download (227KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».