Исследование фотодеградации тиазинового красителя метиленового синего при воздействии лазерным источником для фотодинамической терапии

Цель исследования. Изучить процесс фотодеградации метиленового синего под действием лазерного излучения с длиной волны 660 нм, используемого для установок фотодинамической терапии, на предмет формирования активных форм кислорода, в частности короткоживущих гидроксильных радикалов с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса.

Методы. Определение остаточной концентрации метиленового синего в процессе фотодеградации производилось с помощью спектрометра HR2000. Детектирование образования гидроксильных групп осуществляли с помощью ЭПР-спектрометра SPINSCAN X.

Результаты. Анализ данных фотодеградации метиленового синего показывает, что под действием лазерного излучения с длиной волны 660 нм происходит разрушение структуры метиленового синего, проявляющееся в постепенном обесцвечивании раствора красителя. При добавлении трипафлавина в раствор скорость фотодеградации метиленового синего значительно замедляется. Анализ данных ЭПРспектроскопии показывает, что при воздействии красным лазером на метиленовый синий в растворе начинают интенсивно формироваться (ОН’) радикалы. Их содержание значительно возрастает с увеличением мощности облучения.

Заключение. Облучение лазерным источником мощностью 0,3–1 Вт с длиной волны 660 нм водного раствора тиазинового красителя метиленового синего приводит к его активной фотодеградации. Добавление трипафлавина приводит к замедлению процесса фотодеградации метиленового синего при облучении красным светом за счёт расходования части генерируемых кислородсодержащих радикалов на деградацию трипафлавина. По данным ЭПР спектроскопии с использованием спиновых ловушек ДМПО доказано, что при облучении метиленового синего красным лазером происходит активное образование гидроксильных ОН’ радикалов. Установлено, что с увеличением интенсивности лазерного излучения количество генерированных гидроксильных радикалов (ОН’) значительно увеличивается. Представленные результаты могут способствовать разработке эффективных фотосенсибилизаторов для фотодинамической терапии опухолевых новообразований.

1. Photodynamic effect of methylene blue and low level laser radiation in head and neck squamous cell carcinoma cell lines / B. Kofler, A. Romani, C. Pritz, T. Steinbichler, V. Schartinger, H. Riechelmann, J. Dudas // International Journal of Molecular Sciences. 2018. Vol. 19, no. 4. Art. no. 1107. https://doi.org/10.3390/ijms19041107.

2. Effect of methylene blue photodynamic therapy on human neutrophil functional responses / E. Trevisan, R. Menegazzi, G. Zabucchi, B. Troian, S. Prato, F. Vita, V. Rapozzi, M. Grandolfo, V. Borelli // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2019. Vol. 199. P. 111605. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2019.111605.

3. Methylene blue-mediated photodynamic therapy in the treatment of oral microbiota. A Systematic Review / L. C. T. Moreti, L. A. Garcia, K. G. C. Fernandes, D. I. Kozusny-Andreani, J. A. S. Souza, C. R. Tim // Research, Society and Development. 2022. Vol. 11, no. 6. P. e53411629001. https://doi.org/10.33448/rsd-v11i6.29001.

4. Kuang Y., Zhang X., Zhou S. Adsorption of methylene blue in water onto activated carbon by surfactant modification // Water. 2020. Vol. 12, no. 2. Р. 587. https://doi.org/10.3390/w12020587.

5. Fast and highly efficient removal of dye from aqueous solution using natural locust bean gum based hydrogels as adsorbent / S. Pandey, J. Y. Do, J. Kim, M. Kang // International Journal of Biological Macromolecules. 2020. Vol. 143. P. 60–75. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.12.002.

6. On the discoloration of methylene blue by visible light / A. Sáenz-Trevizo, P. Pizá-Ruiz, D. Chávez-Flores, J. Ogaz-Parada, P. Amézaga-Madrid, A. Vega-Ríos, M. Miki-Yoshida // Journal of Fluorescence. 2019. Vol. 29, no. 1. P. 15–25. https://doi.org/10.1007/s10895-018-2304-6.

7. Homogeneous photosensitized degradation of pharmaceuticals by using red light LED as light source and methylene blue as photosensitizer / Y. Ye, H. Bruning, D. Yntema, M. Mayer, H. Rijnaarts // Chemical Engineering Journal. 2017. Vol. 316. P. 872–881. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.02.053.

8. Fadda A., Barberis A., Sanna D. Influence of pH, buffers and role of quinolinic acid, a novel iron chelating agent, in the determination of hydroxyl radical scavenging activity of plant extracts by Electron Paramagnetic Resonance (EPR) // Food Chemistry. 2018. Vol. 240. P. 174–182. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2017.07.076.

9. Reactive oxygen species formation at Pt nanoparticles revisited by electron paramagnetic resonance and electrochemical analysis / S. den Hartog, M. Samanipour, H. Y. V. Ching, S. Van Doorslaer, T. Breugelmans, A. Hubin, J. Ustarroz // Electrochemistry Communications. 2021. Vol. 122. Art. no. 106878. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2020.106878.

10. Sanna D., Fadda A. Role of the Hydroxyl radical-generating system in the estimation of the antioxidant activity of plant extracts by electron paramagnetic resonance (EPR) // Molecules. 2022. Vol. 27, no. 14. Art. no. 4560. https://doi.org/10.3390/molecules27144560.

11. Estimation of the local concentration of the markedly dense hydroxyl radical generation induced by X-rays in water / K. I. Matsumoto, M. Ueno, Y. Shoji, I. Nakanishi // Molecules. 2022. Vol. 27, no. 3. Art. no. 592. https://doi.org/10.3390/molecules27030592.

12. Electron spin resonance evidence for electro-generated hydroxyl radicals / S. Pei, S. You, J. Ma, X. Chen, N. Ren // Environmental Science and Technology. 2020. Vol. 54, no. 20. P. 13333–13343. https://doi.org/10.1021/acs.est.0c05287.

13. Electron paramagnetic resonance of sonicated powder suspensions in organic solvents / H. Laajimi, M. Mattia, R. S. Stein, C. L. Bianchi, D. C. Boffito // Ultrasonics Sonochemistry. 2021. Vol. 73. Art. no. 105544. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105544.

14. Electron paramagnetic resonance for the detection of electrochemically generated hydroxyl radicals: issues associated with electrochemical oxidation of the spin trap / E. Braxton, D. J. Fox, B. G. Breeze, J. J. Tully, K. J. Levey, M. E. Newton, J. V. Macpherson // ACS Measurement Science Au. 2023. Vol. 3, no. 1. P. 21–31. https://doi.org/10.1021/acsmeasuresciau.2c00049.

15. Accurate identification of radicals by in-situ electron paramagnetic resonance in ultraviolet-based homogenous advanced oxidation processes / L. Chen, J. Duan, P. Du, W. Sun, B. Lai, W. Liu // Water Research. 2022. Vol. 221. P. 118747. https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118747.

16. Application of EPR Spectroscopy in TiO2 and N2O5 Photocatalysis / O. Al-Madanat, B. N. Nunes, Y. Alsalka, A. Hakki, M. Curti, A. O. T. Patrocinio, D. W. Bahnemann // Catalysts. 2021. Vol. 11. P. 1514. https://doi.org/10.3390/catal11121514.

17. Electron magnetic resonance in heterogeneous photocatalysis research / M. Chiesa, E. Giamello, S. Livraghi, M. C. Paganini, V. Polliotto, E. Salvadori // Journal of Physics. Condensed Matter. 2019. Vol. 31(44). Art. no. 444001. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab32c6.

18. First direct and unequivocal electron spin resonance spin-trapping evidence for ph-dependent production of hydroxyl radicals from sulfate radicals / H. Y. Gao, C. H. Huang, L. Mao, B. Shao, J. Shao, Z. Y. Yan, M. Tang, B. Z. Zhu // Environmental Science and Technology. 2020. Vol. 54, no. 21. P. 14046– 14056. https://doi.org/10.1021/acs.est.0c04410.

19. Interaction between air plasma-produced aqueous 1O2 and the spin trap DMPO in electron spin resonance / C. Chen, F. Li, H. L. Chen, M. G. Kong // Physics of Plasmas. 2017. Vol. 24, no. 10. Art. no. 103501. https://doi.org/10.1063/1.4986008.

20. Dynamics of photoinduced bulk and surface reactions involving semiconductors characterized by time resolved spectroscopy techniques (2015–2018) / C. Günnemann, M. Curti, J. Schneider, D. W. Bahnemann // Photochemistry. 2020. Vol. 47. P. 122–158. https://doi.org/10.1039/9781788016520-00122.

21. Electron traps and the stark effect on hydroxylated titania photocatalysts / S. H. Szczepankiewicz, J. A. Moss, M. R. Hoffmann // The Journal of Physical Chemistry B. 2002. Vol. 106, no. 31. P. 7654–7658. https://doi.org/10.1021/jp020472v.

22. Szczepankiewicz S. H., Moss J. A., Hoffmann M. R. Slow surface charge trapping kinetics on irradiated TiO // Journal of Physical Chemistry B. 2002. Vol. 106. Р. 2922–2927. https://doi.org/10.1021/jp004244h.

23. Charge separation and trapping in n-doped TiO photocatalysts: A time-resolved microwave conductivity study / R. Katoh, A. Furube, K. Yamanaka, T. Morikawa // The Journal of Physical Chemistry Letters. 2010. Vol. 1, no. 22. P. 3261–3265. https://doi.org/10.1021/jz1011548.

24. Light-induced charge separation in anatase TiO particles / T. Berger, M. Sterrer, O. Diwald, E. Knözinger, D. Panayotov, T. L. Thompson, J. T. Yates // The Journal of Physical Chemistry B. 2005. Vol. 109, no. 13. P. 6061–6068. https://doi.org/10.1021/jp0404293.

25. Rapid photodegradation of methylene blue by laser-induced plasma / J. Jiang, N. Xie, Y. Jiang, J. Han, G. Feng, Z. Shi, C. He // RSC Advances. 2022. Vol. 12, no. 33. P. 21056–21065. https://doi.org/10.1039/D2RA03633A.

26. Review on methylene blue: its properties, uses, toxicity and photodegradation / I. Khan, K. Saeed, I. Zekker, B. Zhang, A. H. Hendi, A. Ahmad, S. Ahmad, N. Zada, H. Ahmad, L. A. Shah, T. Shah, I. Khan // Water. 2022. Vol. 14(2). P. 242. https://doi.org/10.3390/w14020242.