GdVO₄:Eu³⁺ 나노입자와 메틸렌 블루 복합체의 자외선-가시광선 및 X선 조사 하 활성산소종 생성 향상

초록

이 연구는 가돌리늄 오르토바나데이트 GdVO₄:Eu³⁺ 나노입자(VNPs)와 메틸렌 블루(MB) 복합체를 포함한 수용액에서 활성산소종(ROS) 생성을 조사합니다. 공액 디엔 형성, 쿠마린을 이용한 하이드록실 라디칼 검출, ADPA를 이용한 단일 산소 모니터링을 통해 자외선-가시광선 및 X선 조사 하 ROS 생성을 비교했습니다. VNPs-MB 복합체는 자외선-가시광선 조명 시 VNPs에서 MB로의 효율적인 비복사 에너지 전달로 높은 수준의 하이드록실 라디칼과 단일 산소를 생성했습니다. 대조적으로 X선 조사 시 VNPs가 하이드록실 라디칼을 소거하는 현상이 관찰되어 이 물질 계열에서 최초로 보고되었습니다. 이 결과는 VNPs-MB 복합체가 X선 유도 광역학 치료(PDT)용 효과적 제제로 활용될 수 있음을 시사합니다.

배경

방사선 치료(RT)는 전체 암 환자 약 절반을 치료하며, 물 방사분해 중 생성된 ROS에 의한 간접 DNA 손상에 크게 의존합니다. 고원자번호 나노입자(Au, Ag, Hf, Gd, Ti)와 반도체 나노입자(TiO₂, ZnO, CuO, CeO₂, Al₂O₃, ZnS)는 광전 효과와 콤프턴 상호작용으로 ROS 생성을 증폭하여 RT를 향상시킵니다. 유사하게 반도체 나노입자는 자외선 조사 하 전하 캐리어 분리로 ROS 생성: 정공이 물 산화로 하이드록실 라디칼 생성, 전자가 산소 환원으로 초산화물 생성, 추가로 단일 산소 형성. 신틸레이팅 나노입자는 X선 유도 에너지를 광감작제에 전달하여 심부 조직 광역학 치료(PDT) 가능하게 합니다. 선행 연구에서 GdVO₄:Eu³⁺ 나노입자(VNPs)가 메틸렌 블루에 여기 에너지 전달 가능함 보여 X선 활성화 PDT 제제 가능성 시사.

실험

시약

모든 시약 분석급; GdCl₃·6H₂O, EuCl₃·6H₂O, NaVO₃, 메틸렌 블루(MW = 373.90 g mol⁻¹) 무정제 사용.

GdVO₄:Eu³⁺ 나노입자 합성

Gd₀.₉Eu₀.₁VO₄ 콜로이드를 GdCl₃, EuCl₃, EDTA, Na₃VO₄ 공동 침전으로 환류(100 °C, 24 h) 제조. 결과 분산액 투석(MWCO 12 kDa) 24시간 과량 이온 제거.

특성 분석

투과 전자 현미경(TEM) 스핀들형 VNPs(8 × 25 ± 5 nm) 확인. 동적 빛 산란 평균 수소동역학적 직경 44 ± 0.3 nm. 제타 전위 pH 7.8에서 –18.75 ± 0.15 mV로 EDTA 표면 캡핑 반영. UV-Vis 흡수 250~350 nm 광대역(O→V 전하 이동) 및 적색 편이 Eu³⁺ 방출 밴드. 타우크 분석 밴드갭 4.13 eV로 보고된 대형 입자 분말보다 높아 양자 크기 효과 지시.

VNPs-MB 복합체 제조

MB(10 µM)를 VNPs(0.1~10 mg mL⁻¹) 수용액과 혼합, 1시간 교반, 결과 복합체 표면 결합 MB 농도 10 µM.

ROS 검출 방법

공액 디엔 테스트: PC 리포좀(1.2 mmol L⁻¹) ROS 산화, 자외선 조사(310~400 nm, 43 W cm⁻²) 30분 후 234 nm 모니터링.

하이드록실 라디칼 분석: 쿠마린(0.1 mmol L⁻¹) 325 nm 레이저(1시간) 또는 30 kV X선(30분) 조사. 7-하이드록시쿠마린 형광(λ_max ≈ 460 nm)으로 OH• 정량.

단일 산소 분석: ADPA(10 µM) 형광(여기 378 nm) 457 nm 레이저 조사(50 mW, 30분) 생성 단일 산소로 퀀칭.

결과 및 논의

VNPs 특성 분석

스핀들형 VNPs는 사방정 지르콘 구조(XRD). 작은 크기로 흡수 모서리 청색 편이, 측정된 4.13 eV 밴드갭 설명.

자외선-가시광선 하 ROS 생성

공액 디엔 형성은 VNPs-MB 복합체 > VNPs 단독 > MB 단독 > 대조군 순. 이 계층은: (1) VNP 구동 하이드록실 라디칼 및 단일 산소 생성; (2) MB 매개 단일 산소 생성; (3) 복합체 내 VNPs→MB 시너지 에너지 전달 반영. 하이드록실 라디칼 분석에서 VNPs 단독 자외선 하 유의미 OH• 생성, VNPs-MB 복합체는 약 절반 양 생성, MB 흡착으로 표면 물 차폐 및 전자-정공 재결합이 MB 여기로 전환 추정. 단일 산소 분석에서 VNPs-MB 복합체 ADPA 퀀칭 2배 증가로 MB 또는 VNPs 단독 대비 효율적 에너지 전달 확인.

X선 조사 하 ROS 생성

자외선과 달리 X선 조사 시 VNP 용액에서 7-하이드록시쿠마린 형광 감소, VNPs에 의한 OH• 소거 지시. 이 효과는 VNP 농도 증가에 따라 심화되며, GdVO₄:Eu³⁺ 나노입자가 X선 조건에서 ROS 소거제로 작용함 최초 보고. 기저 메커니즘은 VNPs 전자 포획 또는 표면 매개 라디칼 중화, 알려진 CeO₂ 나노입자 거동과 유사 추정.

결론

GdVO₄:Eu³⁺ 나노입자와 메틸렌 블루 복합체는 자외선-가시광선 조사 하 하이드록실 라디칼과 단일 산소 경로 결합으로 현저한 ROS 생성. X선 조사 하 VNPs는 독특하게 하이드록실 라디칼 소거. 이 이중 능력은 VNPs-MB 복합체를 X선 활성화 광역학 치료 유망 후보로 위치시킵니다.

약어

• MB – 메틸렌 블루
• PS – 광감작제
• ROS – 활성산소종
• VNPs – GdVO₄:Eu³⁺ 나노입자