Génération accrue d'espèces réactives de l'oxygène par nanoparticules GdVO₄:Eu³⁺ et complexes bleu de méthylène sous irradiation UV-Vis et rayons X

Résumé

Cette étude examine la génération d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) en solutions aqueuses contenant des nanoparticules de vanadate de gadolinium GdVO₄:Eu³⁺ (VNPs) et leurs complexes avec le bleu de méthylène (MB). En utilisant la formation de diènes conjugués, la détection de radicaux hydroxyles avec la coumarine, et le suivi de l'oxygène singulet via ADPA, nous avons comparé la production de ROS sous irradiation UV-Vis et rayons X. Les complexes VNPs-MB produisaient des niveaux élevés de radicaux hydroxyles et d'oxygène singulet sous lumière UV-Vis, grâce à un transfert d'énergie non radiatif efficace des VNPs vers MB. En revanche, sous exposition aux rayons X, les VNPs piégeaient les radicaux hydroxyles, une observation nouvelle pour cette classe de matériaux. Ces résultats suggèrent que les complexes VNPs-MB pourraient servir d'agents efficaces pour la thérapie photodynamique induite par rayons X.

Contexte

La radiothérapie (RT) traite environ la moitié des patients cancéreux, reposant largement sur les dommages indirects à l'ADN médités par les ROS générés pendant la radiolyse de l'eau. Les nanoparticules à haut numéro atomique (Au, Ag, Hf, Gd, Ti) et les nanoparticules semi-conductrices (TiO₂, ZnO, CuO, CeO₂, Al₂O₃, ZnS) améliorent la RT en amplifiant la production de ROS via interactions photoélectriques et Compton. De même, les nanoparticules semi-conductrices génèrent des ROS sous irradiation UV par séparation porteurs de charge : les trous oxydent l'eau pour produire des radicaux hydroxyles, tandis que les électrons réduisent l'oxygène en superoxyde, qui peut former de l'oxygène singulet. Les nanoparticules scintillantes peuvent aussi transférer l'énergie induite par rayons X aux photosensibilisateurs, permettant la thérapie photodynamique (PDT) en tissus profonds. Des travaux antérieurs ont démontré que les nanoparticules GdVO₄:Eu³⁺ (VNPs) peuvent transférer l'énergie d'excitation au bleu de méthylène, suggérant un potentiel comme agents PDT activés par rayons X.

Expérimental

Produits chimiques

Tous les réactifs étaient de grade analytique ; GdCl₃·6H₂O, EuCl₃·6H₂O, NaVO₃ et bleu de méthylène (PM = 373,90 g mol⁻¹) ont été utilisés sans purification supplémentaire.

Synthèse des nanoparticules GdVO₄:Eu³⁺

Les colloïdes Gd₀.₉Eu₀.₁VO₄ ont été préparés par co-précipitation de GdCl₃, EuCl₃, EDTA et Na₃VO₄ sous reflux (100 °C, 24 h). La dispersion résultante a été dialysée (COPM 12 kDa) pendant 24 h pour éliminer les ions en excès.

Caractérisation

La microscopie électronique à transmission (MET) a révélé des VNPs en forme de fuseau (8 × 25 ± 5 nm). La diffusion dynamique de la lumière a donné un diamètre hydrodynamique moyen de 44 ± 0,3 nm. Le potentiel zêta était –18,75 ± 0,15 mV à pH 7,8, reflétant le capage de surface par EDTA. L'absorption UV-Vis affichait une large bande (250–350 nm) du transfert de charge O→V et une bande d'émission Eu³⁺ décalée vers le rouge. L'analyse de Tauc a donné un gap de 4,13 eV, plus élevé que rapporté pour des poudres de plus grosses particules, indiquant des effets de taille quantique.

Préparation des complexes VNPs-MB

Le MB (10 µM) a été mélangé avec les VNPs (0,1–10 mg mL⁻¹) en solution aqueuse, agité 1 h, et le complexe résultant avait une concentration de MB lié en surface de 10 µM.

Méthodes de détection des ROS

Test de diènes conjugués : Liposomes PC (1,2 mmol L⁻¹) oxydés par ROS, surveillés à 234 nm après 30 min d'irradiation UV (310–400 nm, 43 W cm⁻²).

Dosage radicaux hydroxyles : Coumarine (0,1 mmol L⁻¹) irradiée avec laser 325 nm (1 h) ou rayons X 30 kV (30 min). Fluorescence de 7-hydroxycoumarine (λ_max ≈ 460 nm) quantifiait OH•.

Dosage oxygène singulet : Fluorescence ADPA (10 µM, excitation 378 nm) quenching par oxygène singulet généré sous irradiation laser 457 nm (50 mW, 30 min).

Résultats et discussion

Caractérisation des VNPs

Les VNPs en forme de fuseau exhibent une structure tétragonale zircon (XRD). Leur petite taille mène à un bord d'absorption décalé vers le bleu, expliquant le gap mesuré de 4,13 eV.

Génération ROS sous UV-Vis

La formation de diènes conjugués était maximale pour les complexes VNPs-MB, suivie par VNPs seuls, MB seul et contrôle. Cette hiérarchie reflète : (1) production VNP-pilotée de radicaux hydroxyles et oxygène singulet ; (2) génération d'oxygène singulet médiée par MB ; et (3) transfert d'énergie synergétique des VNPs vers MB dans le complexe. Les dosages radicaux hydroxyles ont confirmé que les VNPs seuls génèrent significativement OH• sous UV, tandis que les complexes VNPs-MB produisent environ la moitié de cette quantité, probablement en raison de l'adsorption de MB protégeant l'eau de surface et détournant la recombinaison électron-trou vers l'excitation de MB. Les dosages oxygène singulet ont montré une augmentation double du quenching ADPA pour les complexes VNPs-MB versus MB ou VNPs seuls, confirmant un transfert d'énergie efficace.

Génération ROS sous irradiation rayons X

Contrairement à l'UV, l'exposition aux rayons X a résulté en une fluorescence de 7-hydroxycoumarine réduite pour les solutions VNP, indiquant un piégeage de OH• par les VNPs. Cet effet s'intensifiait avec des concentrations VNP plus élevées et représente le premier rapport de nanoparticules GdVO₄:Eu³⁺ agissant comme quenchers de ROS sous conditions rayons X. Le mécanisme sous-jacent peut impliquer la capture d'électrons par les VNPs ou la neutralisation de radicaux médiatisée par la surface, analogue au comportement connu des nanoparticules CeO₂.

Conclusions

Les nanoparticules GdVO₄:Eu³⁺ et leurs complexes bleu de méthylène présentent une production prononcée de ROS sous irradiation UV-Vis, combinant voies radicaux hydroxyles et oxygène singulet. Sous exposition rayons X, les VNPs piègent de manière unique les radicaux hydroxyles. Ces capacités duales positionnent les complexes VNPs-MB comme candidats prometteurs pour la thérapie photodynamique activée par rayons X.

Abréviations

• MB – Bleu de méthylène
• PS – Photosensibilisateur
• ROS – Espèces réactives de l'oxygène
• VNPs – Nanoparticules GdVO₄:Eu³⁺