Multi-component superparamagnetic nanoparticles for cancer therapy via hyperthermia
Hipertermiya yöntemi ile kanser tedavisi için çok bileşenli süperparamanyetik nanopartiküller
- Tez No: 467244
- Danışmanlar: PROF. DR. CELALETDİN ERGUN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Mühendislik Bilimleri, Onkoloji, Biotechnology, Engineering Sciences, Oncology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 114
Özet
Kanser her ne kadar anlaşılabilirliği artsa da günümüzde en yaygın hastalıkların başında yer almaktadır; Uluslararası Kanser Enstitüsü'ne göre 2012 yılında dünya çapında 8.2 milyon kişi kanser sebebiyle hayatını kaybetmiştir. TUİK 2016 raporuna göre ise kanser, Türkiye'deki ölüm nedenlerinin arasında, 80,577 insanın ölümüyle ikinci sırada yer almaktadır. Kanser tedavisinde bir çok yöntem olmasına rağmen hepsinin hala çok fazla sayıda kısıtlaması bulunmaktadır. Geleneksel yöntemler olarak kemoterapi, radyasyon terapisi ve ameliyat en sık kullanılan yöntemlerin başında gelir. Fakat günümüzde hastalık tanısı metastaz evresine geldiğinde konulursa bu tedavi yöntemlerinin hiçbir çaresi olmamaktadır. Günümüzde kanserin yan etkilerini azaltırken etki ve başarı oranını arttırmak için yapılan çalışmalar dünyaçapında hala devam etmektedir. Son zamanlarda yapılan bu çalışmalar arasında, alternatif manyetik alan içinde kanserli bölgeyi denatürasyon sıcaklığına çıkarabilen lokal bir tedavi olabilecek manyetik nanopartiküllerin kullanıldığı hipertermiya yöntemi geliştirilmektedir. Bu yöntemle, hedeflenen kötü huylu hücrelerin ısıtılıp denatürasyon sıcaklığı sayılan 42ºC'ye ulaşmaları sağlanırken sağlıklı dokulara zarar verilmemektedir. Böylece geleneksel yöntemlerin tedavi sırasında vücutta meydana getirdiği birçok ciddi yan etki ve hasar ortadan kaldırılabilmektedir. Manyetik hipertermiya tedavisinin performansı büyük ölçüde manyetik nanopartikülllerin (NP) malzeme çeşidine bağlı olmaktadır. Örneğin literatürde Fe3O4, MgFe2O4, MnFe2O4 vb. nanopartikül örnekleriyle yapılmış çeşitli çalışmalar bulunmaktadır. Her ne kadar manyetik hipertermiya için diğerlerine oranla üstün ve daha iyi ısınma sağlayabilen nanopartikül çekirdek malzemelerin olduğu söylense de değişik deney kurulum ve prosedürlerinin sonucu olarak elde edilen bu çalışma sonuçlarını karşılaştırmak çok sağlıklı bir sonuca ulaşılmasını imkansız kılmaktadır. Günümüzde hala geliştirilmekte olan manyetik hipertermiya yöntemi ile ilgili bilgi ve deneyimi arttırma ihtiyacı olup kullanılabilir bir tedavi yöntemi olması için anlaşılabilir düzeyde daha çok deneysel çalışma yapılması gerekmektedir. Bu deneysel çalışmada, değişik NP çekirdek materyalleri ve standartlaştırılmış başarılı kaplama yöntemleri uygulanmış olup bunların performansları analiz edilerek kullanılabilir gerçek bir tedavide verecekleri yanıtları daha iyi bir anlamak için in-vitro testlerde ısınma davranışları karşılaştırılmıştır. Bu çalışmanın ilk aşamasında, silika ve aminasyon kaplı süperparamanyetik nanopartikül (SPION) olarak SrFe12O19, BaFe12O19, MnFe2O4, MgFe2O4ve Fe3O4 çekirdekleri; öncelikle biyouyumluluğu, kimyasal kararlılığı ve değişik türdeki fonksiyonel gruplarla kolayca bağlanabilmesi için uygun yüzey kimyası özelliklerine sahip olan altınla kaplanmıştır. Sonrasında ise doğal, hidrofilik, manyetik nanopartiküller için mükemmel kararlılık ve çözünürlülük sağlayan özellikte olup manyetik nanopartiküllerin kan dolaşımı zamanını arttırması gibi özellikleri sebebiyle PEG kaplama yapılmıştır. İkinci aşamada her üretim sonrası elde edilen nanopartiküller VSM, FTIR ve SEM aracılığıyla karakterize edilmiştir. Elde edilen titreşimli örnek manyetik ölçer (İngilizce: Vibrating Sample Magnetometer, VSM) sonuçlarına göre tüm örnekler süperparamanyetik özellikler göstermektedir. Fourier Dönüşümlü Infrared Spektrofotometre (FTIR) sonuçlarıyla tüm kaplama yöntemlerinin başarıyla gerçekleştirildiği gösterilmiştir. Taramalı Elektron Mikroskobu (İngilizce: Scanning electron microscope, SEM) ile de boyut analizleri incelenmiş ve ayrıca altın kaplı numunelerin EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) sonuçlarıyla altın içerikleri elde edilmiştir. Son aşamada ise, indüksiyon ısıtma sistemi ile tüm ısıtma deneyleri agar jel yardımıyla hazırlanan örneklerde gerçekleştirilmiştir. AMF ısıtma deneyleri için kullanılan indüksiyon cihazı 3 sarmal bobine sahip olup 132 kHz frekansta çalışmaktadır. Malzeme karakterizasyon testleri sonucunda beş değişik çekirdek malzeme ve her biri için başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiş kaplamalarından oluşan örnekler istenilen şekilde üretildiği gözlenmiştir. Diğer taraftan manyetik hipertermiya testlerinde ise tüm çekirdek ve silika kaplama hariç diğer kaplanmış numuneler arasında MnFe2O4 örneği üstün ısınma kabiliyeti göstermiştir. Tüm çekirdek seviyesindeki örnekler içinde, farklı çekirdek malzemeleri değişik ısınma davranışları göstermiştir, örneğin MnFe2O4 çekirdeği 42 ºC'ye 2 dakika, 40 saniye içinde ulaşırken BaFe12O19 çekirdeği için bu süre 5 saatten uzun sürmüştür. Silika kaplanmış çekirdek numuneleri incelendiğinde yine BaFe12O19 örneği en düşük performansa sahip olup 42 ºC'ye ulaşma süresi 6 saati aşarken MgFe2O4 örneği için bu süre sadece 24 dakika, 40 saniyedir. Tüm aminasyon, altın ve PEG kaplanmış örnekler içinde, MnFe2O4 en iyi ısınma kapasitesi göstermiş olup bu süreler sırasıyla, 140 saniye, 90 saniye ve 80 saniyedir. BaFe12O19 örneği ise en düşük ısınma kabiliyetine sahip olmuş ve sırasıyla 4 saat, 46 dakika, 50 saniye; 2 saat, 57 dakika, 30 saniye ve 2 saat, 15 dakika, 30 saniye süren ısınma sürelerine sahiptir. Partiküllerin ısıtma kapasitelerinin değerlendirilmesi için kullanılan özgül emilim oranı veya özgül soğurma oranı (İngilizce: Specific absorption rate (SAR)) ile ilgili de bir çalışma yapılmış ve elde edilen ısıtma grafiklerinin sonuçlarına bağlı olarak hesaplanan SAR değerlerine göre bu çalışmada kullanılan partiküllerin ısınma kapasiteleri SAR değerlerinin artmasıyla artış göstermiştir. Genele bakılacak olursa, silika kaplanmış örnekler çoğu çekirdek tipinde ısınma kabiliyetini azaltırken, amine edilmiş silika kaplı çekirdekler malzeme türüne göre hem ısınmayı arttırıcı hem de azaltıcı yönde etkili olmuşlardır. Fakat, şaşırtıcı bir şekilde altın kaplanmış örnekler çekirdek tipinden bağımsız olarak tüm çok bileşenli örneklerde ısınma gücünü arttırıcı yönde etki göstermiştir. Şimdiye kadar bilinen dahilinde, elde edilen bu çalışma sonuçlarıyla literatürde daha önce karşılaşılmamıştır. Sonuç olarak bu çalışma; gerçekleştirilen tüm kaplama yöntemlerinin beş farklı çekirdeğin ısınma özelliklerini değiştirdiğini göstermiştir. Ve in-vitro ısıtma deneyleri, bu çalışmada kullanılanlar arasında manyetik hipertermiya yöntemi için uygun olabilecek iyi nanopartikül örneklerinin olduğunu göstermektedir. Literatürde yer alan birçok değişik materyale ait araştırmanın var olmasına karşın bu çalışmayla da standartlaştırılmış bir deneysel laboratuvar kurulumunda farklı tipte çekirdeklerle değişik katmanların bu çekirdeklere etkisi birarada incelenerek karşılaştırılmıştır. Laboratuvar ölçeğinde bakılacak olursa kolay ulaşılabilir ve ekonomik kimyasallarla yapılan laboratuvar deneyleri başarılı bir şekilde gerçekleşmiş olup tüm bu verilerin gelecek araştırmalar için ilgili çalışmalara ışık tutacağını söylemek mümkündür.
Özet (Çeviri)
Despite the advances in medical treatment techniques, cancer is still one of the worldwide health problems, causing 8.2 million cancer-related deaths worldwide in 2012 according to the National Cancer Institute (NCI). It is the second leading cause of death in Turkey, killing 80,577 people in 2016 according to the report of the Turkish Statistical Institute (TurkStat). For cancer treatment, there are several conventional methods such as chemotherapy, radiation therapy and surgery. However, there are many limitations of these methods related to these techniques. Nevertheless, there is no complete cure, today, if the disease is diagnosed at the metastatic stage. Extensive researches in worldwide scale are currently going on to develop new methods to prevent the adverse effects, increase the effectiveness and success of cancer treatment procedures. Among these recently developed methods, magnetic hyperthermia utilizes superparamagnetic nanoparticles (NPs) introduced into the cancerous tissue to increase the local temperature to the denaturation temperatures under the applied alternating magnetic field. By this way, targeted malignant cells in the cancerous tissue can be killed without damaging any other healthy tissues. The performance the magnetic hyperthermia treatment is strongly dependent on the material type of the magnetic NP. For instance, there are publications in the literature focusing on Fe3O4, MgFe2O4, MnFe2O4 etc. published by separate authors. Even though there is a strong evidence that some of the core materials may be superior to others and can provide better heating ability in magnetic hyperthermia treatment, it is almost impossible to compare their performance precisely by just comparing their results since they were performed by different experimental setups and procedures. There is still a need to increase the knowledge and experience in the utilization of this technique to have a much more complete understanding before applying it to the real medical cases. In this experimental study, the performance of the different NP core materials and succeeding coating layer fabricated in a standardized procedure were characterized and compared in terms of their heating ability in in-vitro testing protocols to develop a better understanding of their possible response in the real cases. In the first part of this thesis,“superparamagnetic nanoparticle”(SPION) of SrFe12O19, BaFe12O19, MnFe2O4, MgFe2O4 and Fe3O4 cores/SiO2/aminated were used to coat an intermediate gold layer and an outer the polyethylene glycol (PEG) layer. Gold coating is supposed to provide the nanoparticles surface properties which permit its attachment to different chemical radicals. Finally, with PEG coating, the blood circulation time and the biocompatibility of MNPs increase. Secondly, characterizations of the resulted functionalized SPIONs were made via vibrating sample magnetometer (VSM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and scanning electron microscope (SEM). Finally, all heating experiments were conducted using an agar phantom together with an inductive heating system, AMF heating experiments were conducted using a 3-turn coil at the frequency of 132 kHz. The result of materials characterization tests showed that five different cores and their succeeding coating layers were successfully synthesized as desired. On the other hand, it was found in magnetic hyperthermia tests that MnFe2O4 has a superiority in heating ability at all levels of coating except silica. In all samples in core level, different core materials showed different heating attitudes in a surprising range. For instance, MnFe2O4 cores reached to 42 ºC in 2 minutes and 40 seconds, it took more than five hours for BaFe12O19 core. Among all silica coated cores, again BaFe12O19 samples were shown the minimum performance, taking more than 6 hours to reach to 42 ºC while silica coated MgFe2O4 cores had a superior heating performance taking 24 minutes and 40 seconds. In all amination, gold and PEG coated conditions, MnFe2O4 always provided the best heating ability by 140 seconds, 90 seconds, and 80 seconds, respectively. BaFe12O19 provided always the least heating ability with 4 hours, 46 minutes and 50 seconds, 2 hours, 57 minutes and 30 seconds, and 2 hours, 15 minutes and 30 seconds. As a general trend, silica coating showed a decreasing effect on the heating ability of many core types, aminated silica coating showed either increasing or decreasing trend depending on the core type. However, as a surprising non intuitive results observed in this study was that Au coating layer independent of the core type was always improving the heating ability of the multi-coated NPs. To the best our knowledge this was observed for the first time in the literature. Overall, this study demonstrated these coating procedures change heating properties of five different cores. Moreover, in vitro heating experiments indicate that there are good examples in these nanoparticles, which are suitable choices for magnetic hyperthermia. With the easily accessible and economical chemicals, lab experiments were achieved successfully. And it can be definitely said that this thesis will be contribute related studies in these fields for future researches.
Benzer Tezler
- Fabrication of multi-component superparamagnetic nanoparticles and magnetic heating performance for hyperthermia cancer therapy
Hipertermi kanser terapisi için çok bileşenli süperparamanyetik nanopartiküllerin üretimi ve manyetik ısınma performansı
AYŞESİMAY ÇETİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Nanoparticle mediated diagnosis and combination therapy of bacterial infections
Başlık çevirisi yok
İREM KOÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
BiyoteknolojiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAVVA YAĞCI ACAR
- Multi-component models for seed and essential oil extractions
Uçucu ve tohum yağlarının çok bileşenli modellenmesi
AHMET TEZEL
Yüksek Lisans
İngilizce
1999
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖNER HORTAÇSU
- Özde kesikli iplik ve elastan içeren dual-core ipliklerin özelliklerinin incelenmesi
Investigation of properties of dual-core yarn containing staple fiber and elastan in core
NİDA YILDIRIM
Doktora
Türkçe
2018
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiErciyes ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN GAZİ TÜRKSOY