Geri Dön

Development of novel superparamagnetic iron oxide based theranostic nanoparticles

Demir oksit bazlı özgün teranostik nanoparçacıkların geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 482336
  2. Yazar: ÖZLEM ÜNAL
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. HAVVA YAĞCI ACAR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 196

Özet

Süperparamanyetik demir oksit nanoparçacıklar (SPIONs) ilaç taşınımı, manyetik rezonans görüntüleme (MRI), hipertermi ve doku mühendisliği gibi sürekli gelişen nano tıp alanlarında çok fazla kullanılan nano platformlardır. SPION ların bu kadar fazla ilgi görmesi yüksek biyo uyumlulukları ile ilişkilidir, öyle ki klinik onaylı tek metal oksit nano parçacık türüdür. Kolay sentezlenebilmeleri, yüksek ve noninvaziv görüntüleme imkanı vermeleri ve farklı yüzey kimyalarına açık olmaları da diğer avantajlarından bazılarıdır. Nano-teranostik alanına hatırı sayılır katkılarına karşın, SPION' ların potansiyeli, yeterince özgün kombinasyonlar kullanılarak değerlendirilmemektedir. SPION ların görüntülenme kapasiteleri MRI ile kısıtlıdır. Fakat sonradan eklenilen ve demir oksit çekirdeğinden ötürü zaman içinde ışıması kaybolan floroforlar ile çoklu görüntülenme imkanları yaratılabilmektedir. Buna karşın, luminesan bileşikler ile demir oksit çekirdeğinin etkileşimi, organik floroforun demir oksit üzerinde ışıma kaybına uğradığını gösteren birkaç çalışma dışında yeterince açığa çıkarılmamıştır. Özellikle, demir oksit- poliamin kombinasyonları literatürde gen aktarımında sıkça kullanılmasına karşın, demir oksit çekirdeğinin poliaminlerin zayıf ışımasına nasıl etki ettiği çalışılmamıştır. Bu noktada, dallı polyetilenimin (bPEI) kaplı demir oksit nano parçacıklar üzerine olan çalışmamız bPEI'e ait zayıf, mavi ışımanın demir oksit çekirdeği üzerine kaplandığında çok yüksek ölçekte ve metoda bağlı olarak arttığını ve uyarılma dalga boyuna bağlı ışıma gösterdiğini ortaya çıkarmıştır. Bu özgün bulgu, özellikle demir oksit çekirdeğinin elektromanyetik tayftaki görünür dalga boyunu soğurduğu bilgisi dikkate alındığında ilginçtir. Titizlikle sürdürülmüş spektroskopik ve teorik çalışmalar, bPEI'e ait zayıf ışımanın bu denli artmasının nedenlerini ortaya çıkararak poliamin literatürüne önemli katkıda bulunmuştur. Sonuç olarak, PEI'e ait amin gruplarının yükseltgenmesi, nano parçacık yüzeyine tutunan bPEI' nin moleküler hareketliliğinin kısıtlanması asidifikasyon etkisi ile birleşerek bPEI/SPION a ait bu güçlü ışımanın arkadaşındaki temel etkeni oluşmuştur. Ayrıca, bu kendinden mavi ışıma özelliğine sahip SPION'ların teranostik potansiyeli de, PEI üzerindeki amin gruplarının yükseltgenmesinin bPEI/SPION un gen taşıma ve MRI sinyali üretme özelliklerini kayba uğramadığını temin etmek amacıyla test edilmiştir. Beklenildiği üzere, bahsedilen bPEI/SPION ların hücre içinde güçlü mavi ışıma verdikleri konsantrasyonda, kayda değer T2 MR sinyali de ürettikleri kaydedilmiştir. Buna ek olarak, söz konusu amin gruplarındaki kimyasal yükseltgenmenin PEI'nin gen taşıma işlevinin önünde engel teşkil etmediği, model oligonüklotit poly I:C nin servikal kanser hücre hattı HeLa ya başarılı bir şekilde aktarılmasıyla gösterilmiştir. Kısaca, nano tıpta yaygın olarak kullanılan bPEI kaplı SPION lar hakkındaki bu önemli bulgu, hem luminesan poliaminlere ait literatüre konseptsel gelişme sunmuş, hem de bPEI kaplı demir oksitlerin nanoparçacıkların yeni görüntüleme yeteneğini açığa çıkararak kapsamını genişletmiştir. Nano tıpta karşılaşılan en önemli problemlerden birisi, gen taşıyıcı nano parçacıkların gen taşıma verimlerinin yüksek tutulması amacıyla, toksik poli katyonik bileşenler ile sınırlandırılmasıdır. Bu durum, SPION ların yüksek biyo-uyumluluk potansiyeline özellikle engel teşkil etmektedir. Bu nedenle, demir oksit çekirdeğinin gösterdiği biyo-uyumluluk özelliğinden bütünüyle yararlanmak için, polikatyonik yapıların bertaraf edilmesiyle daha güvenli ve yüksek fonksiyonellikle SPION bazlı gen taşıyıcı tasarımların geliştirilmesine ihtiyaç vardır. Gen aktarım çalışmalarında yer alan bu güncel problem ile ilgili olarak, özgün, çok fonksiyonlu, SPION bazlı mikro RNA (miRNA) ilaç taşıyıcı ajanlar daha güvenli gen aktarımı gerçekleştirmek amacıyla tarafımızdan ileri sürülmüştür. Bu motivasyonla, hücre dışı ortamda miRNA taşıdığı bulgusundan hareket ederek, doğal miRNA taşıyıcı protein Argonaute 2 (AGO2) nun SPION yapılarıyla birleştirilmesi amaçlanmıştır. Bu özgün tasarımların miRNA aktarma potansiyelleri, hedeflenebilir ve görüntülenebilir olması yaklaşımıyla meme kanserine karşı test edilmiştir. Bu amaçla, hedefleme etiketi (antiHer2 proteini) ve uzak kırmızı bölgede ışıma gösteren floresan etiket (Cy5), AGO2 bağlanmış SPION lara eklenmiştir. Nihahi ürün, otofaji ile ilintili miR376b terapatiklerinin Her2 büyüme reseptörünü yoğun salgılayan meme kanseri hücrelerine seçici ve görüntüleme eşliğinde aktarılmasını sağlamak üzere tasarlanmıştır. SPION- protein kompleksi, içeriğindeki her bir yapı taşının işlevselliğini korumak üzere en etkin biyo-konjügasyon teknikleri kullanılarak elde edilmiştir. Geliştirilen SPION-protein birleşenleri Her2 reseptorünü yoğun olarak salgılayan MDA-MB-453 ve SKBR3 meme kanseri hücrelerinde mükemmel in vitro ve in vivo biyo-uyumluluk ve hedefleme özellikleri göstermiştir. Ayrıca, SPION-protein konjugatlarının miR376b mimiklerini aktarabilme özellikleri, MDA-MB-453 ve SKBR3 hücreleri ile yapılan ve yerel miR376b lerin seviyesindeki artış şeklinde tayin edilen in vitro testler ile doğrulanmıştır. Söz konusu SPION ların in vivo miRNA aktarma verimleri ise halen yürütülen meme kanseri tümör küçültme çalışmalarıyla ile değerlendirilmektedir. Bütün olarak ifade edildiğinde, geliştirilen anyonik, ultra küçük, koloidal olarak kararlı ve çok fonksiyonlu SPION-protein birleşenleri, AGO2-miRNA kompleksleşmesini ilk kez canlı dışı ortamda gerçekleştiren literatürde öncül formulasyonlardır. Bununla birlikte, söz konusu SPION-protein birleşenleri güvenli ve başarılı miRNA aktarım çalışmaları için güçlü adaylarladır. Moleküler hedefleme, yeni jenerasyon teröpatikler tarafından sunulan ve daha az doz ile daha yüksek teröpatik etki görülmesini sağlayan gelişmiş bir stratejidir. Ancak sözü edilen yetkinliğine rağmen, hedefleme yaklaşımı kanser hücrelerindeki her bir afinite birleşeni göz önüne alınarak geliştirilmelidir. Bu gelişmiş hedefleme uygulaması, özellikle meme kanseri gibi birden çok moleküler belirtisi olan hastalıklar için değerlidir. Meme kanseri, hücre yüzeyinde yoğun salgılanan birden çok tipte reseptörün varlığı sebebiyle önemli derecede heterojen bir hastalıktır. Bu nedenle, tek tip hücre yüzeyi reseptörünü hedeflemek bazen tek bir tümörde dahi birden fazla hücre tipi bulunduran meme kanseri için çalışan bir yöntem değildir. Bu amaçla, meme kanseri hücreleri yüzeyinde yoğun salgılanan Her2 ve EGFR sinyal verici reseptörleri aynı anda tanıyan SPION-antikor birleşenleri tarafımızdan geliştirilmiştir. Çift dalga boyunda ışıma gösteren (yeşil ve uzak kırmızı) ve çift hedefli bu SPION- antikor birleşenleri, yine bio-konjügasyon teknikleri esas alınarak tasarlanmıştır. Moleküler hedefleme yeteneklerinin ötesinde, SPION-antikor birleşenleri süperparamanyetik demir oksit çekirdeğinin varlığının avantajı ile manyetik olarak da hedeflenebilmektedir. Çift hedefli SPION-antikor birleşenleri anyonik, koloidal olarak kararlı ve vücut içerisinde dolaşabilecek kadar küçük olarak elde edilmişlerdir. Söz konusu SPION-antikor birleşenlerinin hedefleme verimini göstermek için, halen sürdürülmekte olan ve farklı düzeyde Her2 ve EGFR salgılayan meme kanseri hücreleri üzerinde yapılan görüntüleme bazlı (FACS) hücre içi alınım testleri tasarlanmıştır. in vitro testlerin tamamlaması ile, çiftli hedeflenebilen SPION ların moleküler hedefleme yaklaşımını daha spesifik ve daha akıllı hale getireceği öngörülmektedir. Özetle, bu tez, eski SPION kompozisyonlarına yeni görüntüleme seçenekleri sunarak, miRNA taşıyıcı SPION ların biyo-uyumluluğunu önemli ölçüde yükselterek ve moleküler hedefleme stratejilerini güçlendirerek literatürde yer alan SPION bazlı teranostik çalışmalara katkı sağlamayı amaçlamaktadır.

Özet (Çeviri)

Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) constitute popular nano-platforms in the continuously improving field of nanomedicine providing magnetic field dependent response. They are frequently investigated for opportunity for drug delivery, magnetic resonance imaging (MRI), hyperthermia and tissue engineering. Such popularity of SPIONs partially originates from their high biocompatibility. Indeed, SPIONs are the only clinically approved metal oxide nanoparticles. The ease of preparation, non-invasive diagnostic capability and suitability for further surface chemistries are another set of advantages in the medical field. All these properties make them potentially theranostic nanoparticles which can be adopted in various therapeutic and diagnostic modes of action in medicine but there seems to be more to explore in these novel compositions. First part of this thesis summarizes the discovery of the intrinsically luminescent polyethyleneimine (PEI) coated SPIONs which provides gene-delivery combined with bimodal imaging modality. Such compositions have been studied frequently as transfection agents but their luminescence potential has never been considered or recognized before. Here, it will be shown that there is a tremendous and method dependent improvement in the poor blue luminescence of branched polyethyleneimine (bPEI) when coated on the surface of SPIONs. This novel finding is interesting especially when the quenching capability of iron oxide core in the visible range of the electromagnetic spectrum is taken into account. Carefully conducted spectroscopic and theoretical studies in this thesis tried to uncover the origin of such enhancement and provide an important contribution to the literature of luminescent polyamines. Ultimately, the amine oxidation, the restriction of bPEI upon its surface adsorption coupled with final acidification is the major combinatory factor behind such a strong emission observed from bPEI-SPIONs. Besides, the transfection study of therapeutic oligonucleotide, poly I:C to the cervical cancer cell line HeLa demonstrated the potential theranostic utility of such nanoparticles. In short, this crucial finding, which is about the widely used bPEI coated SPIONs in the nanomedicine, both serves as a conceptual improvement in the literature of the fluorescent polyamines and enhances the scope of bPEI-SPIONs by showing their new diagnostic capability. Second part of this thesis is devoted to an effort to develop a non-toxic, non-cationic, protein based transfection agent containing SPIONs as the carrier and signaling moiety. One of the most significant obstacles in the field of nanomedicine is the restriction of the gene carrier nanoparticles to the toxic poly-cationic compositions in order to improve their gene loading efficiency. This is a major drawback which particularly frustrates the notable biocompatibility of SPIONs. Therefore, safer and highly functional SPION based gene carrier designs need to be developed by excluding polycations to take advantage of the biocompatibility of iron oxide core to the full extend. With regards to this current problem, this thesis will demonstrate the development of a novel and multifunctional SPION based miRNA delivery agent utilizing a natural miRNA carrier protein Argonaute 2 (AGO2) inspired by the natural miRNA carrying capability of AGO2 in the extracellular media. The ultimate nanoparticle was designed as AGO2 conjugated SPIONs tagged with an affinity tag (antiHer2 protein) and a far red emissive fluorescent tag (Cy5) to achieve a selective and image guided delivery of autophagy related miR376 therapeutics to the breast cancer models. At the second part of the thesis, the development of the small and colloidally stable AGO2 and antiHer2-dye conjugated SPIONs were discussed with an optimized protocols. These nanoparticles show an excellent in vitro and in vivo biocompatibility and imaging guided in vitro and in vivo targeted delivery to the MDA-MB-453 and SKBR3 breast cancer cell lines. Besides, their capability for the delivery of miR376b mimics was confirmed by in vitro analysis on MDA-MB-453 and SKBR3 which shows an increase in the level of native miR376b transcription. This work provides a first example to non-cationic, protein based SPION-transfection agent and miRNA-AGO2 complexation outside the biological environment. Third part of this thesis work focuses on the delivery of SPION-based transfection agents to tumor tissue under the consideration of the intra-tumor heterogeneity. The molecular targeting of the therapeutics to the desired tissue is a new approach which reduces the side effects of therapeutics and improves their therapeutic efficiency. However, the tumors, especially those possessing the multiple molecular cues such as breast cancer, are heterogeneous and the cells even within the same tumor may show the overexpression of different receptors. In order to enhance the targeting efficiency of heterogeneous tumors, SPION immuno-conjugates which combine the antibodies sensing the overexpressed Her2 and EGFR signaling receptors on the surface of the breast cancer cells were developed in this thesis. Beside their specific molecular targeting capability, SPION immuno-conjugates take advantage of the superparamagnetic iron oxide core and can be directed under magnetic field which provides magnetic targeting as well. Bispecific SPION immuno-conjugates are anionic, colloidally stable and small enough to circulate in the body. Targeting different breast tumor cell lines with such SPIONs are demonstrated in vitro. This approach contributes to a newly developing area of targeting nanoparticles to tumor heterogeneity. In a conclusion, this thesis aimed to contribute to the literature of SPION based theranostics by providing new diagnostic capabilities, improving the biocompatibility and strengthening the molecular targeting issues.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    501863

    Development of protein-conjugated spion-based theranostic nanoparticles as small RNA gene therapy vehicles in cancer treatment

    Küçük RNA taşınması ve kanser gen terapisinde kullanılmak amaçlı protein konjuge edilmiş, spion tabanlı teranostik nanopartiküllerin geliştirilmesi

    MUHAMMED KOÇAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    BiyolojiSabancı Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DEVRİM GÖZÜAÇIK

  2. Tez No

    444549

    Development of spion-based theranostic nanocarriers for small rna delivery and cancer gene therapy

    Küçük rna iletimi amaçlı spıon temelli teranostik nanotaşıyıcıların geliştirilmesi ve kanser gen tedavisinde kullanımı

    ESRA SİNOPLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    BiyomühendislikSabancı Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DEVRİM GÖZÜAÇIK

  3. Tez No

    427831

    Biomacromolecules, molecules and functional nanoparticles for therapeutic and diagnostic applications

    Terapötik ve diagnostik uygulamalar için biyomakromoleküller, moleküller ve fonksiyonel nanoparçacıklar

    AYŞE ÖZDEMİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Biyoteknolojiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. AYŞE BEGÜM TEKİNAY

    DOÇ. DR. TURGAY TEKİNAY

  4. Tez No

    750191

    The development of prophylactic and therapeutic vaccine using cell derived extracellular vesicles

    Hücre kökenli hücre dışı kesecikler kullanılarak profilaktik ve terapötik aşı geliştirilmesi

    MUZAFFER YILDIRIM

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Biyolojiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İHSAN GÜRSEL

  5. Tez No

    591096

    Development of metal and metal oxide nanoparticles and investigation of their potential applications

    Metal ve metal oksit nanoparçacıkların geliştirilmesi ve potansiyel uygulama alanlarının incelenmesi

    ÖZGE ÇAVUŞLAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    KimyaKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAVVA YAĞCI ACAR

Geri Dön