Investigation of the Photothermal Heating Potential of Small Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles
Küçük süperparamanyetik demir oksit nanoparçacıkların fototermal ısınma potansiyellerinin incelenmesi
- Tez No: 591107
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HAVVA YAĞCI ACAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 168
Özet
Süperparamanyetik nanoparçacıklar (SPION) klinikte onaylı formülasyonlarının bulunması ve yüksek biyouyumluluğu nedeniyle biyomedikal uygulamalarda en çok çalışılan parçacıklardır. Manyetik sahaya yanıt verebildiği için manyetik rezonans görüntüleme (MRI), manyetik yönlendirme ve manyetik hipertermi uygulamalarında çok başarılı sonuçlar sağlamıştır. SPION'lar farklı yüzey kaplaması ve büyüklükte hazırlanabilmekte, gen ve ilaç gibi terapötik ajanları taşıyabilmekte, hatta ligand konjügasyonu ile spesifik olarak hastalıklı hücre/dokulara medikal görüntüleme ve tedavi için gönderilebilmektedir. SPION'lar in vivo uygulama gerektirmeyen manyetik hücre ayırma, manyetik titreşim sönümleme, manyetik soğutma gibi uygulamalarda da çalışılmaktadır. Bu alanlardaki çalışmalara ek olarak, yakın zamanda SPION'ların fototermal terapi (PTT) uygulamasında da umut vaat edici ve etkili bir ajan olduğunu gösteren çalışmalar yapılmıştır. Son derece biyouyumlu SPION'ların PTT gibi lokal ve sağlıklı dokuya zarar vermeden minimal yan etki ile kanser ve bakteri tedavisinde etkili olabilen bir yöntemde kullanılabilmesi medikal sahada büyük heyecan yaratmıştır. SPION'lar yakın kızılötesi dalga boylarında (808 nm ve 1064 nm) uyarılarak lokal sıcaklık artışı yaratabildikleri için PTT sahasının önemli bir ihtiyacını da karşılamaktadır. Ancak yapılan çalışmalarda fototermal etkinin kaynağı tam incelenmemiş, etkinin incelendiği yayınlarda ise sistematik bir yaklaşım çok benimsenmemiş ve bu etkinin kaynağı tam anlaşılamamıştır. Bu etkinin absorpsiyona bağlı olabileceğinden ve nanoparçacıkların topaklanması ile güçlenebileceğinden bahsedilmiştir. Ancak, bu bahsedilen dalgaboylarında SPION'ların çok güçlü bir absorpsiyonu görülmemekle birlikte topaklaşma da in vivo ve klinik çalışmalarda biyodağılımı değiştireceği için istenmeyen bir oluşumdur. Bu tez çalışmasında öncelikle kararlı, ufak (100nm ve altında) ve yüzey fonksiyonel (amin ve karboksilik asit) SPION'ların PTT potansiyeli uyarı dalgaboyu, lazer gücü ve şiddetine bağlı olarak incelendi. Lazer uygulamasının nanoparçacıklarda herhangi bir değişikliğe neden olup olmadığı incelendi. Sıcaklık artışının dalga boyuna bağımlılığının incelendiği deneyler 10 nm aralıklarla 728-838 nm aralığında yapılmış ve sıcaklık artışının uyarılan dalga boyundaki sönümlenmeden bağımsız olduğu elde edilmiştir. Bu sonuç 728-838 nm aralıgında daha yüksek penetrasyon sağlayan ve daha az zararsız uzun dalga boylarının kullanılmasının herhangi bir sıcaklık kaybına neden olmayacağını göstermiştir. Lazer gücü sabit tutulup hüzme yarıçapının değiştirilip böylece elde edilen farklı lazer güçlerinde yapılan deneyler meydana gelen sıcaklık artışının uygulanan lazer şiddetinden bağımsız olduğunu göstermiştir. Ancak uygulanan lazer gücü değiştiğinde sıcaklık artışının değiştiği elde edilmiştir. Böylece SPION'lar lazer ile uyarıldığında sıcaklık artışını etkileyen faktörler belirlenmiş ve literatüre SPION PTT mekanizmasının anlaşılmasına katkı bulunacak sonuçlar kazandırılmıştır. Kontrol olarak kullanılan suyun sıcaklığı uyarılan herhangi bir dalga boyu ve gücünde 1 ◦C bile artmamıştır. Böylece çalışmada kullanılan dalga boylarının ve güçlerin klinik olarak son derece uygun olduğu görülmektedir. Lazer sonrası nanoparçacığın yapısında meydana gelen değişimler farklı karakterizasyon yöntemleri ile incelenmiş ve parçacığın lazer sonrası kararlı yapısını koruduğu görülmüştür. Son olarak hücre çalışması HeLa hücre hattında başarılı bir şekilde gerçekleşmiştir. Tek başına PTT çalışmalarının yanı sıra PTT nin diğer tedavi yöntemleriyle birlikte kullanılması son derece etkili sonuçların elde edilmesine imkan sağlamaktadır. Bir diğer fototerapi yöntemi olan fotodinamik terapi (PDT) klinik uygulamalarda sıkça kullanılmaktadır. Bu iki fototerapi yönteminin birlikte uygulanması son yıllarda popüler bir yöntemdir. Bu kombine tedavinin tek bir dalga boyunda tek bir güçte yapılmasını sağlayacak PDT ve PTT ajanlarının birleştirilmesi çok kıymetlidir. Bu amaç ile tez çalışmasının ikinci aşamasında klinik uygulamada sıkça kullanılan PDT ajanı indosiyanin yeşili (ICG) ile 3 aminopropiltrimetoksisilan kaplı SPION'nun birleştirilerek kombine fototerapi potansiyeli incelendi. ICG elektrostatik olarak SPION'lara (ICG-APTMS@SPION) yüklenmiş ve fototerapi deneyleri 795 nm dalga boyunda tek bir uyarılma ile gerçekleşmiştir. Böylece ICG'nin kararlılık sorunu SPION'lara yüklenmesiyle aşılmıştır. Tek başına PDT, tek başına PTT ve kombine PTT+PDT terapinin başarısı kolon (HT29) ve göğüs kanseri (MCF7) hücrelerinde incelenmiştir. APTMS@SPION kullanılarak yapılan PTT deneylerinde her iki hücre hattında da önemli bir ölüm meydana gelmeyip sadece hafif hipertermi gerçekleşmiştir. Tek başına ICG, PDT deneyleri sonucunda HT29 hücresine kıyasla MCF7 hücre hattında daha çok ölüm meydana getirmiştir. ICG-APTMS@SPION lazer ile uyarılmasıyla yapılan kombine tedavi ile iki hücre hattında da tümör hücreleri hemen hemen tümüyle yok edilmiştir. Kanser tedavisinin yanı sıra nanoparçacıkların lazer uygulaması bakteri çalışmalarında da önem kazanmıştır. Bu amaçla ICG, APTMS@SPION ve ICG-APTMS@SPION' nun lazer altında antibakteriyel potansiyeli hem planktonik hem biofilm Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Escherichia coli ve Staphylococcus epidermidis bakterilerinde test edilmiştir. Lazer uygulaması sonrası hem planktonik hem biofilm seviyede önemli inhibisyonlar gözlemlenmiştir. Kemoterapi kanser tedavisinde sıkça kullanılmasına rağmen ilacın istenilen bölgede birikiminin az olmasından dolayı istenilen etkili sonuçlar alınamamaktadır. İlaçların bir nano taşıyıcı ile birleşmesi yan etkileri azaltarak daha az dozda daha verimli bir tedaviye imkan sağlayacaktır. Buna ek olarak kemoterapinin PTT gibi lokal bir yöntemle birleşmesi tedaviyi daha etkili kılacaktır. Bu amaçla prostat kanseri tedavisinde sıkça kullanılan etoposide (Eto) elektrostatik bağlanma ile BSA konjuge edilmiş PAA@SPION'lara yüklenmiştir. Üç farklı prostat kanseri hücre hattında (PC3, LNCAP ve DU145) yapılan toksisite deneyleri ilaç taşınımının nanoparçacıklarla başarılı bir şekilde gerçekleştiğini göstermiştir. Lazer uygulaması sonrasında ise güce bağlı olarak tümör hücrelerinde önemli ölüm elde edilmiştir. Özetle, bu tez SPION'ların PTT mekanizmasını etkileyen faktörlerin incelenmesini ve farklı kaplamalı SPION'ların PTT uygulamasının diğer terapi yöntemleriyle birleştiğinde daha etkili olduğunu göstererek literatüre daha etkili ve zararsız tedavi imkanları sağlamayı hedeflemektedir.
Özet (Çeviri)
Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) are the most studied nanoparticles for biomedical applications due to its FDA approved formulations and superbiocompatibility. They are clinically used as a contrast agent in magnetic resonance imaging (MRI). They have also provided successful results in magnetic dragging and magnetic hyperthermia owing to their strong response to external magnetic field. SPIONs may be prepared with different surface coatings and in various sizes and hence, may be utilized for gene and drug delivery as well as for targeted delivery to diseased sites or cells for specific medical imaging and therapy. SPIONs are also utilized in non-medical fields such as cell sorting, magnetic damping or magnetic refrigeration. In addition to these application areas, there has been a various number of reports showing that SPIONs may be effective sensitizers in photothermal therapy (PTT). Such potential of SPIONs is very exciting for people working with SPIONs in the field of biotechnology and medicine since this means another way of utilizing SPIONs in PTT which is a local and less invasive treatment for cancer and bacterial infections. SPIONs has an important role in PTT studies because they induce temperature increase when they are irradiated with 808 and 1064 nm laser. Yet, the origin of the photothermal effect in case of SPIONs is still not clearly understood. A systematic study was not ever performed to understand the mechanism. It has been suggested that this effect depends on the absorption and hence to agglomerate sizes; however, SPIONs do not have any strong absorbance at these wavelengths. The agglomerate sizes are not appropriate for in in vivo and clinical studies. In the first part of this thesis, PTT potential of SPIONs was investigated based on irradiation wavelength, laser power and laser intensity. Influence of laser irradiation on the properties of SPIONs were also determined. The dependence of the temperature increase on the laser irradiation wavelength was tested over 728-838 nm with 10 nm steps and it was found that there is no relation between temperature increase and attenuation within this wavelength range. This result suggested that longer wavelength which provides deeper penetration could not cause any temperature loss. Intensity dependent experiments, where the power was kept constant and the spot size was changed, indicated that the temperature increase does not depend on the laser intensity. But the temperature increase changed with the laser power. Hence, factors affecting the temperature increase were determined. These laser treatments did not provide even 1 ◦C temperature increase in water within this irradiation wavelength range. This suggested that these laser powers are clinically applicable and safe in the absence of SPIONs. Detailed characterization showed that there is no change on particle properties. Lastly, PTT using small and stable SPIONs were successfully achieved on HeLa cells. Combination of PTT with other techniques enhanced the therapeutic outcome. Photodynamic therapy, another type of phototherapy, is widely used in clinical applications. Combined PTT and PDT became a very popular in recent years. It is very valuable to perform combined therapy with single irradiation at the same wavelength. In the second part of the thesis, the combined therapy potential of indocyanine green (ICG) and 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) coated SPIONs were investigated. ICG was electrostatically loaded to SPIONs and its phototherapy experiments were performed with single irradiation at 795 nm (700 mW) for 10 min. The therapeutic effect of PTT, PDT and combined PTT+PDT was examined on both colon (HT29) and breast (MCF7) cancer cells. PTT experiments with APTMS@SPIONs did not induce any important cell death at these conditions; however, it caused mild hyperthermia. PDT experiments performed with ICG caused more cell death in MCF7 cells compared to HT29 cells. Combined therapy with ICG-APTMS@SPIONs caused near complete cell death on both cell lines with a single laser treatment. In recent years, phototherapy emerged as an effective option in fight against bacterial infections. In the third part of this thesis, the antibacterial activity of free ICG, APTMS@SPIONs, and ICG-APTMS@SPIONs was tested on both planktonic cells and biofilms of Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Escherichia coli and Staphylococcus epidermidis under laser irradiation. An important growth inhibition was observed on both planktonic cells and biofilms after laser treatment, proving use of SPION based PTT with or without other photosensitizers as an effective antibacterial treatment method. Chemotherapy is widely used in cancer treatment; however, poor drug accumulation and serious side effects limit the effective therapy. Encapsulation of drug into nanoparticles usually enhances the therapeutic outcome. Further improvement may be achieved via combined chemotherapy and PTT. In the fourth part of this thesis, etoposide (Eto) was electrostatically loaded to BSA@PAA@SPIONs to treat three different prostate cancer cells (PC3, LNCaP, and DU145) with and without laser treatment. High drug accumulation was achieved with nanoparticles and an important cell death was observed as a function of NP dose and laser power. Overall, this thesis aimed to investigate the factors affecting the photothermal potential of“small”SPIONs and combine the PTT potential of SPIONs with other therapeutic methods to provide enhanced therapeutic outcomes.
Benzer Tezler
- Investigation of photothermal properties of bismuth-tin core-shell particles derived from liquid metals
Sıvı metallerden elde edilen bizmut-kalay çekirdekkabuk parçacıklarının fototermal özelliklerinin incelenmesi
DOĞU ŞEYDA
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SİMGE ÇINAR AYGÜN
- Aktif ilaç hedefleme amaçlı mikrorobot sistemlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of microrobot systems for active drug targeting
GÜLŞEN AYBAR TURAL
Doktora
Türkçe
2024
Eczacılık ve FarmakolojiEge ÜniversitesiFarmasötik Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KEVSER ÖZGEN ÖZER
- Üç boyutlu faz hologram uygulamaları için foto-termo-refraktif camların geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of photo-thermo-refractive glasses for three dimensional phase hologram applications
ORHAN KIBRISLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ ERÇİN ERSUNDU
- Investigation of phototherapeutic effect of photosensitizer coated quantum dot nanoparticles on trichophyton rubrum
Foto hassaslaştırıcı kaplı kuantum noktacık nanopartiküllerin trichophyton rubrum üzerine fototerapötik etkisinin incelenmesi
SEVGİ ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
MikrobiyolojiKoç ÜniversitesiTıbbi Mikrobiyoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZLEM DOĞAN
- Skin tissue welding with near infrared lasers: Investigation of the optimal parameters
Yakın kızılaltı laserlerle deri dokusu kaynağı: Optimal parametrelerin araştırılması
HAŞİM ÖZGÜR TABAKOĞLU
Doktora
İngilizce
2010
BiyomühendislikBoğaziçi ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT GÜLSOY