Development of ag-based quantum dots for optical imaging and multimodal therapy of cancer
Optik görüntüleme ve multi-modlu kanser tedavisi için ağ tabanlı kuantum noktalarının geliştirilmesi
- Tez No: 667911
- Danışmanlar: PROF. DR. HAVVA YAĞCI ACAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyoteknoloji, Kimya, Biotechnology, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 254
Özet
Parçacık boyutlarına göre ayarlanabilen, güçlü ve uzun ömürlü emisyon özelliğine sahip ışıyan kuantum noktaları (QD'ler), geçtiğimiz on yılda önemli ölçüde dikkat çekmiştir. QD'lerin teranostik potansiyelleri, hastalıkların tanı ve tedavisinde ilaç/gen taşınmasında kullanılmaları ve güçlü optik etiketlemeyi mümkün kılmaları açısından çeşitli çalışmalarda doğrulanmıştır. Ancak, sitotoksisiteleri nedeniyle QD'lerin klinik kullanımı hala mümkün değildir. Ag tabanlı QD'ler, yakın kızılötesi bölge olan tıbbi görüntüleme penceresinde emisyonlu PbS, PbSe ve CdHgTe gibi ağır metal içeren QD'lere kıyasla olağanüstü biyouyumluluğa sahip en umut verici QD'lerden biridir. Bu tez çalışmasında, kanserle mücadelenin acil ihtiyaçları olan teşhis ve tedavide kullanılmak üzere gelecek vaat eden Ag-kalkojenit QD'lerin sentezi ve yüksek özgüllük ve etkinlik ile bu alanlarda uygulanması amaçlandı. Burada benimsenen terapötik yaklaşımlar, fototerapileri ve bunların kemoterapi ile kombinasyonlarını içeriyor olup, ek olarak tümör spesifikliği, reseptör hedefleme ile elde edildi. İlk yaklaşımda, NIR dalga boyunda ışıyan anyonik Ag2S QD'ler kullanılarak kolorektal kanseri hedefleyen PDT/kemoterapi için QD'ler geliştirildi. EGFR hedeflemesi için Cetuximab ile etiketlenen ve ALA ve 5FU ile yüklenen Ag2S QD'ler, EGFR (+) hücrelerde önemli ölçüde toksisite sağlamıştır. ALA'nın QD'lere elektrostatik yüklenmesi veya amid veya hidrazon bağlarıyla kovalent konjugasyonu yapılarak, farklı pH değerlerine duyarlı ALA salınım seviyeleri elde edildi. Elektrostatik olarak yüklü ALA'ya sahip QD'ler en hızlı salınma ve PpIX oluşumunu sağladı ve bu nedenle en verimli olarak belirlendi. QD'lerin güçlü NIR sinyali ile izlenebilen Cet konjuge parçacıkların, reseptör aracılı endositoz yoluyla seçici olarak verilmesi, EGFR (+) hücrelerinde tedavi etkinliğini arttırdı. Kısa bir inkübasyon süresinden (4 saat) sonra, bu terapötik partiküllerle 100 μg/mL [Ag]/0.688 mM ALA ile tedavi edilen SW480 hücrelerinin 420 nm'de, 5 dakika ve 630 nm, 1 dakika olmak üzere tek ve kısa uyarımının ardından, canlılık sırasıyla %38'e ve %5'e düştü. Toksisite, yüksek seviyelerde reaktif oksijen türleri (ROS) ve apoptotik/nekrotik hücre ölümü ile korelasyon gösterdi. Burada ulaşılan ana sentetik hedef, toksik olmayan, oldukça kararlı, güçlü ışıyan ve küçük Ag-kalkojenit QD'lerin sulu çözeltide, tek adımlı, basit ve ekonomik sentezidir. Geliştirilen QD portföyü, %70 kuantum verimi, NIR emisyonu ve mükemmel stabiliteye sahip glutatyon (GSH) kaplı Ag2S QD'leri ve %21 kuantum verimine sahip GSH kaplı görünür bölgede ışıyan ve gelişmiş stabiliteye sahip AgInS2 QD'leri içerir. Ag2S QD'lerin büyük başarısına rağmen, mevcut mikroskopların, lambaların ve LED'lerin çoğu görünür aralıkta çalıştığından, görünür bölgede emisyonlu küçük ve kararlı AgInS2 QD'ler de geliştirildi. Daha sonra, terapötik ajanların bu tür optik olarak izlenebilir QD'lere sahip tümör hücrelerine iletilmesi ve bu QD'lerin terapötik potansiyeli değerlendirildi. Görünür bölgede ve NIR'da güçlü absorbans ve güçlü ışıma özelliği olan Ag-kalkojenit QD'ler bu tez kapsamında fototermal terapi (PTT) ajanları olarak değerlendirildi. Ag2S-GSH, başka herhangi bir terapötik ajan kullanmadan kendi başına büyük bir terapötik potansiyel sergileyen görüntü kılavuzlu PTT sağlayan güçlü bir PTT ajanı olarak bulunurken, AgInS2-GSH bu açılardan zayıftı. Ag-kalkojenitlerin PTT potansiyeli, kanser hücrelerinin aşırı eksprese ettiği folat reseptörünün hedeflenmesi amaçlanarak, partiküllerin folik asit ve metotreksat (MTX) ile dekore edilmesi yoluyla görüntü kılavuzluğunda hedefli kombinasyon terapisi (PTT/kemoterapi) ile değerlendirildi. Folat reseptörlerinin hedeflemesi ile QD'lerin hücre içine alımı üç katına çıkarıldı ve PTT/MTX kombinasyon terapisi, 808 nm'de 10 dakika süreyle tek bir lazer uyarımı ile (700 mW, 1,82 W/cm2) 1,25 μg MTX/mL: 25 μg Ag/mL Ag2S-GSH kullanılarak FR (+) HeLa hücrelerinin canlılığını sadece 4 saatlik inkübasyondan sonra yaklaşık %80 azalttı. AgInS2 QD'ler görüntüleme ve ilaç taşınmasında etkiliydi, ancak PTT katkısından yoksundu. Bu tezin literatüre son katkısı, anyonik 2-merkaptopropiyonik asit (2-MPA) ve katyonik polietilenimin (PEI) ile kaplı kararlı ve güçlü ışıyan anyonik ve katyonik AgInS2 QD'lerin sulu bir çözeltide, tek aşamalı, katkı maddesi veya inorganik dış kaplama kullanılmadan sentezlenmesidir. Aynı çekirdeğe sahip ancak farklı bir kaplamayla sentezlenen bu QD'ler, ALA'yı tümör hücrelerine iletmek için en iyi yüzey kimyasını araştırmak için de kullanıldı. AgInS2 QD'lere, HT29 ve SW480 hücrelerinin üzerinde PDT'yi geliştirmek için ALA elektrostatik olarak yüklendi. Etkili hücre öldürme için her iki partikülün de gerekli ALA dozunu düşürmesine rağmen, özünde daha iyi biyouyumluluğa sahip anyonik partiküllerin daha iyi PDT verimi sağlayabileceği bulundu. Bu araştırma çalışması, verimli optik görüntülemeye giden yolu açabilecek NIR veya görünür bölgeler için son derece parlak, stabil ve biyouyumlu Ag tabanlı QD'lerin başarılı bir şekilde sentezlenebildiğini kanıtladı. Ayrıca, bu tezde kemoterapötik ilaçlar ve ışığa duyarlılaştırıcı moleküller yüklenmiş, kanser hücrelerini hedefleyen anyonik ve katyonik QD'ler, kanserin kombinasyon terapisi için kullanılabileceği gösterildi.
Özet (Çeviri)
Luminescent quantum dots (QDs) with size-tunable, strong, and long-lived emission properties have attracted significant attention over the past decades. Their theranostic potential has been verified in various studies demonstrating strong optical labelling coupled with drug/gene delivery in diagnosis and treatment of diseases. However, there is still no clinical use of QDs due to their cytotoxicity. Ag-based QDs are one of the most promising QDs with exceptional cytocompatibility compared to heavy metal containing QDs such as PbS, PbSe, and CdHgTe with emission in the medical imaging window, which is near-infrared region. In this thesis work, both synthesis of promising Ag-chalcogenide QDs and their application in cancer diagnosis and therapy with high specificity and efficacy were intended, which are urgent needs of fight against cancer. Therapeutic approaches adopted here, included phototherapies and its combination with chemotherapy and tumour specificity were achieved with receptor targeting. The first approach was further developed into targeted PDT/chemotherapy of colorectal cancer using anionic Ag2S QDs with NIR emission. Ag2S QDs tagged with Cetuximab for EGFR targeting and loaded with ALA and 5FU provided significant toxicity in EGFR(+) cells. Different pH-sensitive ALA release levels were achieved by electrostatic loading of the ALA to the QDs or conjugation via amide or hydrazone bonds. QDs with electrostatically loaded ALA provided fastest release and quick PpIX formation, hence determined as the most efficient. Selective delivery of Cet conjugated QDs via receptormediated endocytosis which can be tracked with strong NIR signal of the QDs, improved the treatment efficacy in EGFR(+) cells. After a short incubation time (4 h) followed with single and short irradiation of SW480 cells treated with these theranostic particles at 100 μg/mL [Ag]/0.688 mM ALA the viability dropped down to 38% (420 nm, 5 min) and 5% (630 nm, 1 min). Toxicity was correlated well with high levels of reactive-oxygen species (ROS) and apoptotic/necrotic cell death. The major synthetic goal achieved here is aqueous, one step, simple, and economical synthesis of non-toxic, highly stable, strongly luminescent, and small Ag-chalcogenide QDs. The QD portfolio developed here include Ag2S QDs with glutathione (GSH) coating which has 70% quantum yield, NIR emission, and excellent stability, and AgInS2 QDs luminescent in the visible region with glutathione coating which have 21% QY, and enhanced stability. Despite the great success of Ag2S QDs, since most available microscopes, lamps, and LEDs are functioning in the visible range, small and stable AgInS2 QDs with emission in the visible region was also developed here. Then, delivery of therapeutic cargo to tumour cells with such optically trackable QDs as well as the therapeutic potential of the QDs were evaluated. Ag-chalcogenide QDs with strong absorbance in the visible region and near-infrared coupled with strong luminescence, were evaluated as photothermal therapy (PTT) agents within this thesis. While Ag2S-GSH was found as a strong PTT agent providing image-guided PTT demonstrating a great theranostic potential by itself without using any other therapeutic agent, AgInS2-GSH was poor. PTT potential of Ag-chalcogenides was further exploited for image-guided targeted combination therapy (PTT/chemotherapy) by decorating the particles with folic acid and methotrexate (MTX) in the treatment of folate receptor overexpressing cancer cells. QD internalization was tripled by FR targeting and the PTT/MTX combination therapy reduced the viability of FR(+) HeLa cells about 80% after only 4 h incubation followed with a single irradiation at 808 nm for 10 min (700 mW, 1.82 W/cm2) at 1.25 μg MTX /mL:25 μg Ag/mL concentration in the case of Ag2S-GSH. AgInS2 QDs were effective in imaging and drug delivery, but lacked PTT contribution. The last contribution of this thesis to literature is the development of stable and strongly luminescent anionic and cationic AgInS2 QDs with anionic 2-mercaptopropionic acid (2MPA) and polyethyleneimine/2MPA (PEI) coating, respectively, in a one-step aqueous method without using a dopant or an inorganic shell. These QDs with the same core but a different coating was also used to investigate the best surface chemistry to deliver ALA to tumour cells. AgInS2 were electrostatic loaded with ALA to improve PDT of HT29 and SW480 cells. It was found out that despite both particles reduce the ALA dose for effective cell killing, anionic particles with intrinsically better cytocompatibility can provide better PDT efficiency. This research study led to the successful demonstration of highly luminescent, stable, and cytocompatible Ag-based QDs for either NIR or visible regions, which can pave the way towards efficient optical imaging. Moreover, the demonstrated targeted anionic and cationic QDs loaded with chemotherapeutic drugs and photosensitizer in this thesis can be utilized for combinational therapy of cancer.
Benzer Tezler
- Development of near infrared emitting cationic Ag2S quantum dots as drug-gene delivery and optical imaging agents
İlaç-gen salımı ve optik görüntüleme ajanı olarak yakın kızılötesi ışıyan katyonik Ag2S kuantum noktacıklarının geliştirilmesi
FATMA DEMİR DUMAN
Doktora
İngilizce
2017
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAVVA YAĞCI ACAR
- Metal ve yarı iletken nanoparçacıkların konjüge polimer bazlı organik ışık yayan diyotların performansına etkisi
Effect of metal and semiconductor nanoparticles on the performance of organic light emitting diodes based on conjugated polymers
SELİN PIRAVADILI MUCUR
Doktora
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SAİT EREN SAN
- Radyoterapide kullanılmak üzere kuantum noktaları ve fotoduyarlaştırıcı içeren tümöre spesifik nanoboyutlu lipozomların geliştirilmesi
Development of tumor spesific targeted liposomes containing quantum dots and photosensitizer used for radiotheraphy
MEHMET KARABUĞA
Doktora
Türkçe
2020
Eczacılık ve FarmakolojiHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SUNA ERDOĞAN
- Development and application of fluorescent nanosensors based on carbon dots coated with molecularly imprinted polymers
Moleküler imprint polimerle kaplanmış karbon nokta esaslı florasan nanosensörlerin geliştirilmesi ve uygulaması
İREM ZEREY
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN GÜNEY
- Nanoparticle enabled diagnosis and combination therapy of cancer
Nanoparçacık destekli kanser tanı ve kombine tedavi araştırmaları
EDA ÇELİKBAŞ