Experimental and computational investigation of clustering behavior of cyclodextrin-perfluorocarbon inclusion complexes through molecular dynamics simulations
Siklodekstrin-perflorokarbon konuk-konak komplekslerinin kümelenme davranışının deneysel ve moleküler dinamik simülasyonları ile incelenmesi
- Tez No: 683627
- Danışmanlar: DOÇ. DR. YASEMİN YÜKSEL DURMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Bioengineering, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Medipol Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 63
Özet
Yeni bir teknik olan histotripsi, ultrason dalgalarını kullanarak dokularda doğal olarak bulunun gaz baloncuklarının kavitasyonuyla mekanik olarak dokuların parçalanmasına olanak sağlar. Diğer ablasyon yöntemlerinin aksine histotripsi ablasyon sırasında ısı çıkışına neden olmaz ve parçalanan doku sıvılaşarak vücuttan noninvazif olarak atılır. Odaklanılan histotripsy kullanım alanlarından biri olan kanser tedavisinin üçüncü klinik fazda olan insan testleri başarılı bir şekilde devam etmektedir. Sonuçlara göre histotripsi kanser tedavisi için kullanıma uygun, gelecek vadeden bir tekniktir. Tüm olumlu sonuçların yanı sıra histotripsi umut verici bir yöntem olmasına rağmen sınırlayıcı faktörlere sahiptir. Dokuların parçalanması için yüksek eşik basınç değeri gerekliliği, seçici olamayan ablasyon ve çoklu tümor tedavisi için geniş alanları tarama imkanı sağlayamaması bu sınırlayıcı faktörlerdendir. Yüksek basınca maruz kalan dokular sağlıklı olup olmaması fark etmeksizin parçalanırlar. Bu sebeple kanser tedavisi için doku ablasyonu sırasında odaklanmış ultrason ile uygulanan yüksek kavitasyon basıncı tümor dokunun çevresinde bulunan sağlıklı dokuya da zarar verebilir. Bu problemi çözmek için nanoparçacıkların kavitasyon çekirdeği olarak kullanılarak kavitasyon eşik değerini düşürdüğü, nanoparçacık aracılığıyla histotripsi (NMH) olarak adlandırılan metot geliştirilmiştir. NMH, FDA (Food and Drug Administration) onaylı perflorokarbon (PFK) içeren, ultrason uygulandığında vücut içinde gaza dönüşebilen nanoparçacıklar kullanarak düşük basınçta doku parçalanmasını sağlar. Ayrıca bu parçacıklar tümörün sebep olduğu bozuk damar yapısını kullanıp tümor dokuda birikerek nanoparçacıkların lokal yoğunluğunu arttırır. En son geliştirilmiş mekanik doku ablasyon ajanlarından biri olan nanokaplar (NK), siklodekstrin (CD) ve PFK konuk-konak kompleksleri kolay üretim, kararlı yapı ve hesaplanabilir PFK miktarı olanakları sunarak NMH için gelecek vadeden sonuçlar göstermiştir. İlk NK örnekleri βCD (beta siklodekstrin) ve düşük derece metilli βCD (LMβCD) kullanılarak oluşturulmuştur. PFK molekülleri gibi FDA onaylı olan siklodekstrinler barındırdıkları halkasal glikoz birimi sayılarına göre gruplara ayrılırlar, bu çeşitlilik farklı PFK kullanımlarında farklı kompleksleşme davranışları gözlemlenmesine sebep olabilir. Buna ek olarak da siklodekstrin türevlerinin sahip oldukları fonksiyonel gruplar kümelenme ve konuk-konak kompleksi oluşumlarına katkısını aydınlatmak için daha fazla araştırmaya gerek olduğu bilinmektedir. Siklodekstirinler ile perfloropentan (PFP) ve perflorohekzan (PFH) kullanılarak oluşturulan kütüphane, kompleks ve kümelenme oluşturma davranışlarının tespiti ve CD-PFK kümeleri hakkında detaylı bilgi elde edebilmek için ilk olarak deneysel olarak incelemeler yapılmıştır. Sınırlı optik özellikler ve yapılardaki PFK tespitindeki zorlukluklar gibi deneysel sınırlayacı faktörlerden ötürü, NMH ajanı olabilecek en uygun yapıyı bulmak için hesaplamalı inceleme yapılmıştır. Deneysel olarak; gaz kromatografisi kullanılarak verim yüzdesi hesaplanmış, enerji dağılımlı x-ışını floresans spektrometresi kullanarak flor varlığı kontrol edilmiş, ve dinamik ışık saçılım spektrometresi kullanılarak boyut çalışması yapılmış, hesaplamalı olarak; görsel desteğin yanında, kütle merkezleri arasındaki uzaklıklar ölçülerek nanokap oluşturma potansiyelleri kıyaslanmış, elektrostatik ve van der Waals etkileşimlerinin meydana getirdiği enerji değerleri hesaplanmıştır. Sonuçlar yalnızca βCD ve γCD (gamma siklodekstrin) türevlerinin PFK ile konuk-konak kompleksi oluşturduğunu ve deneysel olarak sadece LMβCD, βCD, and γCD çökelti oluşturarak kullanılabilir örnekler elde edilmesine olanak sağlamıştır. Bu üç siklodekstrin türevi arasında βCD en çok kullanılan türev olması ve kullanım öncesi modifikasyona ihtiyacı olamaması sebebiyle NK kümelenmeleri oluşturmak için en iyi aday olarak gözükmektedir. Elde edilen sonuçlarla βCD ve PFK moleküllerinden oluşan nanokapların kararlılık, üretim ve saflaştırma kolaylığı açısından en etkin kombinasyon olduğu ortaya çıkmıştır. PFH, PFP ile kıyasla daha yüksek bir kaynama noktasına sahip olduğu için üretim ve saklama aşamalarında daha kararlı NK kümeleri meydana getirmektedir. Simülasyon sonuçlarında hidroksipropillenmiş βCD (HPβCD) nanokapları gibi daha yüksek enerjiyle daha kararlı yapılar oluşturan durumlar olduğu ispatlanmış olsa da, konak moleküllerinin yüksek çözünürlüğü sebebiyle deneysel olarak çökme gözlemlenmeyen örneklerin genel laboratuvar pratikleri kullanılarak içerdikleri suyun uzaklaştırılması mümkün olmamış, PFK içeriği kaybedilmiştir. Son olarak elde edilen NMH kullanımı için en iyi NK kümesi adayı olan βCD-PFK kombinasyonlarının histotripsi etkinlikleri de test edilmiş, kavitasyon eşik değerini başarıyla düşürdükleri ispatlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Histotripsy is a new approach which can ablate the tissue mechanically by using ultrasound waves which cavitate the pre-existing gas pocket in the tissue. Oppose to other ablation method, histotripsy is considered non-invasive since the ablation process does not cause heat generation and ablated tissue gets liquefied and eliminated by the body. Cancer applications one of the focus areas of histotripsy and human trial on third clinical stage has been successfully going on and results support that histotripsy is a promising method for cancer treatment. Even though histotripsy is a promising method to ablate tissue in the body, it has also limitations such as high cavitation threshold pressure, non-selective ablation, and scanning the large area includes multifocal tumors. Regardless of cancer or healthy tissue, all the tissue can be ablated if high cavitation pressure is applied with focus ultrasound which might cause damage on surrounding healthy cells during cancer tissue ablation. This problem was addressed via nanoparticle mediated (NMH) which uses nanoparticles as cavitation nuclei to lower the cavitation threshold. NMH uses perfluorocarbons (PFCs) filled nanoparticles that can become gas in the body under the ultrasound is applied. Moreover, these nanoparticles have the ability to accumulate tumors through leaky vasculature structure and increase the localized density of nanoparticles that can act like cavitation nuclei to lower the cavitation threshold pressure. Recently developed nanoparticles called nanocones (NCs) which are inclusion complexes of cyclodextrin (CD) and PFCs showed promising results for NMH applications due to easy production, stable formation, and determinable PFC amount. A primary example was shown using βCD and low degree methylated βCD, however, cyclodextrins are FDA approved molecules likewise PFCs, and have different cavity size according to the number of glucopyranose units that can accommodate different PFCs molecules. Furthermore, it is known that functionality of CD derivatives contributes on aggregation and complexation behavior which need to be a further investigation for guest molecule of PFCs. The complexation and aggregation behavior of a library of CDs with perfluoropentane (PFP) and perfluorohexane (PFH) was first experimentally examined in order to get deeper information about the aggregation behavior of CD-PFC. Because of limited optical properties and the difficulty of determining PFC in the structure experimentally, a computational study is further investigated to determine the most suitable structure as an NMH agent. The encapsulation efficiencies were experimentally determined by gas chromatography (GC), the presence of F (fluorine) atom in the aggregate was confirmed by energy dispersive x-ray analysis (EDX), and the size of clusters was determined by using dynamic light scattering spectroscopy (DLS). The distances between the center of masses were computationally compared to investigate the tendency of molecules to form an inclusion complex cluster, called nanocone cluster (NCC). Since there are only non-bonded interactions, the energies due to electrostatic and van der Waals interactions were calculated separately. Results showed that only βCD and GCD derivatives form an inclusion complex with PFC and only LDβCD, βCD, and GCD form NCC that can be precipitate and collect as samples for further use. Since βCD is most commonly used and does not require any further modification, it seems like a better candidate for NCC formation. Collectively data also supported that βCD and PFC showed the best formation due to stability, easy production, and recovery opportunities indicating higher boiling point PFH as better PFCs due to the better stability during production and storage. Even though, simulation data indicate there are more stable formations such as hydroxypropyl beta cyclodextrin (HPβCD), the high water solubility of host molecules prevents precipitation of cluster and makes the recovery process impossible using general laboratory practices to remove water without losing PFC content in the NCC. Finally, it was shown that cavitation threshold pressure was successfully decreased using the best NCC candidate for NMH.
Benzer Tezler
- Al-Sic metal matrisli karma malzemelerinin deformasyon davranışının sonlu elemanlar yöntemi ile parametrik analizi
Başlık çevirisi yok
ŞAFAK YILMAZ
- Nanoakışkanlarda doğal taşınımla ısı transferinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of natural heat convection in nanofluids
AHMET DİRLİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE FİLİZ BAYTAŞ
- Makine öğrenmesi ile araç rotalama problemi için önce-kümele sonra-rotala yöntemlerinin incelenmesi
Investigation of cluster-first route-second methods for vehicle routing problem using machine learning
SEDAT GÜZELŞEMME
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolMunzur ÜniversitesiMühendislik Yönetimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FARUK SERİN
- NicC enziminin nikotinat üzerindeki katalitik aktivitesinin kuantum mekanik yöntemlerle incelenmesi
The investigation of the catalytic activity of NicC enzyme on nicotinate with quantum mechanical methods
NERİMAN ELA PEHLİVANOĞLU
- Computational analysis of external store carriage in transonic speed regime
Harici yük taşımanın transonik sürat bölgesinde hesaplamalı analizi
İ. CENKER ASLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYDIN MISIRLIOĞLU
PROF. DR. OKTAY BAYSAL