Nanoparticle mediated diagnosis and combination therapy of bacterial infections
Başlık çevirisi mevcut değil.
- Tez No: 794848
- Danışmanlar: PROF. DR. HAVVA YAĞCI ACAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Mikrobiyoloji, Mühendislik Bilimleri, Biotechnology, Microbiology, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Bakteriyel enfeksiyonların tedavisi, on yıllardır kar¸sıla¸sılan zorluklardan biri haline geldi. Bakterilerin farklı y¨uzeylere yapı¸sması ve biyofilm olu¸sturması, bakteri t¨urlerinin ¨ozellikle hastane kaynaklı enfeksiyonlarda y¨uksek morbidite ile artan canlılık oranları elde etmesine yol a¸cmı¸stır. Yetersiz tedaviler, enfeksiyonun tekrarlamasına ve hatta hastanın ¨ol¨um¨une neden olmaktadır. Mevcut antibiyotik ila¸clar, bakterilerin kazanılmı¸s diren¸c mekanizmaları nedeniyle karma¸sık biyofilm yapısını ortadan kaldıramamaktadır. Bu nedenle ¸coklu ilaca diren¸cli bakterilere ve bunların biyofilm ile ili¸skili enfeksiyonlarına kar¸sı alternatif tedaviler i¸cin ¸calı¸smalar yapılmaktadır. Fotodinamik terapi (FDT), invaziv olmayan ve lokalize bir alternatif y¨ontemdir. Kanser ve bakteriyel enfeksiyonların tedavisi i¸cin bir¸cok kapsamlı FDT ¸calı¸smaları yapılmı¸stır. FDT, bir foto-hassasla¸stırıcı (PS), molek¨uler oksijen ve uygun ı¸sık kayna˘gından olu¸sur. PS molek¨ul¨u, kararlı (taban) durumdan kararsız (¨u¸cl¨u) duruma uyarılır ve ortamdaki molek¨uler oksijenin ile etkile¸sime girerek reaktif oksijen t¨urevleri (ROT) ¨uretir. ROT ¨uretimini takiben, h¨ucresel bile¸senler ¨uretilen ROT'a ve sonu¸c olarak h¨ucre ¨ol¨um¨une maruz kalır. FDT, bakteriyel enfeksiyonların tedavisi i¸cin tek ba¸sına veya kemoterapi veya fototermal terapi (FTT) ile kombinasyon halinde kullanılabilir. Fototermal terapi, PS'nin ı¸sı˘gı ısıya d¨on¨u¸st¨urd¨u˘g¨u ve h¨ucre ¨ol¨um¨uyle sonu¸clanan lokal sıcaklık artı¸sına neden oldu˘gu ba¸ska bir alternatiftir. Yine bula¸sıcı hastalıklar i¸cin PDT, kemoterapi, imm¨unoterapi veya radyoterapi gibi farklı terap¨otiklerle kombine edilmi¸s, kontroll¨u, y¨uksek lokalize ve invaziv olmayan bir y¨ontemdir. Bazı nanopartik¨uller, fototermal ajanlar, yani fototermal nanoterap¨otikler (PTN) olarak i¸slev g¨or¨ur. C¸ o˘gunlukla Manyetik Rezonans G¨or¨unt¨uleme (MRI) ajanları olarak bilinen s¨uperparamanyetik demir oksit nanopar¸cacıkları (SPION'lar), son zamanlarda PTT ajanları olarak da tanınmaktadır. FDA onayı ve y¨uksek biyouyumluluk nedeniyle nanoterap¨otiklerde vii en ¸cok ¸calı¸sılan nanopar¸cacıklardır. SPION'lar ayrıca, ila¸cların, genlerin ve DNA/RNA'nın hedeflenen iletimi i¸cin hedefleme ajanları veya ligandlarla y¨uzey kaplamasını uyarlayarak nano-ta¸sıyıcılar olarak da kullanılabilir. G¨um¨u¸s s¨ulfid kuantum noktaları (Ag2S-QD'ler), UV-g¨or¨un¨ur b¨olgede geni¸s absorpsiyon ve NIR emisyonu olan yarı iletken nanokristallerdir. Bunların ı¸sıldama ¨ozellikleri, ¨ozellikle ı¸sıkla a˘gartmaya kar¸sı diren¸c, daha y¨uksek kuantum verimi ve kararlılık gibi ¨ozelliklerle ticari floresan boyalardan ¨ust¨und¨ur. Ayrıca PTT ajanları olarak kabul edilmi¸sler ve kanser tedavisi i¸cin kapsamlı bir ¸sekilde ¸calı¸sılmı¸slardır. QD'ler, biyog¨or¨unt¨uleme ¨ozelliklerine sahip terap¨otiklerin hedeflenen iletimi i¸cin kullanılabilen ba¸ska bir nano-ta¸sıyıcı sınıfıdır. 5-Aminolevulinik asit (ALA), t¨um¨or ve enfeksiyonlu dokuda tanı ve hızlı birikim i¸cin g¨or¨un¨ur b¨olgede g¨u¸cl¨u fl¨uoresans i¸ceren FDA onaylı bir PS'dir. ALA'nın kendisi aktif bir PS molek¨ul¨u de˘gildir ancak h¨ucrelere alınarak aktif protoporfirin IX (PpIX) molek¨ul¨une d¨on¨u¸st¨ur¨ul¨ur. ALA ayrıca h¨ucrelerin heme biyosentetik yolunda endojen bir molek¨uld¨ur. Bununla birlikte, y¨uksek ¸c¨oz¨un¨url¨uk ve dokulardan hızlı temizlenme, PDT'nin etkisini azaltır. Ek olarak, ba¸sarılı PDT uygulamaları i¸cin daha y¨uksek miktarlarda PpIX birikimi gereklidir. Bu tezde, PTT ve PDT kombinasyonu yoluyla bakteriyel enfeksiyonların antibiyotiksiz tedavisi ¨onerilmi¸stir. Kombinasyonun, daha d¨u¸s¨uk PS dozlarında ve hafif hipertermide sinerjistik bir etki yaratması beklenmektedir. Biyofilmler s¨oz konusu oldu˘gunda, biyofilmin hafif PTT yoluyla ge¸cirgenle¸smesinin ger¸cekle¸smesi ve tedavi etkinli˘gini artırması beklenir. Bu ama¸cla ALA y¨ukl¨u SPION'lar ¨uretilmi¸stir. planktonik gram-pozitif (Staphylococcus epidermidis) ve gram-negatif (Pseudomonas aeruginosa) bakterilerin h¨ucreleri ve biyofilmleri, ALA y¨ukl¨u SPION'larla muamele edildi ve ikili lazer ı¸sınlamasına (640 + 808 nm) tabi tutuldu. ALA-PDT, 640 nm ı¸sınlamada ger¸cekle¸sir. SPION-PTT genellikle 808 nm'de elde edilir, ancak burada SPION'un 640 nm'de ı¸sıktan ısıya d¨on¨u¸s¨um veriminin de %89.73 oldu˘gu belirlendi. Kombinasyon tedavisi, P.aeruginosa'nın planktonik h¨ucrelerinin tamamen ortadan kaldırılmasıyla daha y¨uksek bir b¨uy¨ume inhibisyonu oranıyla sonu¸clandı. S.epidermidis ve P.aeruginosa'nın (sırasıyla 10-log ve 13-log) biyofilmleri i¸cin ¨onemli b¨uy¨ume inhibisyon oranları elde edildi. Floresan g¨or¨unt¨uleri, ALA'nın P.aeruginosa biyofilmlerine geli¸smi¸s da˘gıtımını destekledi. SPION'ların FDA onaylı tek nanopartik¨uller oldu˘gunu ve d¨u¸s¨uk sitotoksisite g¨osterdiklerini vurgulamak ¨onemlidir. Bu nedenle, aPDT ve aPTT'nin kombinasyon tedavisinden yararlanarak ¸coklu ilaca diren¸cli bakteri enfeksiyonlarının in vivo ve klinik ¸calı¸smalarda tedavisi i¸cin iyi adaylar olabilirler. Bu tezde, tek bir dalga boyunda ı¸sınlamanın yeterli olaca˘gı kombinasyon terapisi i¸cin alternatif bir bile¸sim de ¨onerilmi¸stir: 640 nm ı¸sınlama ile birle¸stirilmi¸s ALA yüklü Ag2S-QD'ler. 640 nm lazer ı¸sınlamasında QD'lerin PTT potansiyeli ara¸stırıldı ve %65.7 olarak bildirildi. Bu QD'ler ¸co˘gunlukla gram-pozitif bakterilere kar¸sı etkiliydi. P.aeruginosa planktonik h¨ucreleri ve biyofilmleri i¸cin sırasıyla 8- ve 6- log olarak ¨onemli b¨uy¨ume inhibisyon oranları g¨ozlendi. Konfokal mikroskopi g¨or¨unt¨uleri, QD'lerin g¨or¨unt¨uleme potansiyelini vurgulayan g¨u¸cl¨u NIR emisyonu g¨osterdi. Ayrıca bu QD'lerin sa˘glıklı h¨ucre dizisi Vero'ya kar¸sı herhangi bir sitotoksisiteye sahip olmadı˘gı g¨osterilmi¸stir. Bu nedenle, ALA y¨ukl¨u NAC kaplı Ag2SQD'ler, NIR b¨olgesinde g¨or¨unt¨uleme avantajı ile gram-pozitif bakterilerle ili¸skili enfeksiyonlara kar¸sı in vivo ve klinik fototerapiler i¸cin umut verici adaylardır.
Özet (Çeviri)
Treatment of bacterial infections has become one of the challenges over the decades. Adhesion on different surfaces of bacteria and biofilm formation have led to the bacteria species to obtain increased survival rates with high morbidity especially in hospital-related infections. Insufficient treatments result in recurrence of the infection or even death of the patient. Current antibiotic drugs are not capable of eradicating the complex biofilm structure due to the acquired resistance mechanisms of bacteria. Therefore studies have been conducted for alternative therapies against multi-drug resistance bacteria and their biofilm-related infections. Photodynamic therapy (PDT) is noninvasive, localized, and promising alternative method. There have been extensive studies of PDT for the treatment of cancer and bacterial infections. PDT is composed of a photosensitizer (PS), molecular oxygen, and the appropriate light source. PS is excited from ground state to the triplet state by the light source to produce reactive oxygen species (ROS) with the interaction of molecular oxygen in the environment. Following ROS production, cellular components are exposed to produced ROS and consequently cell death. PDT can be utilized alone or in combination with chemotherapy or photothermal therapy (PTT) for the treatment of bacterial infections. Photothermal therapy is another alternative, wherein the PS converts light-to-heat and induce local temperature increase, resulting in cell death. It is again controlled, highly-localized, and noninvasive method which has been combined with different therapeutics such as PDT, chemotherapy, immunotherapy or radiotherapy for infectious diseases. Some nanoparticles act as photothermal agents, namely as photothermal nanotherapeutics (PTN). Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs), mostly known as Magnetic Resonance Imaging (MRI) agents, have been also recognized as PTT agents recently. They are the most studied nanoparticles in nanotherapeutics because of the FDA-approval and high biocompability. SPIONs may also be used as nano-carriers by tailoring surface coating with targeting agents or ligands for the targeted delivery of drugs, genes, and DNA/RNA. Silver sulfide quantum dots (Ag2S-QDs) are semiconductor nanocrystals with broad absorption in UV-visible region and NIR-emission. Their luminescent properties are superior to commercial fluorescent dyes in particular with properties such as resistance to the photobleaching, higher quantum yield, and stability. They have also been recognized as PTT agents and extensively studied for the treatment of cancer. QDs are another class of nano-carriers which can be used for the targeted delivery of therapeutics with bioimaging properties. 5-Aminolevulinic acid (ALA) is an FDA-approved PS with strong fluorescence in visible region for diagnosis and fast accumulation in the tumor and infectious tissue. ALA, itself is not an active PS molecule but it is internalized and converted into active protoporphyrin IX (PpIX) molecule in cells. ALA is also an endogeneous molecule in heme biosynthetic pathway of cells. However, high solubility and rapid clearance from tissues reduces effect of PDT. Additionally, higher amounts of PpIX accumulation is needed for successful PDT applications. In this thesis, antibiotic free treatment of bacterial infections via combination of PTT and PDT is proposed. The combination is expected to bring about a synergestic effect at lower doses of PS and mild hyperthermia. In case of the biofilms, permeabilization of the biofilm via mild PTT is expected to take place and enhance the treatment efficiency. For this purpose, ALA loaded SPIONs were produced. Planktonic cells and biofilms of gram-positive (Staphylococcus epidermidis) and gram-negative (Pseudomonas aeruginosa) bacteria were treated with ALA loaded SPIONs and subjected to dual laser irradiation (640 + 808 nm). ALA-PDT takes place at 640 nm irradiation. SPION-PTT is usually achieved at 808 nm, but here it was determined that light-to-heat conversion efficiency of SPION at 640 nm is also 89.73\%. Combination therapy resulted in a higher growth inhibition rate with complete eradication of planktonic cells of P.aeruginosa. Significant growth inhibition rates were achieved for biofilms of S.epidermidis and P.aeruginosa (10-log and 13-log, respectively). Fluorescence images supported the enhanced delivery of ALA into P.aeruginosa biofilms. It is important to emphasize that SPIONs are the only FDA-approved nanoparticles, and they show low cytotoxicities. Therefore, they can be good candidates for the treatment of multi-drug resistant bacteria infections in vivo and in clinical studies by utilizing combination therapy of aPDT and aPTT. An alternative composition for combination therapy wherein a single wavelength irradiation would be sufficient is also proposed in this thesis: ALA loaded Ag2S-QDs coupled with 640 nm irradiation. PTT potential of QDs at 640 nm laser irradiation was investigated and reported as 65.7%. These QDs were mostly effective against gram-positive bacteria. Significant growth inhibition rates were observed as 8-and 6-log for P.aeruginosa planktonic cells and biofilms, respectively. Confocal microscopy images showed strong NIR emission highlighting the imaging potential of the QDs. It is also shown that these QDs do not have any cytotoxicity against healthy cell line, Vero. Thus, ALA loaded NAC coated Ag2S-QDs are promising candidates for in vivo and clinical phototherapies against gram-positive bacteria related infections with the advantage of imaging in the NIR region.
Benzer Tezler
- Nanoparticle enabled diagnosis and combination therapy of cancer
Nanoparçacık destekli kanser tanı ve kombine tedavi araştırmaları
EDA ÇELİKBAŞ
- 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
2018
BiyolojiSabancı ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DEVRİM GÖZÜAÇIK
- Development of diagnostic platforms for single nucleotide polymorphism detection
Tek nükleotit polimorfizmi tespitine yönelik tanı platformlarının geliştirilmesi
OYA AKÇA
Doktora
İngilizce
2014
BiyolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiBiyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN AVNİ ÖKTEM
- Glioblastoma hücrelerinde integrin α10'un PLGA nano partiküllerine yüklenmiş siRNA ile baskılanması
Suppression of integrin α10 in glioblastoma cells by siRNA loaded with PLGA nanoparticles
BÜŞRA NUR ÇEVİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
BiyoteknolojiBezm-i Alem Vakıf ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FAHRİ AKBAŞ
- Engineering plasmonic nanoparticles for nanomedical applications
Nanomedikal uygulamalar odaklı plazmonik nanoparçacık mühendisliği
EMRE DORUK ÖNAL