Geri Dön

Nanoparticle enabled diagnosis and combination therapy of cancer

Nanoparçacık destekli kanser tanı ve kombine tedavi araştırmaları

PDF İndir

  1. Tez No: 795290
  2. Yazar: EDA ÇELİKBAŞ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAVVA YAĞCI ACAR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya, Biyoteknoloji, Chemistry, Biotechnology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Kanser her yıl yaklaşık 10 milyon ölüme neden olan ve çok daha fazla kişiye tanı konan hem ekonomik hem de halk sağlığı açısından ciddi bir yüktür. Cerrahi, kemoterapi ve radyoterapiyi içeren geleneksel tedavilerdeki gelişmelere rağmen, tedavi etkinliği hala hastalık ilerlemesi hızının gerisinde kalmaktadır. Bu nedenle, tümör özgüllüğü, kötü prognoz ve yan etkiler gibi geleneksel tedavilerle ilişkili yetersizlikleri gidermek için yeni terapötik yaklaşımlara ihtiyaç vardır. Farklı patolojiler için ışık temelli tedaviler çok eski zamanlara dayanır. Işığın farklı enerji formlarına dönüştürülebilen elektromanyetik radyasyon özellikleri teranostik amaçlar için kullanılmıştır. Bu alanda iki ana yaklaşım ortaya çıkar: fotodinamik terapi (FDT) ve fototermal terapi (FTT). Fotodinamik terapi esas olarak ışık, fotohassaslaştırıcı ve oksijen arasındaki etkileşimden yararlanır ve takibinde reaktif oksijen türleri üreterek tümör hücrelerini doğrudan ve dolaylı yollarla öldürür. Öte yandan, fototermal terapi, derinlemesine nüfuz eden NIR ışık ile lokalize sıcaklık artışına dayanır. Fototermal terapinin etkili olması için oksijene ihtiyacı yoktur, dolayısıyla hipoksik tümörleri de tedavi etme potansiyeline sahiptir. Yarı iletken nanokristaller, yani kuantum noktaları (KN'ler), güçlü fotolüminesans ve fotostabilite, çoklu uyarma dalga boylarına izin veren geniş absorpsiyon spektrumu, boyut ile değişebilen fizyokimyasal özellikler ve kolay ve düşük maliyetli sentez gibi farklı özelliklerinden dolayı çok dikkat çekmiştir. Başlangıçta ışıyan nanoproblar olarak tasarlanmışlardır, fakat son zamanlarda teranostik yaklaşımlarda ilaç taşıma sistemleri, hedefleme ajanları ve fototermal terapi sağlayıcıları olarak da kullanılmaktadırlar. Cd, Hg veya Pb'ye dayalı ilk nesil KN'lerin toksik özelliklerinden dolayı, yenilikçi, ağır metal içermeyen Ag2S (AS) KN'ler, yeni bir teranostik KN sınıfı olarak ortaya çıkmıştır. Bu tez çalışması, kanser tedavisinde AS KN'lerin farklı teranostik uygulamalarını geliştirmeye adanmıştır. İlk bölümde, AS KN'ler yaygın olarak kullanılan bir kemoterapötik ajan olan paklitaksel'i (PTX) verimli bir şekilde taşımak ve aynı zamanda FTT sağlamak için hidrofobik ilaç taşıyıcıları olarak kullanıldılar. PTX'in sudaki düşük çözünürlüğünden dolayı, bu ilacı taşıyabilecek kaplamaya sahip olan, küçük boyutlu, koloidal olarak kararlı, NIR bölgede ışıyan AS KN'ler üretmek için yeni bir tasarım fikri önerildi. Klinik olarak onaylanmış albümine bağlı PTX yapısı olan Abraxane®'den ilham alarak, sığır serum albümini (BSA), KN'lerin yüzeyinde kovalent olarak konjuge edildi ve PTX, BSA'ya elektrostatik olarak yüklendi. Hücre içi alım, SKBR3 ve MDA-MB-231 meme kanseri hücrelerinde konfokal mikroskopi ile izlendi. AS-BSA KN'lerin zamana ve konsantrasyona bağlı toksisitesi her iki hücre hattında araştırıldı. FTT/kemoterapi kombine tedavisi, 24 saat AS-BSA-PTX inkübasyonu ve ardından 808 nm, 700 mW'de 10 dakika lazer uygulaması ile gerçekleştirildi. Her iki hücre hattı için, düşük dozlarda sadece FTT ve kombine tedavi arasında anlamlı bir fark gözlendi. PTX'in IC50 değeri, 100 ng/mL, kombinasyon tedavisi ile 5 kat azaltılarak 20 ng/mL'ye düşürüldü. Bu tasarım, diğer hidrofobik türleri de taşıyacak şekilde uyarlanabileceği için büyük bir potansiyele sahiptir. Bu tez çalışmasının ikinci bölümünde, başka bir kemoterapi ilacı olan Cisplatin (CPt), HER2'yi aşırı eksprese eden meme kanseri hücrelerine, hedef molekül olarak Herceptin (Her) kullanılarak hedefli yaklaşımla verildi. Glutatyon (GSH) kaplı AS KN'ler, hem ilaç taşıma hem de FTT ajanları olarak kullanıldı. Her, KN yüzeyine kovalent olarak konjuge edildi ve CPt, elektrostatik olarak yüklendi. AS-Her/CPt KN'ler küçük boyutlu, koloidal olarak kararlı, 900 nm'de güçlü NIR emisyonuna sahip ve 808 nm (215 mW) lazerle uyarıldığında çözeltide yeterli sıcaklık artışı sağlıyordu. Ayrıca in vitro deneyler, reseptör bazlı hücre içi alım sayesinde, kısa inkübasyonda HER2(-) MDA-MB-231 hücrelerine kıyasla HER2(+) SKBR3 hücrelerinde hücre içi alımın 2 kat arttığını gösterdi. Karanlık toksisite deneyleri ile belirlenen güvenli AS-Her/CPt konsantrasyonunda, kombine tedavi sonucunu belirlemek için hücrelere 808 nm, 700 mW'de 10 dakika lazer uygulandı. Hücre canlılığı, SKBR3 hücrelerinde FTT/kemoterapi kombinasyonu uygulanarak,100 μg/mL [Ag] konsantrasyonunda, sadece 4 saatlik inkübasyon ve 10 dakika 808 nm (700 mW) lazer uygulaması ile %25'e düşürüldü. Umut verici in vitro sonuçların ardından, güvenli bir AS-Her/CPt KN dozu, SKBR3 hücreleri ile oluşturulan tümörlü nude farelere kuyruktan olarak enjekte edildi. Tümör bölgesinde seçici birikim, tedavi süresi boyunca IVIS görüntüleme ile doğrulandı. Kombine tedavi, AS-Her KN'lerle uygulanan FTT, CPt ile uygulanan kemoterapiye kıyasla çok daha başarılı bir tedavi etkinliği ile sonuçlandı. Sadece kemoterapi tedavisi (lazer olmadan sadece 0,7 mg/kg CPt) ve 30 mg/kg dozda AS-Her ile sadece FTT tedavisi (2,0 W/cm2, 10 dk lazer), sırasıyla %40 ve %30 tümör hacmi azalmasıyla sonuçlandı. FTT/kemoterapi kombinasyon tedavisi uygulandığında aynı tedavi parametrelerinde tam tümör gerilemesi gözlendi. Bu nedenle AS-Her KN'leri, HER2'yi aşırı eksprese eden tümörlerin tedavisi ve tümör bölgesine terapötik yük taşınması için yenilikçi ve etkili bir FTT ajanı olarak önerildi. Bu tezin üçüncü bölümü, folat reseptörü (FR) pozitif HeLa hücrelerinin görüntülenmesi ve kombine tedavisi için yeni bir FDT ajanı olan bromlu hemisiyaninin (Hemi-Br) taşınmasına odaklanmıştır. Bu amaçla AS-GSH KN'ler folik asit (FA) ile dekore edilmiş ve elektrostatik olarak Hemi-Br ile yüklenmiştir. AS-GSH-FA/Hemi-Br KN'ler bir yıl boyunca koloidal olarak stabildi, küçük boyutluydu (<100 nm) ve Hemi-Br ve AS KN'lerden sırasıyla 705 ve 900 nm'de ikili emisyona sahipti. Nihai nanopartikülün FTT ve FDT potansiyeli ilk olarak çözelti içinde incelenmiştir. 640 nm'de (215 mW) lazer uyarımı ile, serbest Hemi-Br ve AS-GSH-FA ile elde edilen sırasıyla 6.67oC ve 13.6oC sıcaklık artışına kıyasla, kombine nanopartikül ile 17.74oC sıcaklık artışı gözlendi. Bu çalışma, AS KN'lerin bu dalga boyunda ışıktan ısıya dönüşüm verimliliğini araştıran ilk çalışma olma özelliği taşımaktadır. Hemi-Br'nin lazer uyarımı ile singlet oksijen üretimi de solüsyonda ayrıca doğrulandı. Çözeltide iyi sonuçlar alındıktan sonra, parçacıklar FR(+) HeLa ve FR(-) A549 hücrelerinde FR hedefli, görüntü kılavuzlu, FTT/FDT ikili terapi ajanları olarak kullanıldı. Lazer uyarımı olmadığında hiçbir sitotoksik etki gözlenmedi. Öte yandan, FDT/FTT kombine tedavisi uygulandığında 10 μg/mL Hemi-Br (57 μg/mL [Ag]) dozunda hedeflenen HeLa hücre hattı için tam hücre ölümü gözlendi. Aynı konsantrasyonda hedeflenmemiş A549 hücreleri için canlılık yaklaşık %70 idi. Hücre ölüm mekanizması, mono terapilerin etkilerini göstermek için ayrıca araştırıldı. Dördüncü ve son bölüm, tümör hipoksisini iyileştirerek FDT etkinliğini artırmayı amaçladı. Bu bağlamda, BSA kaplı AS KN'ler üzerinde KMnO4'ün indirgenmesi ile oksijen ve hidroksil radikali sağlayan MnO2 üretildi ve AS-BSA-MnO2 hibrit yapısı önerildi. FDT'yi sağlamak için, bu parçacıklara 5-aminolevulinik asit (ALA) elektrostatik olarak yüklendi. Nihai nanoparçacık, NIR emisyona ve küçük hidrodinamik boyuta sahip olup, FDT ve FTT potansiyeline sahipti. Lazer uygulaması olmadan, SKBR3 ve MDAMB-231 meme kanseri hücre hatlarında önemli bir sitotoksisite gözlenmedi, bu da nanoparçacıkların biyouyumlu doğasını gösterdi. Hem MnO2 hem de AS KN'lerin varlığında, 5 dakika boyunca 640 ve 808 nm'de (300 ve 700 mW) lazer uygulaması ile her iki hücre hattı için ALA-PDT tedavi verimliliğinde önemli artış gözlendi. Ek olarak, geliştirilmiş kombinasyon tedavisinin mono terapilere kıyasla üstünlüğü gösterildi. Bu bulgular, AS-BSA-MnO2-ALA'nın meme kanseri hücrelerine karşı görüntü kılavuzlu FTT/FDT potansiyeline sahip olduğunu gösterdi.

Özet (Çeviri)

Cancer causes approximately 10 million deaths yearly, with even more people diagnosed, comprising one-sixth of global mortality. It is both an economical and public health burden. Despite the developments in conventional therapies, which include surgery, chemotherapy and radiotherapy, the treatment outcome still falls behind the disease progression. As such, novel therapeutic approaches are needed to address the insufficiencies associated with conventional treatments, such as tumor specificity, poor prognosis, and side effects. Light-based therapies for different pathologies date back to ancient. Two main approaches, photodynamic therapy and photothermal therapy, have been highly popular in recent years. Photodynamic therapy mainly exploits the interaction between light, photosensitizer and oxygen, which produces reactive oxygen species killing the tumor cells via direct and indirect pathways. Photothermal therapy relies on localized temperature increase upon irradiation of a photosensitizer with light. Photothermal therapy does not require oxygen to be effective, thus, it has the potential to treat hypoxic tumors as well. For both modalities, photosensitizers that can work with near-infrared light is highly desired for safety and deep tissue penetration. Semiconducting nanocrystals, namely quantum dots (QDs), were initially designed as luminescent nanoprobes, and recently they are being investigated for theranostic approaches as drug delivery vehicles and photosensitizers for photothermal therapy. The first generation of QDs based on Cd, Hg or Pb suffered from toxicity. As a result of extensive research efforts, novel, heavy metal free Ag2S (AS) QDs emerged as a new class of theranostic QDs which may be tracked optically in NIR and induce local temperature increase upon irradiation in NIR. This thesis work was dedicated to exploit the theranostic applications of AS QDs in cancer treatment. In the first part, they were utilized as hydrophobic drug carriers, to efficiently deliver a commonly used chemotherapeutic agent, paclitaxel (PTX) and provide PTT at the same time. Since PTX suffers from low aqueous solubility, a novel design idea was proposed to produce small-sized, colloidally stable, NIR emitting AS QDs. Inspired by clinically approved albumin bound PTX structure, Abraxane®, bovine serum albumin (BSA) was covalently conjugated on the surface of the QDs and PTX was electrostatically loaded on the BSA. PTT/chemotherapy potential of this optically trackable nanoparticle (AS-BSA-PTX) was tested on SKBR3 and MDA-MB-231 breast cancer cells in vitro, utilizing a laser irradiation at 808 nm, 700 mW for 10 min, after 24 h incubation. For both cell lines, a significant difference between only PTT and combined treatment was observed at low doses. The IC50 value of PTX, 100 ng/mL, was reduced down 5-fold to 20 ng/mL with combination therapy. This design holds great potential as it can be adapted to deliver other hydrophobic species as well. In the second part of this thesis work, another chemotherapy drug, Cisplatin (CPt), was delivered to HER2 overexpressing breast cancer cells selectively via a targeted approach using Herceptin (Her) as a targeting molecule. Glutathione (GSH) coated AS QDs were utilized as imaging, drug delivery and PTT agents. Her was covalently conjugated on the QD surface and CPt was electrostatically loaded. AS-Her/CPt QDs were small-sized, colloidally stable, had strong NIR emission at 900 nm and provided sufficient temperature increase in the solution when irradiated with 808 nm (215 mW) laser. In vitro experiments showed 2-fold enhanced intracellular uptake of the QDs in HER2(+) SKBR3 cells compared to HER2(-) MDA-MB-231 cells due to receptor mediated internalization. The viability of the SKBR3 cells was reduced by 75% with PTT/chemotherapy combination at 100 μg/mL [Ag] concentration, with only 4 h of incubation and 808 nm (700 mW) laser irradiation for 10 min. Following up on the promising in vitro results, a safe dose of ASHer/CPt QDs was injected in vivo on tumor xenograft nude mice of SKBR3 cells. Selective accumulation on the tumor site was confirmed with IVIS imaging throughout the treatment period. Enhanced treatment efficiency was observed compared to mono therapies, chemotherapy and PTT with AS-Her QDs. Only chemotherapy treatment (only CPt at 0.7 mg/kg without laser irradiation) and only PTT treatment with AS-Her at 30 mg/kg dose (2.0 W/cm2, 10 min laser irradiation) resulted in 40% and 30% tumor volume decrease, respectively. When PTT/chemotherapy combination treatment was applied, complete tumor regression was observed at the same treatment parameters. Thus, AS-Her QDs were proposed as a novel, efficient PTT agents for the treatment of HER2 overexpressing tumors and delivering therapeutic cargo to tumor site. The third part of this thesis was focused on the delivery of a novel PDT agent, brominated hemicyanine (Hemi-Br) for the image-guided, combined treatment of folate receptor (FR) positive HeLa cells. For this purpose, AS-GSH QDs were decorated with folic acid (FA) and electrostatically loaded with Hemi-Br. AS-GSH-FA/Hemi-Br QDs were colloidally stable over one year, small-sized (<100 nm) and had dual emission at 705 and 900 nm from Hemi-Br and AS QDs, respectively. PTT and PDT potential of the final nanoparticle was first investigated in solution. With laser irradiation at 640 nm (215 mW),17.74oC temperature increase was observed with the combined nanoparticle compared to 6.67oC and 13.6oC with free Hemi-Br and AS-GSH-FA, respectively. This study signifies as the first study to investigate light-to-heat conversion efficiency of AS QDs at this wavelength. The singlet oxygen formation with laser irradiation of Hemi-Br was also confirmed in the solution. After promising results in the solution, particles were facilitated as FR targeted, NIR-emitting, PTT/PDT dual therapy agents in FR(+) HeLa and FR(-) A549 cells. No cytotoxic effect was observed in the absence of laser irradiation. On the other hand, complete cell death was observed for the targeted HeLa cell line at 10 μg/mL Hemi-Br (57 μg/mL [Ag]) dose when PDT/PTT combined therapy was applied. Whereas the viability was approximately 70% for untargeted A549 cells at the same concentration. The cell death mechanism was further investigated to show the effects of mono therapies. The fourth and the last chapter was aimed to enhance the PDT efficiency by improving the tumor hypoxia. For this purpose, oxygen and hydroxyl radical producing MnO2 was produced on the BSA coated AS QDs by the reduction of KMnO4, and a hybrid structure of AS-BSA-MnO2 was produced. To provide PDT, 5-aminolevulinic acid (ALA) was electrostatically loaded to these particles. Final nanoparticle had NIR emission and small hydrodynamic size with an ability to perform PDT and PTT in the solution. No significant cytotoxicity was observed on SKBR3 and MDA-MB-231 breast cancer cell lines without the laser irradiation, indicating the biocompatible nature of the nanoparticles. In the presence of both MnO2 and AS QDs, significant enhancement in the ALA-PDT treatment efficiency was observed for both cell lines with co-irradiation at 640 and 808 nm (300 and 700 mW) for 5 min. Additionally, the superiority of the enhanced combination treatment compared to mono therapies was shown. These findings demonstrated that AS-BSA-MnO2-ALA had excellent image-guided PTT/PDT potential against breast cancer cells.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    691584

    Development of Cathepsin B activated theranostic system and evaluation of it against ovarian cancer cell line

    Katepsin B ile aktive olan bir teranostik sistem geliştirilmesi ve over kanseri hücre hattı üzerinde test edilmesi

    AYŞEGÜL DEMİRAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Moleküler Tıpİstanbul Medipol Üniversitesi

    Moleküler Tıp ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)

    DOÇ. DR. S. SİBEL ERDEM

  2. Tez No

    894782

    Yapay kas uygulamaları için nanokompozit malzeme geliştirilmesi

    Development of nanocomposite material for artificial muscle applications

    AYŞE KÜBRA AYDINALEV

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN

  3. Tez No

    933097

    Glikopolimer bazlı teranostik nanosistemlerin meme kanserindeki etkinliğinin araştırılması

    Investigation of the effectiveness of glycopolymer based theranostic nanosystem in breast cancer

    GÜLŞAH YİĞİT ERDEM

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Polimer Bilim ve TeknolojisiBezm-İ Alem Vakıf Üniversitesi

    Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)

    PROF. DR. AYDAN DAĞ

  4. Tez No

    1010020

    Altın nanoparçacık kaplı gözenekli silika nanopartiküllerin ilaç taşıyıcı sistemi olarak kanser hücreleri üzerinde etkinliğinin araştırılması

    “synthesis of gold-capped mesoporous silica nanoparticles for enhanced anticancer efficacy as an advanced drug delivery system”

    GUNEL ABBASOVA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    GenetikHaliç Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BURCU GÜLERYÜZ ERKOVAN

  5. Tez No

    779879

    Development of conducting polymer–based fluorescence on/off biosensor for biomolecule analysis

    Biyomolekül analizi için iletken polimer–temelli floresans açık/kapalı biyosensör geliştirilmesi

    DUYGU ARSLANTAŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Biyomühendislikİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AHU ARSLAN YILDIZ

Geri Dön