Poli(vinil alkol) ve kitosan kaplı demir oksit nano parçacıklarının hücre zarı modelleri ile etkileşimleri

Nanoteknoloji hayatın birçok alanında kullanılmaktadır ama doku mühendisliği, ilaç tasarımı, biyo görüntüleme ve tedavi gibi tıbbi alanlarda kullanımı daha yenidir. Araştırmacılar tedavisi zor olan ya da hiç olmayan hastalıklara çözüm bulabilmek ve var olan tedavileri daha etkin hale getirmek için nanoteknolojiyi bu alanlara uygulamaya başlamışlardır. Dünya sağlık örgütünün yaptığı bir araştırmaya göre dünya genelinde 2015 yılında 8,8 milyon kişi kanser nedeniyle hayatını kaybetmiştir. Kanser kemoterapi, radyoterapi veya ameliyat ile tedavisi yapılmaya çalışılan bir sağlık problemidir. Bu tedavi yöntemlerinin hastayı iyileştirmesinin yanında birçok yan etkisi de bulunmaktadır. Kemoterapi sırasında hastaya verilen ilaçlar seçici özellikleri olmaması sebebiyle sadece kanserli hücreleri değil, sağlıklı hücreleri de öldürmekte ve tedavi sırasında ya da tedavi sonrasında bağışıklık sistemlerinde ortaya çıkan zayıflıklar ikincil büyük sorunlara yol açmaktadır. Bilim insanları kemoterapi ilaçlarının yan etkilerini azaltabilmek ve tedavi sonrasında hastaların hayat kalitelerini artırmak için nanoteknoloji ile geliştirilmiş ilaçlar ve tedavi yöntemlerini araştırmaya başlamışlardır. Manyetik nano parçacıklar demir, nikel, kobalt gibi maddelerden oluşan nano boyutlardaki malzemelerdir. Dışarıdan uygulanacak olan manyetik alan ile bu manyetik nano parçacıklar istenilen bölgeye çekilip orada toplanmaları sağlanabilir. Manyetik nano parçacıklar boyutlarının çok küçük olmasından dolayı biyolojik bariyerleri daha kolay aşabilirler ancak toksik özellikleri ve kolay agregasyona uğramaları nedeni ile insan vücudunda modifiye edilmeden kullanılmaları mümkün değildir. Bu etkinin azaltılması için parçacıkların polimerlerle kaplanması en çok kullanılan yöntemlerdendir. Demir oksit nano parçacıkları su ile dispers edilerek koloidal bir sistem haline getirilirler. Koloidal kararlılığı sağlayabilmek için elektriksel ve sterik stabilizasyon yöntemleri kullanılarak parçacıklar uygun hale getirilmelidir. Elektriksel stabilizasyonu sağlamak için negatif yüklü parçacıklar zıt yüklü polimerle kaplanabilir. Parçacıkların üzerine tutunan polimerler parçacık yüzeylerini tamamen kaplamaları durumunda polimerlerin sahip oldukları elektriksel yükler nedeni ile parçacıklar arası itmelere neden olacaktır. Bu itmeler parçacıkların ortamda asılı kalmasına yani çökmemesine ve parçacıkların birbirlerine yapışmamasına neden olacaktır. Bu tür etkiler elektriksel stabilizasyon olarak isimlendirilir. Sterik stabilizasyon ise koloidal kararlılığı etkileyen bir diğer faktördür. Yüksüz polimer ortamdaki difüzyon kuvvetlerinin etkisi ile parçacık yüzeylerine tutunurlar ve yine aynı sebepten yüzeylerini kapladıkları parçacıklar arası itme kuvvetleri oluştururlar. İtme kuvvetleri elektriksel stabilizasyon da olduğu gibi kümeleşmeleri ve çökmeleri engellemektedir. Bu yüzden koloidal kararlılık için tez boyunca elektriksel ve sterik etkenler üzerine çalışılıp gerekli testler yapılmıştır. Bu çalışmada demir oksit nano parçacıkların toksisitesini azaltmak için iki farklı polimer ile kaplama yapıldı. Bunlardan biri bir biyopolimer olan kitosan, diğeri sentetik bir polimer olan poli(vinil alkol) (PVA) dür. Kaplama yapılırken adsorpsiyon yönteminden yararlanılarak hazırlanan demir oksit ve polimer çözeltileri belirli konsantrasyonlar da karıştırılıp kimyasal analiz, parçacık boyutu ve yükü, reolojik davranış gibi karakterizasyon işlemleri yapıldı. Adsorpsiyon yöntemi kolay, ucuz, yüksek verimlilikte gerçekleşen bir yöntem olduğu için tercih edildi. Parçacıkların yüzeylerinin kaplanması durumları zeta potansiyel ile mobil yükler ölçülerek anlaşılmaya çalışıldı, reoloji verileri ile koloidal yapıda olan bu parçacıkların akış durumları ve agregasyonu hakkında bilgi almak amaçlandı. Parçacık boyutu ölçülerek agregasyona yatkın olan demir oksit nano parçacıkların polimer ile kaplandığında agregasyonu azaltıp azaltmadığı takip edildi. Kullanılan polimerlerin pH değişikliklerinden faydalanılarak, kaplama sürecinin pH değişimlerinden nasıl etkilendiği de araştırıldı. Geleneksel karakterizasyon yöntemleri ile kaplama işleminin başarılı bir şekilde yapıldığının teyit edilmesinden sonra bu parçacıkların hücrelerle etkileşimi hücre zarını taklit eden yapay hücre zarı modeli lipozomlar ile incelendi. Etkileşimlerin incelenmesinde kullanılan disipasyon ekli kuvars kristal mikroterazi (QCM-D) cihazı piezoelektrik sisteme dayalı, etiketlemeye ihtiyaç olmadan tayin yapan bir yöntem sunmaktadır. Sensor yüzeyine bağlanan nanogram miktarlarda parçacıkları dahi algılayabilen adsorpsiyon/desorpsiyon ya da katı/sıvı etkileşimlerin incelenmesinde kullanılabilen bir cihazdır. İnceleme sırasında adsorpsiyon ya da desorpsiyon değişimleri altın yüzeyinin üzerinde bulunan sabit rezonans frekans değerlerine sahip farklı harmoni değerlerindeki değişimleri ölçüp frekans değişimi (Δf) ve yüzeyde bulunan katmanın viskoelastik ya da rijit bir özellikte olduğunun bilgisini veren disipasyon değişimi (ΔD) değerlerini vermektedir. Bu bilgilerden yola çıkarak parçacıkların nasıl bir yüzeye ne tür bir etki yaptıkları incelenebilir. In vitro hücre analizleri, yeterli teknik tecrübesi olan kişilerin yapmasını gerektiren ve sonuçları hücre kaynağı, yaşı gibi pek çok faktöre bağlı yöntemlerdir. Ayrıca malzemelerinin pahalı olması, kontaminasyon riski, sonuç alınmasının uzun sürmesi ve etkileşimlerin izlenmesi için etiketlemeye ihtiyaç duyulması araştırmacıları alternatif yöntemler aramaya sürüklemiştir. QCM-D cihazı kullanılarak daha kısa ve ekonomik bir şekilde parçacıkların canlı ile olan etkileşiminin tahmin edilmesi ve hücre deneyleri gibi pahalı ve uzun deneylerin azaltılabilmesi için bir yöntem geliştirilmesi bu sebeple önemlidir. Bu tez çalışmasında PVA ve kitosan kaplı demir oksit nano parçacıklarının nötr, pozitif ve negatif lipozomlar ile etkileşimleri QCM-D ile incelendi. Yapılan çalışmalar hem kaplama özelliklerinin, hem de lipit membranın yapısının etkileşimi etkilediği ve elektrostatik etkileşimlerin önemli bir parametre olduğunu gösterdi. Parçacıkların birbirleri üzerinde olan etkileşimleri ise önemli konulardan biridir. Parçacıkların birbirlerini itmesi sonucunda agregasyon önlenmiş böylece koloidal stabilize sağlanmıştır. Stabilizasyonun tersi, agregasyon olması durumunda parçacıkların yüzey yükleri değişir ve boyutları büyür. QCM-D ile yapılan çalışmalar parçacık boyutlarının da en az yükleri kadar etkileşimi değiştirdiğini gösterdi. Sonuç olarak tez çalışmasında demir oksit nano parçacıklarının polimerler ile kaplanarak toksisitesi ve agregasyonu gibi özellikleri azaltılmaya çalışıldı, farklı pH durumlarındaki sonuçları incelendi ve koloidal karakterizasyonları yapıldı. Hücre deneyleri yapılmadan hücre-nano parçacık etkileşimlerinin incelenmesini sağlamak için QCM-D kullanılarak yapay hücre zarını taklit eden lipozom tabakası üzerinde deneyler yapıldı. Bu sistemin çeşitli boy ve yükte nano parçacıkların farklı özellikte membranlarla etkileşimlerindeki farkların gözlenmesinde kullanılabileceği görüldü. İleride yapılması düşünülen çalışmalar ise kemoterapi ilaçlarının yüklenmesi ile ilaç varlığındaki davranışlarının QCM-D ile incelenmesi ve in vitro hücre deneyleri ile desteklenmesidir.