Investigation of the Photothermal Heating Potential of Small Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles

Süperparamanyetik nanoparçacıklar (SPION) klinikte onaylı formülasyonlarının bulunması ve yüksek biyouyumluluğu nedeniyle biyomedikal uygulamalarda en çok çalışılan parçacıklardır. Manyetik sahaya yanıt verebildiği için manyetik rezonans görüntüleme (MRI), manyetik yönlendirme ve manyetik hipertermi uygulamalarında çok başarılı sonuçlar sağlamıştır. SPION'lar farklı yüzey kaplaması ve büyüklükte hazırlanabilmekte, gen ve ilaç gibi terapötik ajanları taşıyabilmekte, hatta ligand konjügasyonu ile spesifik olarak hastalıklı hücre/dokulara medikal görüntüleme ve tedavi için gönderilebilmektedir. SPION'lar in vivo uygulama gerektirmeyen manyetik hücre ayırma, manyetik titreşim sönümleme, manyetik soğutma gibi uygulamalarda da çalışılmaktadır. Bu alanlardaki çalışmalara ek olarak, yakın zamanda SPION'ların fototermal terapi (PTT) uygulamasında da umut vaat edici ve etkili bir ajan olduğunu gösteren çalışmalar yapılmıştır. Son derece biyouyumlu SPION'ların PTT gibi lokal ve sağlıklı dokuya zarar vermeden minimal yan etki ile kanser ve bakteri tedavisinde etkili olabilen bir yöntemde kullanılabilmesi medikal sahada büyük heyecan yaratmıştır. SPION'lar yakın kızılötesi dalga boylarında (808 nm ve 1064 nm) uyarılarak lokal sıcaklık artışı yaratabildikleri için PTT sahasının önemli bir ihtiyacını da karşılamaktadır. Ancak yapılan çalışmalarda fototermal etkinin kaynağı tam incelenmemiş, etkinin incelendiği yayınlarda ise sistematik bir yaklaşım çok benimsenmemiş ve bu etkinin kaynağı tam anlaşılamamıştır. Bu etkinin absorpsiyona bağlı olabileceğinden ve nanoparçacıkların topaklanması ile güçlenebileceğinden bahsedilmiştir. Ancak, bu bahsedilen dalgaboylarında SPION'ların çok güçlü bir absorpsiyonu görülmemekle birlikte topaklaşma da in vivo ve klinik çalışmalarda biyodağılımı değiştireceği için istenmeyen bir oluşumdur. Bu tez çalışmasında öncelikle kararlı, ufak (100nm ve altında) ve yüzey fonksiyonel (amin ve karboksilik asit) SPION'ların PTT potansiyeli uyarı dalgaboyu, lazer gücü ve şiddetine bağlı olarak incelendi. Lazer uygulamasının nanoparçacıklarda herhangi bir değişikliğe neden olup olmadığı incelendi. Sıcaklık artışının dalga boyuna bağımlılığının incelendiği deneyler 10 nm aralıklarla 728-838 nm aralığında yapılmış ve sıcaklık artışının uyarılan dalga boyundaki sönümlenmeden bağımsız olduğu elde edilmiştir. Bu sonuç 728-838 nm aralıgında daha yüksek penetrasyon sağlayan ve daha az zararsız uzun dalga boylarının kullanılmasının herhangi bir sıcaklık kaybına neden olmayacağını göstermiştir. Lazer gücü sabit tutulup hüzme yarıçapının değiştirilip böylece elde edilen farklı lazer güçlerinde yapılan deneyler meydana gelen sıcaklık artışının uygulanan lazer şiddetinden bağımsız olduğunu göstermiştir. Ancak uygulanan lazer gücü değiştiğinde sıcaklık artışının değiştiği elde edilmiştir. Böylece SPION'lar lazer ile uyarıldığında sıcaklık artışını etkileyen faktörler belirlenmiş ve literatüre SPION PTT mekanizmasının anlaşılmasına katkı bulunacak sonuçlar kazandırılmıştır. Kontrol olarak kullanılan suyun sıcaklığı uyarılan herhangi bir dalga boyu ve gücünde 1 ◦C bile artmamıştır. Böylece çalışmada kullanılan dalga boylarının ve güçlerin klinik olarak son derece uygun olduğu görülmektedir. Lazer sonrası nanoparçacığın yapısında meydana gelen değişimler farklı karakterizasyon yöntemleri ile incelenmiş ve parçacığın lazer sonrası kararlı yapısını koruduğu görülmüştür. Son olarak hücre çalışması HeLa hücre hattında başarılı bir şekilde gerçekleşmiştir. Tek başına PTT çalışmalarının yanı sıra PTT nin diğer tedavi yöntemleriyle birlikte kullanılması son derece etkili sonuçların elde edilmesine imkan sağlamaktadır. Bir diğer fototerapi yöntemi olan fotodinamik terapi (PDT) klinik uygulamalarda sıkça kullanılmaktadır. Bu iki fototerapi yönteminin birlikte uygulanması son yıllarda popüler bir yöntemdir. Bu kombine tedavinin tek bir dalga boyunda tek bir güçte yapılmasını sağlayacak PDT ve PTT ajanlarının birleştirilmesi çok kıymetlidir. Bu amaç ile tez çalışmasının ikinci aşamasında klinik uygulamada sıkça kullanılan PDT ajanı indosiyanin yeşili (ICG) ile 3 aminopropiltrimetoksisilan kaplı SPION'nun birleştirilerek kombine fototerapi potansiyeli incelendi. ICG elektrostatik olarak SPION'lara (ICG-APTMS@SPION) yüklenmiş ve fototerapi deneyleri 795 nm dalga boyunda tek bir uyarılma ile gerçekleşmiştir. Böylece ICG'nin kararlılık sorunu SPION'lara yüklenmesiyle aşılmıştır. Tek başına PDT, tek başına PTT ve kombine PTT+PDT terapinin başarısı kolon (HT29) ve göğüs kanseri (MCF7) hücrelerinde incelenmiştir. APTMS@SPION kullanılarak yapılan PTT deneylerinde her iki hücre hattında da önemli bir ölüm meydana gelmeyip sadece hafif hipertermi gerçekleşmiştir. Tek başına ICG, PDT deneyleri sonucunda HT29 hücresine kıyasla MCF7 hücre hattında daha çok ölüm meydana getirmiştir. ICG-APTMS@SPION lazer ile uyarılmasıyla yapılan kombine tedavi ile iki hücre hattında da tümör hücreleri hemen hemen tümüyle yok edilmiştir. Kanser tedavisinin yanı sıra nanoparçacıkların lazer uygulaması bakteri çalışmalarında da önem kazanmıştır. Bu amaçla ICG, APTMS@SPION ve ICG-APTMS@SPION' nun lazer altında antibakteriyel potansiyeli hem planktonik hem biofilm Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Escherichia coli ve Staphylococcus epidermidis bakterilerinde test edilmiştir. Lazer uygulaması sonrası hem planktonik hem biofilm seviyede önemli inhibisyonlar gözlemlenmiştir. Kemoterapi kanser tedavisinde sıkça kullanılmasına rağmen ilacın istenilen bölgede birikiminin az olmasından dolayı istenilen etkili sonuçlar alınamamaktadır. İlaçların bir nano taşıyıcı ile birleşmesi yan etkileri azaltarak daha az dozda daha verimli bir tedaviye imkan sağlayacaktır. Buna ek olarak kemoterapinin PTT gibi lokal bir yöntemle birleşmesi tedaviyi daha etkili kılacaktır. Bu amaçla prostat kanseri tedavisinde sıkça kullanılan etoposide (Eto) elektrostatik bağlanma ile BSA konjuge edilmiş PAA@SPION'lara yüklenmiştir. Üç farklı prostat kanseri hücre hattında (PC3, LNCAP ve DU145) yapılan toksisite deneyleri ilaç taşınımının nanoparçacıklarla başarılı bir şekilde gerçekleştiğini göstermiştir. Lazer uygulaması sonrasında ise güce bağlı olarak tümör hücrelerinde önemli ölüm elde edilmiştir. Özetle, bu tez SPION'ların PTT mekanizmasını etkileyen faktörlerin incelenmesini ve farklı kaplamalı SPION'ların PTT uygulamasının diğer terapi yöntemleriyle birleştiğinde daha etkili olduğunu göstererek literatüre daha etkili ve zararsız tedavi imkanları sağlamayı hedeflemektedir.