Radyoterapi geliştirme ve hedefli fototerapiler için çok işlevli nanopartiküller

2024 yılında, Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) Amerika Birleşik Devletleri'nde 2 milyon yeni kanser vakası ve 600.000 kanserle ilişkili ölüm bildirdi. Kanser, karmaşık bir hastalık olmaya devam etmekte ve önemli bir halk sağlığı sorunu oluşturmaktadır. Cerrahi, kemoterapi ve radyoterapi gibi geleneksel kanser tedavileri başarılıdır. Ancak, tedavinin lokalizasyonu, tümör spesifikliği, tedavilerin yan etkileri ve kanser metastazları hâlâ önemli zorluklar arasında yer almaktadır. Yeni tedavi stratejileri, bu zorlukların üstesinden gelerek sağkalım oranını artırmayı ve hastaların konforunu sağlamayı amaçlamaktadır. Radyoterapi (RT), yaygın olarak kullanılan bir kanser tedavisi olup, iyonize radyasyon kullanarak malign hücreleri öldürmeyi veya büyümelerini durdurmayı hedefler. Kemoterapiye kıyasla daha lokal bir tedavi yöntemi olup, tek başına uygulanabileceği gibi diğer yöntemlerle kombine edilerek daha etkili sonuçlar elde edilebilir. Ancak, bu tedaviyle ilişkili bazı endişeler arasında doz heterojenliği, sağlıklı dokular üzerindeki yan etkiler ve belirli kanser hücrelerinin radyorezistansı yer almaktadır. Radyosensitizörler, lokal olarak radyasyon etkinliğini artırmaları ve dozun tümöre daha homojen bir şekilde dağıtılmasını sağlamaları nedeniyle dikkat çekmektedir. Işık bazlı terapiler, örneğin fototermal ve fotodinamik tedaviler, radyoterapi ile kombine edilerek tedavi etkinliği artırılabilir. Bu teknikler, kanser tedavisi için lokal ve açılabilir (turn-on) bir mekanizma sunar. Fototermal terapi (PTT), bir fotosensitizörün ışıkla uyarılması sonucu oluşan lokal hipertermiye dayanır. Fotodinamik terapi (PDT) ise, fotosensitizörün ışıkla uyarılması ve moleküler oksijen ile etkileşimi sonucunda reaktif oksijen türlerinin (ROS) üretilmesine dayanır. Penetrasyon derinliğini artırmak amacıyla, etkinleştirilebilir fotosensitizörlerle birlikte yakın kızılötesi (NIR) ışık tercih edilir. Altın nanoparçacıklar (GNP'ler), inert yapıları, yüksek X-ışını absorpsiyon katsayıları, yüzey fonksiyonelleştirme kolaylığı, ayarlanabilir optik özellikleri ve yüksek ışık-isı dönüşüm verimlilikleri nedeniyle kanser tanı ve tedavisinde önemli avantajlar sunar. Altın-altın sülfür nanoparçacıkları (GGS), karakteristik yüzey plazmon rezonansına ek olarak NIR absorbansına sahip yeni nesil GNP'lerdir. Son yıllarda, GGS'nin fotoakustik görüntüleme (PAI) için etkili bir kontrast ajanı olduğu gösterilmiş ve görüntü rehberliğinde tedavi için potansiyeli ortaya konmuştur. Bu tez, GGS'nin tanı ve tedavi amaçlı uygulamalarını incelemekte olup, özellikle radyoterapiyi geliştirmek için kombine yaklaşımlara odaklanmaktadır. Tezin ilk bölümünde, GGS'nin radyosensitizör olarak kullanımı ve 5-aminolevulinik asit (ALA) ön ilacının taşıyıcısı olarak rolü vurgulanmaktadır. ALA, yaygın olarak fotodinamik tedavide kullanılan protoporfirin IX'in (PpIX) öncüsüdür. Yüksek suda çözünürlüğü nedeniyle vücuttan hızlıca atılır. PpIX genellikle mavi ve kırmızı ışıkla uyarılmakta olup, bu durum penetrasyon derinliği açısından zorluk yaratmaktadır. Son çalışmalar, PpIX'in X-ışınları ile de aktive edilebileceğini göstermiş ve bu süreç "radyodinamik terapi (RDT)" olarak adlandırılmıştır. Bu çalışmada, dallanmış polietilenimin (bPEI) kapladığı GGS'ler (bPEI-GGS) ALA ile elektrostatik olarak yüklenmiş (ALA-bPEI-GGS) ve bu sayede radyosensitizasyon sağlanarak X-ışını dozunun azaltılması, ALA'nın tümörlere daha iyi taşınması ve PpIX'in mavi-kırmızı ışık penetrasyon sınırını aşarak X-ışınlarıyla aktive edilmesi hedeflenmiştir. İn vitro deneyler, PC3 prostat kanseri ve MDA-MB-231 meme kanseri hücre hatlarında gerçekleştirilmiştir. bPEI-GGS ve ALA-bPEI-GGS, 24 saat inkübasyon sonrası 0.5, 1, 2 ve 4 Gy düşük X-ışını dozlarında test edilmiştir. 0.5 Gy RDT tedavisinden sonra, düşük doz GGS (Au konsantrasyonu (μg/ml)/ALA konsantrasyonu (mM): 25/0.22) ile her iki hücre hattında da hücre canlılığı %20'nin altına düşmüştür. Tedavi, PC3 hücrelerinde apoptoz belirteçlerini, DNA hasarını ve otofajiyi önemli ölçüde artırırken, MDA-MB-231 hücrelerinde minimal değişiklikler gözlenmiştir. ALA-bPEI-GGS nanoparçacıkları, özellikle derin yerleşimli ve radyorezistan tümörler için RDT etkinliğini artırmak adına umut vadeden bir yaklaşım olarak öne çıkmaktadır. Tezin ikinci bölümünde, radyoterapinin etkisini artırmaya yönelik başka bir yaklaşım sunulmaktadır. 3-merkapto propiyonik asit ile kaplanmış GGS (3MPA-GGS) nanoparçacıkları, PAI, PTT ve RT için tanı ve tedavi amaçlı bir araç olarak kullanılmıştır. Multifonksiyonel 3MPA-GGS'ler, folik asit (FA) ile fonksiyonelleştirilerek (FA-3MPA-GGS), folat reseptörü pozitif (FR+) kanser hücrelerini seçici olarak hedef almış ve tedavi spesifikliği ile etkinliğini artırmıştır. FA-3MPA-GGS, güçlü NIR absorbansı, yüksek sıcaklık artışı, fototermal stabilite ve 808 nm, 215 mW lazer ışını altında yüksek ışık-isı dönüşüm verimliliği sergilemiştir. İn vitro deneyler, FR+ (HeLa ve MDA-MB-231) ve FR- (A549) hücreleri üzerinde gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, FR+ hücrelerde daha yüksek nanoparçacık alımı, artan ROS üretimi ve daha belirgin sitotoksisite göstermiştir. FA-3MPA-GGS ile kombine edilen PTT ve RT, sinerjik etkiler göstererek tedavi dozunu azaltmış ve görüntü rehberliğinde hassasiyeti artırmıştır. HeLa ve MDA-MB-231 hücrelerinin canlılığı, 200 μg Au/mL konsantrasyonunda 6 saat inkübasyon sonrası, 795 nm (1 W) lazer ışını ile 10 dakika ışınlanarak ve ardından 0.5 Gy X-ışını uygulanarak %10'un altına düşmüştür. Tezin üçüncü bölümü, yalnızca fototerapilere odaklanmaktadır. Bu çalışmada, fototermal ve fotodinamik terapileri birleştiren yeni bir çift modlu fototerapi yaklaşımı ile prostat kanseri tedavisi sunulmaktadır. 5-ALA yüklü süperparamanyetik demir oksit nanoparçacıkları (ALA-PAA-SPIONs) kullanılarak PTT ve PDT entegrasyonu sağlanmıştır. PEPT1 ve PEPT2, ALA'yı taşıyabilmekte ve bu sayede seçicilik sağlayabilmektedir. Prostat kanseri hücrelerinde PEPT1/PEPT2'nin aşırı eksprese edilmesi, hedefleme ve tedavi spesifikliğini artırabilecek değerli bir strateji sunmaktadır. Karakterizasyon, ALA'nın SPION'lara elektrostatik olarak başarılı bir şekilde yüklendiğini doğrulamıştır. LNCaP, PC3 ve DU145 hücre hatlarında yapılan in vitro deneyler, PEPT1/PEPT2 aşırı eksprese eden LNCaP ve PC3 hücrelerinde seçici alımı göstermiştir. 640 nm, 700 mW, 10 dakika lazer ışını uygulandıktan sonra ROS üretimi ve apoptoz indüksiyonu, LNCaP ve PC3 hücrelerinde hücre canlılığını %10'un altına düşürmüştür. Sonuçlar, ALA-PAA-SPIONs'un prostat kanseri tedavisi için umut vadeden bir fototerapi ajanı olduğunu ve spesifikliği artırarak sistemik etkileri minimize edebileceğini göstermektedir.