Nanoparticle mediated diagnosis and combination therapy of bacterial infections

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.