Development of near infrared emitting cationic Ag2S quantum dots as drug-gene delivery and optical imaging agents

Lüminesan kuantum noktacıklar (KNlar), optik görüntüleme, lüminesan etiketleme ve ilaç/gen salımında ve bunların kombine tedavilerinde sıklıkla çalışılmaktadır. Geniş spektral bölgede büyük absorpsiyon faktörü ile boyut ayarlanabilir güçlü lüminesan, uzun lüminesan ömrü ve eş zamanlı tespit ve uzun çalışma süresine izin veren, foto sönümlenmeye karşı üstün kararlılıkları ile KNlar dikkat çekici optik problardır. Fakat, bu kadar muazzam umut veren özelliklerine rağmen KNlar, ticari olarak kullanılanları ve sıklıkla kullanılanlarının yüksek toksisiteye sahip olması ve görünür bölgede (400-700 nm) ışıma vermeleri nedeniyle klinik olarak kullanıma sahip değillerdir. Görünür ışık, düşük foton penetrasyon derinliği, bazı biyolojik yapıların absorpsiyonu veya ışık saçılımına sahiptir. Ayrıca, canlı hücrelerdeki kolajenin otofloresanı da kontrastın azalmasına neden olur. Diğer taraftan, yakın kızılötesi bölge-I (700-900 nm) deki emisyon daha düşük sinyal kaybı ve böylece daha büyük sinyal/arka plan oranı sağlayarak yüksek çözünürlük, yüksek hassasiyet ve daha derin ışık penetrasyonu sunar. Bu yüzden, son yıllarda biyolojik/medikal kullanım için floresan probların yeni bir sınıfı olarak yakın kızılötesi ışıyan kuantum noktacıklar ortaya çıkmıştır. Ag2S KNlar, PbS, PbSe, CdHgTe gibi ağır metal içeren, daha geleneksel KNlara göre yüksek sitokompatibiliteleri ile en umut verici yakın kızılötesi KNlardır. Bu tez çalışmasında, gen ve ilaçları hedef hücrelere göndermek için ve salım ajanının hücrede lokasyonunu ve tespitini sağlayacak, güçlü optik sinyale sahip teranöstik nanoparçacıklar olarak, yakın kızılötesi-I de güçlü emisyonları ile biyouyumlu, katyonik Ag2S yakın kızılötesi kuantum noktacıkları geliştirmeyi amaçlıyoruz. Bu tez çalışmasının diğer bir amacı ise, bu özellikteki KNları basit, güvenli ve ekonomik olarak uygulanabilir yol ile üretmektir. Kısaca, katyonik Ag2S yakın kızılötesi KNlar basit, tek basamaklı, suda sentez yöntemi ile dallı polietileniminleri (PEI) ve küçük kaplama ajanlarını düşük sıcaklıkta karıştırarak üretilmişlerdir. Boyutunu küçük ve transfeksiyon verimini yüksek tutarak emisyon dalgaboyunu ayarlamak ve kolloidal kararlılığı ve lüminesan kuantum verimini maksimize etmek için Ag/S, Ag/kaplama oranı, reaksiyon zamanı, sıcaklık ve pH ile birlikte PEI nin (25kDa'dan 1.8 kDa'a) moleküler ağırlığının, küçük molekül çeşidinin, PEI/küçük molekül oranının etkisi çalışılmıştır. 2-merkaptopropionik asit (2MPA), l-sistein (Cys), l-arjinin, l-histidin ve l-glutamik asit, kaplamanın küçük molekül bileşenleri olarak çalışılmıştır. Bu küçük moleküller, fonksiyonelliklerine göre, amino asit olduklarında ise yan gruplarına göre seçilmişlerdir. Düşük moleküler ağırlıktaki PEI ve tiyol fonksiyonsuz küçük moleküller, kollaidal olarak kararlı ve lüminesan Ag2S üretmede başarısız olmuşlardır. Sadece PEI kaplı Ag2S lüminesan vermezken, küçük moleküllerle olan karışık kompozisyonları yakın kızılötesi-I bölgesinde güçlü lüminesan vermişlerdir. En iyi kompozisyonlar, PEI/2MPA (80/20 mol/mol %) ve PEI/Cys (60/40 mol/mol %) kaplamalı, Ag/S'ün 4 ve kaplama/Ag'ün 5 olduğu oranlar olarak karar verilmiştir. 2MPA'in ve Cys'in kostabilizör olarak kullanılması yoğun yüzey adsopsiyonu sağlayarak polimerik kaplamanın yeteneksizliğinden dolayı kristal yüzeyinde oluşan yüzey hatalarını azaltır. Bu, ışınımsal olmayan olayları azaltır ve böylece güçlü lüminesan sağlar. Elde edilen KNların vurgulanması gereken en önemli sonuçları (1) KNların, şu ana kadar rapor edilen Ag2S KNlar içinde en yüksek kuantum verimine sahip olanlar olmaları (LDS 798 yakın kızılötesi boyaya göre pH 7.4'te % 150- % 157 kuantum verimi), (2) bu sınıfın ilk katyonik olanları olması, (3) 100 nm'den küçük olmaları sayesinde in vivo ve hedefleme çalışmaları için uygun olmalarıdır. Hücresel seviyede, kurtçuklarda ve farelerde yapılan in vitro ve in vivo optik görüntüleme çalışmaları Ag2S yakın kızılötesi kuantum noktacıkların etkili hücre internalizasyonu ve güçlü lüminesanı ile oldukça umut vadeden optik ajanlar olduğunu göstermiştir. Parçacıkların katyonik doğası, standart bir gen olan yeşil floresan proteini (YFP) ile gösterilmiş ve özellikle PEI(25 kDa)/2MPA kaplı Ag2S KNlar ile ticari transfeksiyon ajanlara göre daha yüksek transfeksiyon verimi elde edilmiştir. Nanoparçacıklar, biyouyumluluklarını daha da arttırmak için ayrıca PEGlenmişleridir ve antikanser bir ilaç olan doksorubisinin kanser hücrelerine in vitro olarak salımı için kullanılmışlardır. Folik asit konjugasyonu ile tercihen DOX yüklü Ag2S leri folik asit reseptörü pozitif hücre hatlarına göndererek, güçlü apoptoz mekanizması indüklenmiş ve reseptör aracılı endositoz ile nanoparçacıkların seçici olarak salımı gösterilmiştir. Başka bir çalışmada, PEGlenmiş nanoparçacıklar, bir tümör baskılayıcı gen olan p53-GFP geni ile yüklenmiş ve p53 -/- kanser hücre hatlarında kullanılmışlardır. Fakat, PEGilasyondan sonra KNların transfeksiyon yeteneği dramatik bir şekilde düşmüştür. Sonuç olarak, bu tez çalışmasının amacı dahilinde, endüstriyel olarak uygulanabilir tek basamaklı güvenilir sentez ile şimdiye kadarki Ag2S KNlar içinde rapor edilmiş en yüksek kuantum verimli, şimdiden 4 seneyi aşkın süredir mükemmel kararlılığa sahip ve ilaç ve gen salımı, moleküler hedefleme ve optik görüntülemeye izin veren küçük boyutlu Ag2S KNlar üretilmiştir. Bu çalışma, klinik uygulamalar için yüksek potansiyele sahip, pratik bir KN kompozisyonunu sağlamaktadır.