Nanoparçacık destekli kanser tanı ve kombine tedavi araştırmaları

Kanser her yıl yaklaşık 10 milyon ölüme neden olan ve çok daha fazla kişiye tanı konan hem ekonomik hem de halk sağlığı açısından ciddi bir yüktür. Cerrahi, kemoterapi ve radyoterapiyi içeren geleneksel tedavilerdeki gelişmelere rağmen, tedavi etkinliği hala hastalık ilerlemesi hızının gerisinde kalmaktadır. Bu nedenle, tümör özgüllüğü, kötü prognoz ve yan etkiler gibi geleneksel tedavilerle ilişkili yetersizlikleri gidermek için yeni terapötik yaklaşımlara ihtiyaç vardır. Farklı patolojiler için ışık temelli tedaviler çok eski zamanlara dayanır. Işığın farklı enerji formlarına dönüştürülebilen elektromanyetik radyasyon özellikleri teranostik amaçlar için kullanılmıştır. Bu alanda iki ana yaklaşım ortaya çıkar: fotodinamik terapi (FDT) ve fototermal terapi (FTT). Fotodinamik terapi esas olarak ışık, fotohassaslaştırıcı ve oksijen arasındaki etkileşimden yararlanır ve takibinde reaktif oksijen türleri üreterek tümör hücrelerini doğrudan ve dolaylı yollarla öldürür. Öte yandan, fototermal terapi, derinlemesine nüfuz eden NIR ışık ile lokalize sıcaklık artışına dayanır. Fototermal terapinin etkili olması için oksijene ihtiyacı yoktur, dolayısıyla hipoksik tümörleri de tedavi etme potansiyeline sahiptir. Yarı iletken nanokristaller, yani kuantum noktaları (KN'ler), güçlü fotolüminesans ve fotostabilite, çoklu uyarma dalga boylarına izin veren geniş absorpsiyon spektrumu, boyut ile değişebilen fizyokimyasal özellikler ve kolay ve düşük maliyetli sentez gibi farklı özelliklerinden dolayı çok dikkat çekmiştir. Başlangıçta ışıyan nanoproblar olarak tasarlanmışlardır, fakat son zamanlarda teranostik yaklaşımlarda ilaç taşıma sistemleri, hedefleme ajanları ve fototermal terapi sağlayıcıları olarak da kullanılmaktadırlar. Cd, Hg veya Pb'ye dayalı ilk nesil KN'lerin toksik özelliklerinden dolayı, yenilikçi, ağır metal içermeyen Ag2S (AS) KN'ler, yeni bir teranostik KN sınıfı olarak ortaya çıkmıştır. Bu tez çalışması, kanser tedavisinde AS KN'lerin farklı teranostik uygulamalarını geliştirmeye adanmıştır. İlk bölümde, AS KN'ler yaygın olarak kullanılan bir kemoterapötik ajan olan paklitaksel'i (PTX) verimli bir şekilde taşımak ve aynı zamanda FTT sağlamak için hidrofobik ilaç taşıyıcıları olarak kullanıldılar. PTX'in sudaki düşük çözünürlüğünden dolayı, bu ilacı taşıyabilecek kaplamaya sahip olan, küçük boyutlu, koloidal olarak kararlı, NIR bölgede ışıyan AS KN'ler üretmek için yeni bir tasarım fikri önerildi. Klinik olarak onaylanmış albümine bağlı PTX yapısı olan Abraxane®'den ilham alarak, sığır serum albümini (BSA), KN'lerin yüzeyinde kovalent olarak konjuge edildi ve PTX, BSA'ya elektrostatik olarak yüklendi. Hücre içi alım, SKBR3 ve MDA-MB-231 meme kanseri hücrelerinde konfokal mikroskopi ile izlendi. AS-BSA KN'lerin zamana ve konsantrasyona bağlı toksisitesi her iki hücre hattında araştırıldı. FTT/kemoterapi kombine tedavisi, 24 saat AS-BSA-PTX inkübasyonu ve ardından 808 nm, 700 mW'de 10 dakika lazer uygulaması ile gerçekleştirildi. Her iki hücre hattı için, düşük dozlarda sadece FTT ve kombine tedavi arasında anlamlı bir fark gözlendi. PTX'in IC50 değeri, 100 ng/mL, kombinasyon tedavisi ile 5 kat azaltılarak 20 ng/mL'ye düşürüldü. Bu tasarım, diğer hidrofobik türleri de taşıyacak şekilde uyarlanabileceği için büyük bir potansiyele sahiptir. Bu tez çalışmasının ikinci bölümünde, başka bir kemoterapi ilacı olan Cisplatin (CPt), HER2'yi aşırı eksprese eden meme kanseri hücrelerine, hedef molekül olarak Herceptin (Her) kullanılarak hedefli yaklaşımla verildi. Glutatyon (GSH) kaplı AS KN'ler, hem ilaç taşıma hem de FTT ajanları olarak kullanıldı. Her, KN yüzeyine kovalent olarak konjuge edildi ve CPt, elektrostatik olarak yüklendi. AS-Her/CPt KN'ler küçük boyutlu, koloidal olarak kararlı, 900 nm'de güçlü NIR emisyonuna sahip ve 808 nm (215 mW) lazerle uyarıldığında çözeltide yeterli sıcaklık artışı sağlıyordu. Ayrıca in vitro deneyler, reseptör bazlı hücre içi alım sayesinde, kısa inkübasyonda HER2(-) MDA-MB-231 hücrelerine kıyasla HER2(+) SKBR3 hücrelerinde hücre içi alımın 2 kat arttığını gösterdi. Karanlık toksisite deneyleri ile belirlenen güvenli AS-Her/CPt konsantrasyonunda, kombine tedavi sonucunu belirlemek için hücrelere 808 nm, 700 mW'de 10 dakika lazer uygulandı. Hücre canlılığı, SKBR3 hücrelerinde FTT/kemoterapi kombinasyonu uygulanarak,100 μg/mL [Ag] konsantrasyonunda, sadece 4 saatlik inkübasyon ve 10 dakika 808 nm (700 mW) lazer uygulaması ile %25'e düşürüldü. Umut verici in vitro sonuçların ardından, güvenli bir AS-Her/CPt KN dozu, SKBR3 hücreleri ile oluşturulan tümörlü nude farelere kuyruktan olarak enjekte edildi. Tümör bölgesinde seçici birikim, tedavi süresi boyunca IVIS görüntüleme ile doğrulandı. Kombine tedavi, AS-Her KN'lerle uygulanan FTT, CPt ile uygulanan kemoterapiye kıyasla çok daha başarılı bir tedavi etkinliği ile sonuçlandı. Sadece kemoterapi tedavisi (lazer olmadan sadece 0,7 mg/kg CPt) ve 30 mg/kg dozda AS-Her ile sadece FTT tedavisi (2,0 W/cm2, 10 dk lazer), sırasıyla %40 ve %30 tümör hacmi azalmasıyla sonuçlandı. FTT/kemoterapi kombinasyon tedavisi uygulandığında aynı tedavi parametrelerinde tam tümör gerilemesi gözlendi. Bu nedenle AS-Her KN'leri, HER2'yi aşırı eksprese eden tümörlerin tedavisi ve tümör bölgesine terapötik yük taşınması için yenilikçi ve etkili bir FTT ajanı olarak önerildi. Bu tezin üçüncü bölümü, folat reseptörü (FR) pozitif HeLa hücrelerinin görüntülenmesi ve kombine tedavisi için yeni bir FDT ajanı olan bromlu hemisiyaninin (Hemi-Br) taşınmasına odaklanmıştır. Bu amaçla AS-GSH KN'ler folik asit (FA) ile dekore edilmiş ve elektrostatik olarak Hemi-Br ile yüklenmiştir. AS-GSH-FA/Hemi-Br KN'ler bir yıl boyunca koloidal olarak stabildi, küçük boyutluydu (<100 nm) ve Hemi-Br ve AS KN'lerden sırasıyla 705 ve 900 nm'de ikili emisyona sahipti. Nihai nanopartikülün FTT ve FDT potansiyeli ilk olarak çözelti içinde incelenmiştir. 640 nm'de (215 mW) lazer uyarımı ile, serbest Hemi-Br ve AS-GSH-FA ile elde edilen sırasıyla 6.67oC ve 13.6oC sıcaklık artışına kıyasla, kombine nanopartikül ile 17.74oC sıcaklık artışı gözlendi. Bu çalışma, AS KN'lerin bu dalga boyunda ışıktan ısıya dönüşüm verimliliğini araştıran ilk çalışma olma özelliği taşımaktadır. Hemi-Br'nin lazer uyarımı ile singlet oksijen üretimi de solüsyonda ayrıca doğrulandı. Çözeltide iyi sonuçlar alındıktan sonra, parçacıklar FR(+) HeLa ve FR(-) A549 hücrelerinde FR hedefli, görüntü kılavuzlu, FTT/FDT ikili terapi ajanları olarak kullanıldı. Lazer uyarımı olmadığında hiçbir sitotoksik etki gözlenmedi. Öte yandan, FDT/FTT kombine tedavisi uygulandığında 10 μg/mL Hemi-Br (57 μg/mL [Ag]) dozunda hedeflenen HeLa hücre hattı için tam hücre ölümü gözlendi. Aynı konsantrasyonda hedeflenmemiş A549 hücreleri için canlılık yaklaşık %70 idi. Hücre ölüm mekanizması, mono terapilerin etkilerini göstermek için ayrıca araştırıldı. Dördüncü ve son bölüm, tümör hipoksisini iyileştirerek FDT etkinliğini artırmayı amaçladı. Bu bağlamda, BSA kaplı AS KN'ler üzerinde KMnO4'ün indirgenmesi ile oksijen ve hidroksil radikali sağlayan MnO2 üretildi ve AS-BSA-MnO2 hibrit yapısı önerildi. FDT'yi sağlamak için, bu parçacıklara 5-aminolevulinik asit (ALA) elektrostatik olarak yüklendi. Nihai nanoparçacık, NIR emisyona ve küçük hidrodinamik boyuta sahip olup, FDT ve FTT potansiyeline sahipti. Lazer uygulaması olmadan, SKBR3 ve MDAMB-231 meme kanseri hücre hatlarında önemli bir sitotoksisite gözlenmedi, bu da nanoparçacıkların biyouyumlu doğasını gösterdi. Hem MnO2 hem de AS KN'lerin varlığında, 5 dakika boyunca 640 ve 808 nm'de (300 ve 700 mW) lazer uygulaması ile her iki hücre hattı için ALA-PDT tedavi verimliliğinde önemli artış gözlendi. Ek olarak, geliştirilmiş kombinasyon tedavisinin mono terapilere kıyasla üstünlüğü gösterildi. Bu bulgular, AS-BSA-MnO2-ALA'nın meme kanseri hücrelerine karşı görüntü kılavuzlu FTT/FDT potansiyeline sahip olduğunu gösterdi.