Repository logo

Rozprawy doktorskie IFJ PAN (Doctoral dissertations of IFJ PAN)

Permanent URI for this collection

https://rifj.ifj.edu.pl/handle/item/3

Browse

Browsing by Author "Baran, Jarosław"

  • Thumbnail Image
    Item
    Application of mono-, bi- and trimetallic gold (Au NPs), platinum (Pt NPs) and palladium-based (Pd NPs) nanoparticles to enhance the proton irradiation effect of cancer cells in vitro
    (Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Klębowski, Bartosz; Parlińska-Wojtan, Magdalena; Baran, Jarosław; Depciuch-Czarny, Joanna; Gagoś, Mariusz; Kossacki, Piotr; Pawlik, Piotr
    Nowotwory należą do jednych z najczęstszych i najbardziej zagrażających życiu chorób cywilizacyjnych. Niestety, dostępne metody leczenia, takie jak chirurgia, chemioterapia, radioterapia, a nawet immunoterapia często nie dają satysfakcjonujących rezultatów. W związku z tym, niezmiernie ważne jest znalezienie nowych, bardziej efektywnych strategii zwalczania nowotworów. W niniejszej rozprawie doktorskiej zbadano wzmocniony, przeciwnowotworowy efekt napromieniania wiązką protonów (PIr) w obecności nanocząstek, będący rezultatem terapii wykorzystującej rozwój nanotechnologii i niepowodującej wyraźnych uszkodzeń prawidłowych komórek i tkanek, z jednoczesnym działaniem przeciw- nowotworowym. W tym celu zsyntezowano mono,- bi- oraz trimetaliczne nanocząstki (NPs) zbudowane z atomów o wysokiej liczbie atomowej Z (złota – Au NPs, platyny – Pt NPs, palladu – Pd NPs), które dodawano do rakowych oraz referencyjnych linii komórkowych, aby wykazać czy osiągnięty zostanie lepszy efekt PIr w porównaniu do PIr o takiej samej dawce promieniowania, ale bez dodatku NPs do komórek. Zatem, w niniejszej rozprawie wykorzystano interdyscyplinarne podejście, w którym wiedzę o chemicznej syntezie nanocząstek oraz mechanizmach ich wzrostu połączono z właściwościami fizycznymi otrzymanych nanostruktur mającymi bezpośredni efekt biologiczny na komórki. Badania te miały odpowiedzieć także na pytanie, jaki mechanizm: chemiczno-biologiczny czy fizyczny jest odpowiedzialny za zwiększenie śmiertelności komórek rakowych hodowanych z NPs i naświetlanych wiązką protonów. W rozprawie doktorskiej zastosowano wiele fizycznych, chemicznych i biologicznych metod w celu zweryfikowania zawartych w pracy hipotez: analizę aktywacyjną cząstkami (protonami) naładowanymi (ChPAA), transmisyjną mikroskopię elektronową (TEM), spektroskopię dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (EDS), dyfrakcję elektronową wybranego obszaru (SAED), dyfrakcję rentgenowską (XRD), spektroskopię w zakresie nadfioletu i światła widzialnego (UV-Vis), pomiar potencjału zeta, analizę śledzenia nanocząstek (NTA), mikroskopię holotomograficzną 3D, test MTS (sól 3-(4,5-dimetylotiazol-2-ylo)-5-(3-karboksymetoksyfenylo)-2-(4-sulfofenylo)-2H-tetrazolowa) oraz cytometrię przepływową. W warunkach laboratoryjnych otrzymano metodą mokrej syntezy monometaliczne Au NPs, Pt NPs, Pd NPs oraz bi- i trójskładnikowe kombinacje tych NPs. Wyżej wymienione rodzaje NPs zostały wybrane ze względu na ich właściwości, takie jak wysoka liczba atomowa Z, rozmiar poniżej 50 nm, krystaliczna struktura oraz odpowiednio dobrane stabilizatory. Otrzymane NPs były dodawane do hodowli trzech linii komórkowych raka jelita grubego, cechujących się różną agresywnością i potencjałem przerzutowania, aby określić, który rodzaj NPs powoduje największą cytotoksyczność po PIr. Następnie przeprowadzono długoterminowe obserwacje komórek w czasie rzeczywistym, stosując nieinwazyjną technikę mikroskopii holotomograficznej 3D (Nanolive), uzyskując informacje na temat miejsc akumulacji NPs oraz spowodowanych akumulacją zmian gęstości NPs we wnętrzu komórek. Do wykazania kumulatywnego efektu NPs oraz PIr względem komórek, w pierwszym etapie za pomocą testu MTS wyznaczono nietoksyczne stężenia poszczególnych rodzajów NPs oraz dawki promieniowania protonowego dla wszystkich linii komórkowych. W obu przypadkach dopuszczalnym progiem było stężenie/dawka, które powodowało śmiertelność nie wyższą niż 20 % komórek. Następnie, NPs w takim wyznaczonym stężeniu dodawano do hodowli do odpowiednich linii komórkowych, które następnie naświetlono, po czym w różnych odstępach czasu oceniono ich żywotność za pomocą testu MTS oraz cytometrii przepływowej. Wyniki badań pokazały, że PIr komórek hodowanych z NPs daje większy efekt cytotoksyczny, w porównaniu do PIr bez wykorzystania NPs. Potwierdza to celowość i skuteczność stosowania nanoradiouczulaczy w terapiach antynowotworowych. Jednakże, końcowy efekt PIr zależy nie tyle od rodzaju metalu wchodzącego w skład NPs, ale bardziej od rozmiaru oraz nanostruktury (porowatości) NPs. Wykazano, że ultra małe Pt NPs oraz Pd NPs mają lepsze właściwości radiouczulające w porównaniu do pozostałych NPs. Niewielki rozmiar NPs zapewnia silnie rozwiniętą powierzchnię, a co za tym idzie – warunkuje lepsze właściwości radiouczulające. Najbardziej obiecujące wydają się tu ultra małe Pd NPs, gdyż maksymalne nie-toksyczne stężenie tych NPs było mniejsze niż ultra małych Pt NPs, a końcowy efekt działania Pt NPs i Pd NPs był zbliżony. Porównano także efekt porowatości dwóch struktur AuPd typu rdzeń-otoczka: AuPd CSs z ciągłą palladową otoczką oraz nanomalin (AuPd NRs) z porowatą palladową otoczką. Istotne jest, że oba typy NPs mają zbliżoną zewnętrzną średnicę, składają się z tych samych metali oraz to, że zostały otrzymane za pomocą takich samych reagentów w analogicznej metodzie syntezy. Wyraźnie lepsze właściwości radiouczulające wykazano dla porowatych AuPd NRs, co jest spowodowane przez silniej rozwiniętą powierzchnię tych NPs, co zapewnia lepszy kontakt z komórkami. Zdjęcia z mikroskopii holotomgraficznej 3D pokazały, że Pd NPs akumulują się w jądrach komórkowych. Dla wszystkich badanych linii komórkowych objętość zajmowana przez NPs w komórkach wzrastała liniowo wraz z czasem hodowli i zależała od linii komórkowej – najbardziej widoczne zmiany zaobserwowano dla linii SW620. Oznacza to, że dynamika wnikania Pd NPs była różna dla poszczególnych linii komórkowych. Ważnym dla zastosowań medycznych jest fakt, że komórki wszystkich linii nowotworowych były bardziej wrażliwe na PIr, NPs oraz łączoen działanie PIr z NPs, w porównaniu z komórkami prawidłowymi. Zbadano także mechanizmy interakcji komórek z wiązką protonów i NPs, które prowadzą do śmierci komórek. Wyniki ChPAA wykazały, brak występowania promieniowania gamma charakterystycznego dla nuklidów/izotopów, które mogłyby powstać w wyniku reakcji jądrowej na złocie, platynie lub palladzie, co sugeruje, że fizyczny efekt radiouczulania pełni znikomą rolę w śmierci komórek. W tym kontekście należy oczekiwać, że w radiouczulanie zaangażowany jest głównie efekt biologiczno-chemiczny opierający się na generowaniu m.in. reaktywnych form tlenu (ROS) i/lub hamowaniu podziałów komórki w fazie G2/M, w której komórki cechują się najwyższą wrażliwością na promieniowania. Podsumowując, w niniejszej rozprawie sprawdzono wpływ rozmiaru, struktury, składu chemicznego oraz wartości potencjału zeta NPs na wzmacnianie efektu napromieniowania komórek rakowych oraz prawidłowych. Wykazano, który mechanizm radiouczulania pełni kluczową role w indukcji śmierci komórek nowotworowych, poddanych działaniu NPs oraz PIr. Uzyskane wyniki pokazały, że dodatek zsyntezowanych NPs w nietoksycznym stężeniu do komórek nowotworowych, znacząca zwiększa ich śmiertelność na skutek oddziaływania NPs z wiązką protonów.