Repository logo

Browsing by Author "Depciuch-Czarny, Joanna"

  • 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.
  • Thumbnail Image
    Item
    In-situ liquid cell TEM synthesis, dissolution and Au decoration of CexOy nanoaggregates with various oxidation states studied by XANES and STXM
    (The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Tarnawski, Tomasz; Parlińska-Wojtan, Magdalena; Depciuch-Czarny, Joanna; Smalc-Koziorowska, Julita; Kret, Sławomir; Kossacki, Piotr
    Transmisyjna mikroskopia elektronowa z komórką cieczową (LC-TEM) jest jedną z najbardziej zaawansowanych technik obrazowania i analizy nanostruktur. Umożliwia rejestrowanie w czasie rzeczywistym wzrostu oraz ewolucji materiałów we wnętrzu miniaturowego reaktora. Kluczowym wyzwaniem w badaniach LC-TEM jest radioliza wody, proces, w którym wiązka elektronowa generuje rodniki mogące prowadzić do niezamierzonych przemian chemicznych. Niniejsza rozprawa doktorska przedstawia dogłębne badanie nanochemicznych procesów indukowanych przez wiązkę elektronową na konkretnym nanomateriale – nanocząstkach tlenku ceru (CexOy NPs). Skupia się na analizie wpływu wiązki na rozpuszczanie, stabilność i mechanizmy syntezy nanocząstek jak również jej wpływu na zastosowanie katalityczne nanocząstek po dekoracji nanocząstkami złota (Au). Poprzez badanie tych interakcji, praca ta ma na celu udoskonalić metodologie stosowane w mikroskopii elektronowej in-situ oraz dostarczyć wgląd w reakcje chemiczne zachodzące w nanoskali w czasie rzeczywistym. Dzięki systematycznej analizie efektów działania wiązki elektronowej, udało mi się opisać wpływ takich czynników jak doza elektronowa, pH roztworu oraz dynamika przepływu cieczy. Opisana analiza dostarcza nowych wskazówek, pomocnych w usprawnianiu badań LC-TEM. Jednym z kluczowych eksperymentów przeprowadzonych w ramach badań była synteza nanocząstek tlenku ceru z roztworu prekursora w środowisku LC-TEM. Wyniki pokazały, że wiązka elektronowa może pełnić rolę czynnika redukującego w procesie formowania nanocząstek, wpływając na ich rozmiar, morfologię i krystaliczność. Ponadto, zbadane zostały efekty związane z różnymi przepływami cieczy. Wykazałem, że dostosowując przepływ można kontrolować kinetykę rozpuszczania się nanocząstek, co stanowi kolejną ciekawą strategię dla obrazowania w czasie rzeczywistym. Istotnym elementem badań było dekorowanie nanocząstek tlenku ceru nanocząstkami złota (Au NPs) w warunkach dynamicznych (przy ciągłym przepływie roztworu) i statycznych (bez przepływu). W pierwszym, Au NPs wykazywały większą tendencję do agregacji, tworząc duże skupiska na powierzchni ceru. Z drugiej strony, w warunkach statycznych obserwowałem głównie mniejsze i bardziej równomiernie rozmieszczone nanocząstki złota. W ramach testów aktywności katalitycznej nanosystemu przeprowadziłem reakcję utleniania etanolu (EOR). Dekorowane złotem nanoagregaty wykazały wyższą wydajność niż katalizator z czystego złota, co sugeruje, że zachodzi efekt synergii pomiędzy podłożem z tlenku ceru, a złotem. Dodatkowo, zmiany stanu utlenienia ceru w nanokatalizatorze zostały zbadane i omówione. Wysoka jakość nanokatalizatora została również potwierdzona trzygodzinnym eksperymentem z użyciem cyklicznej woltamperometrii oraz spektroskopii absorpcji w podczerwieni in-situ. Badania wykazały, że analizowany system skutecznie utlenia etanol, prowadząc do intensywnej generacji CO2. Rozprawa ta poszerza wiedzę na temat procesów nanochemicznych indukowanych przez wiązkę elektronową w środowisku ciekłym, ze szczególnym uwzględnieniem układów katalitycznych opartych na tlenku ceru. Prezentuje nowe metody eksperymentalne i sposoby, co stanowi wartościowy wkład dla dziedziny LC-TEM. Opracowane strategie mogą pozwolić na większą kontrolę procesów nanochemicznych i bardziej wiarygodną interpretację danych, co pomoże w dalszej optymalizacji technik mikroskopii elektronowej in-situ. Liquid cell transmission electron microscopy (LC-TEM) is one of the most advanced techniques for imaging and analysing nanostructures. It allows to conduct chemical reactions in a tiny reactor and register in real time the growth and evolution of the materials inside it. A key challenge in LC-TEM studies is the radiolysis of water, a process wherein the electron beam generates reactive radical species that can drive unintended chemical transformations. This dissertation presents an in-depth investigation of electron beam-induced nanochemical processes on a specific nanomaterial: cerium oxide nanoparticles (CexOy NPs). I focused on understanding how electron irradiation influences the dissolution, stability, and synthesis mechanisms of nanoparticles and their catalytic applications, when decorated with gold (Au) nanoparticles. By exploring these interactions, the study aims to refine the methodologies used in in-situ electron microscopy and provide insights into real-time chemical reactions at nanoscale. By systematical analysis of the beam-induced effects, I describe the influence of such factors like electron dose rate, solution pH and liquid flow dynamics. With this analysis, I provide new insights, which can be helpful in improving the LC-TEM methodology and the accuracy of in-situ experiments. One of the central experiments of the research involves synthesis of cerium oxide nanoparticles from a precursor solution within the LC-TEM environment. The results demonstrate that electron beam irradiation can serve as a reducing agent for nanoparticle formation, influencing their size, morphology and crystallinity. Furthermore, the effects of different liquid flowing conditions in LC-TEM were investigated. It has been shown, that by adjusting the flow rate, the dissolution kinetics of ceria can be controlled, which is another interesting strategy for real-time imaging. A crucial aspect of the research is the decoration of cerium oxide nanoparticles with gold nanoparticles (Au NPs) using both static and dynamic conditions in LC-TEM. In dynamic conditions, with continuous solution flow, Au NPs tend to aggregate more, forming larger clusters on the ceria surface. On the other hand, under static conditions, we observed mostly smaller and more uniformly dispersed Au nanoparticles. For the analysis of catalytic activity of the examined nanosystem, the ethanol oxidation reaction was performed. The ceria nanoaggregates decorated with Au NPs exhibited higher efficiency, than pure Au catalyst, which suggests that there is a synergetic effect between ceria support and Au NPs. Furthermore, the evolution of the oxidation state in the nanocatalyst was investigated and discussed. High quality of the nanocatalyst was proved also by 3-hours long experiment using cyclic voltammetry and in-situ infrared reflective absorption spectroscopy. It showed that the studied system efficiently conducts full ethanol oxidation, leading to high CO2 generation. Presented research advances the understanding of electron beam-induced nanochemical processes in liquid environments, with a particular focus on cerium oxide-based catalytic systems. It shows new experimental methods, which is a valuable contribution to the LC-TEM field. The presented strategies can be helpful in controlling nanochemical processes and data interpretation, which will be valuable for further optimization of in-situ TEM.