Development of theranostic hybrid nanoparticles for phototherapies

Abstract

Treatment of bacterial infections, just like cancer is complicated. The effectiveness of traditional treatment methods is often poor. As an alternative, local phototherapies show great promise as a single modality or in combination with traditional therapies. This thesis describes a portfolio of superparamagnetic iron oxide (SPION), quantum dots (QD) and their combination, namely hybrid nanoparticles, as a new theranostic nanoparticle platform to deliver a combination of tracking/imaging and treatment, specifically, photodynamic therapy (PDT) and photothermal therapy (PTT) with enhanced efficiency. Both PTT and PDT and the treatment of cancer and bacterial infections are the targeted applications for such nanoparticles. A multitude of techniques is employed in the development of such theranostic hybrid nanoparticles considering translation to the clinic. Nanoparticles that can effectively convert light energy into heat are effective in PTT; but for PDT usually photosensitizers, PS, which produces toxic reactive oxygen species (ROS) upon excitation at a particular wavelength, are used. The combination of a PS with a nanoparticle capable of inducing PTT may provide improved therapeutic efficiency. 5-Aminolevulinic acid (ALA), a well-known and FDA-approved prodrug, is used as the, PS in this thesis. This thesis first describes the synthesis of high-quality SPION and Ag2S quantum dots, the formation of hybrid structures and the evaluation of their use as theranostics for imaging and enhanced PTT, thereafter. Yet, NIR-emitting and N-acetyl cystein-coated Ag2S quantum dots emerged as the most promising nanoparticle for imaging, PTT and were applied for the treatment of wound-related biofilm eradication in vivo, for the first time in the literature.

Bakteri enfeksiyonları kanser gibi oldukça karmaşıktır. Geleneksel tedavi yöntemlerinin etkinliği ise genellikle zayıf kalır. Alternatif olarak lokal fototerapiler tek başına veya geleneksel tedavilerle beraber büyük umut vaat ediyor. Bu tez süperparamanyetik demir oksit (SPION) ve kuantum nokta (QD) kombinasyonundan oluşan hibrit nanopartiküllerin bir portföyünü tanıtır. Tanı ilişkili nanoparçacıklar olarak tanımlayabileceğimiz hibrit nanoparçacıklar izleme/görüntüleme ve tedavi olanağı bulunduran, özellikle fotodinamik terapi, FDT, ve fototermal terapi, FTT, gibi alanlarda üstün bir verim ile çalışan nanoparçacıklardır. Bu parçacıklar için kanser ve bakteri enfeksiyonlarının tedavisi hedeflenen uygulamalardandır. Kliniğe geçiş düşünüldüğünde, tanı ilişkili hibrit nanoparçacıkların geliştirilmesi için pek çok teknik uygulandı. Işığı ısıya etkili bir biçimde çevirebilen nanoparçacıklar FTT alanında etkilidir. Belirli bir dalga boyunda uyarım yoluyla reaktif oksijen türevleri (ROT) üreten foto-hassaslaştırıcılar, FH, ise FDT için kullanılır. FH ve nanoparçacığın birlikte kullanılması FTT için uygun ortam hazırlayarak geliştirilimiş bir terapötik etki sunar. Bu tezde FDA onaylı ve iyi bilinen bir FH olan 5-Aminolevulinik asit (ALA) kullanıldı. Bu tez ilk olarak yüksek kalite SPION ve Ag2S kuantum noktacıklarının sentezini ve hibrit yapıların oluşturulmasını anlatır. Sonrasında ise, bu parçacıkların hem görüntüleme hem de geliştirilmiş FTT kullanımları tanı ilişkili uygulamaları olarak analiz edildi. Böylece, yakın kızıl ötesi ışıma yapan ve N-acetyl cystein kaplı Ag2S kuantum noktacıklarının, FTT uygulamalarında ve bakteri enfeksiyonlarını yok edebilmesinde kullanılabilecek en gelecek vaat eden parçacıklar olduğu sonucuna varıldı. Yanık ilişkili yara tedavisinde kullanılmak bu parçacık ilk kez kullanılmıştır.