Ανάπτυξη υβριδικών κολλοειδών μαγνητικών νανοκρυσταλλιτών, μελέτη και βελτιστοποίηση ιδιοτήτων για βιοϊατρικές εφαρμογές

Abstract

Magnetic iron oxide nanocrystals (MIONs) are established as potent theranostic nanoplatforms due to their biocompatibility and the multifunctionality of their spin-active atomic framework. In the present dissertation, development and optimization of advanced magnetic nanoparticles was carried out, integrating diverse functions, with direct interest in biomedical applications. The focus of this work was the engineering of alginate-coated condensed-clustered magnetic nanoparticles (MagAlg) into a multifunctional platform encoding key properties required in nanotheranostics, such as very high colloidal stability, strong photo- and magnetically-induced hyperthermia properties, chemical functionalities for conjugation of bioactives, offering at the same time contrast/signal for multimodal deep-tissue imaging. Since the purely electrostatic stabilization offered by the polymeric layer of alginate leads to rapid precipitation in the presence of electrolytes, excluding its in-vivo use, the first goal of the study was to achieve steric stabilization of the system ensuring the colloidal stability in biorelevant media. In order to tackle this challenge, covalent and electrostatic approaches were explored for the successful installation of an additional polymeric layer of poly(ethylene glycol) (PEG). In both cases appropriately selected bifunctional PEG-copolymers were employed, allowing the system to be further modified through their free functional groups. The physicochemical properties of the produced systems were studied by dynamic light scattering, zeta potential, infrared spectroscopy and turbidimetry in order to evaluate their successful surface modification and colloidal stability in solutions of increased ionic strength. The next step was the binding of cancer cell targeting ligands and dye molecules with strong absorption and fluorescence in the NIR region, as well as the evaluation of the produced systems to function as drug delivery systems. The evaluation of the nanocarriers’ ability for heat generation through magnetic hyperthermia and NIR laser irradiation was also studied in-depth. The results showed their excellent performance with both techniques, demonstrating high PCE (photothermal conversion efficiency) and SLP (specific loss power) values, surpassing in performance corresponding systems of the literature. At the same time, in vitro cell studies in cancer cell lines showed the enhancement of the cytotoxic action of nanocarriers during NIR laser irradiation. Finally, thanks to the optical properties of the incorporated NIR dye and the magnetic properties of the condensed-clustered core, lead to effective in vivo imaging of the nanocarriers through fluorescence, MRI and photoacoustic imaging techniques. The successful integration of these properties into a single nano-platform has led to the development of multi-functional magnetic nanocarriers, of successfully combining a plethora of functions while maintaining their colloidal stability in media of biological interest.

Η ανάπτυξη theranostic συστημάτων βασισμένα σε μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου (MIONs) έχει δείξει ιδιαίτερη δυναμική λόγω της βιοσυμβατότητας τους και της πολύ-λειτουργικότητας του μαγνητικού τους πυρήνα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη και βελτιστοποίηση εξελιγμένων μαγνητικών νανοσωματιδίων ώστε να ενσωματώνουν πολλαπλές λειτουργείες με άμεσο ενδιαφέρον σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Βάση αυτής της μελέτης αποτέλεσε η σύνθεση μαγνητικών νανοφορέων κολλοειδών νανοπλειάδων πυκνής διάταξης (condensed CNCs) επικαλυμμένων με αλγινικό (MagAlg) και η ακόλουθη επιφανειακή τους τροποποίηση. Τα παραγόμενα συστήματα συνδυάζουν πλήθος ιδιοτήτων, όπως πολύ υψηλή κολλοειδή σταθερότητα, ισχυρή παραγωγή θερμότητας μέσω φωτοδιέγερσης ή εφαρμογής εναλλασσόμενων μαγνητικών πεδίων, εύκολη χημική τροποποίηση για σύζευξη βιοενεργών μορίων, προσφέροντας ταυτόχρονα και υψηλή αντίθεση/σήμα για την ανίχνευση τους μέσω πολλαπλών μεθόδων απεικόνισης. Αρχικά, μελετήθηκαν μέθοδοι για την επίτευξη στερικής σταθεροποίησης του συστήματος, αφού η καθαρά ηλεκτροστατικής φύσης σταθεροποίηση που προσφέρει το πολυμερικό στρώμα του αλγινικού οδηγεί σε γρήγορη καταβύθιση παρουσία ηλεκτρολυτών αποκλείοντας την in-vivo χρήση του. Προκειμένου να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο διερευνήθηκαν τρόποι σύνδεσης ενός επιπλέον πολυμερικού φλοιού πολύ(αιθυλενογλυκόλης) (PEG), μέσω ομοιοπολικών ή ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων. Και στις δύο περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκαν κατάλληλα επιλεγμένα διλειτουργικά PEG-συμπολυμερή επιτρέποντας την περαιτέρω χημική τροποποίηση και αξιοποίηση του συστήματος μέσω των ελεύθερων λειτουργικών ομάδων τους. Οι φυσικοχημικές ιδιότητες των παραγόμενων συστημάτων μελετήθηκαν μέσω δυναμικής σκέδασης φωτός, ηλεκτροκινητικών μετρήσεων ζ-δυναμικού, φασματοσκοπίας υπερύθρου και θολερομετρίας προκειμένου να αξιολογηθεί η επιτυχής επιφανειακή τροποποίηση και η σταθερότητα τους σε διαλύματα αυξημένης ιοντικής ισχύος. Επόμενο βήμα αποτέλεσε η σύνδεση μορίων στόχευσης υποδοχέων καρκινικών κυττάρων και χρωστικών με έντονη απορρόφηση και φθορισμό στο εγγύς υπέρυθρο (NIR), καθώς και η αξιολόγηση των συστημάτων στη χρήση τους ως νανοφορέων φαρμακομορίων. Επίσης μελετήθηκαν σε βάθος οι ιδιότητες υπερθερμίας των νανοφορέων μέσω μαγνητικής υπερθερμίας αλλά και φωτοθερμίας. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν την άριστη απόδοση τους και με τις δύο τεχνικές σημειώνοντας υψηλές τιμές PCE (photothermal conversion efficiency) και SLP (specific loss power), ξεπερνώντας σε απόδοση αντίστοιχα συστήματα της βιβλιογραφίας. Παράλληλα, in vitro κυτταρικές μελέτες σε καρκινικές σειρές ανέδειξαν την ενίσχυση της κυτταροτοξικής δράσης των νανοφορέων κατά την ακτινοβόληση του με NIR laser. Τέλος, χάρη στις οπτικές ιδιότητες της NIR χρωστικής και των μαγνητικών ιδιοτήτων του πυρήνα κατέστη δυνατή η αποτελεσματική in vivo απεικόνιση των νανοφορέων μέσω τεχνικών φθορισμού, πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (MRI) και φωτοακουστικής απεικόνισης. Η επιτυχής ενσωμάτωση αυτών των ιδιοτήτων σε μία μόνο πλατφόρμα οδήγησε στην ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών μαγνητικών νανοφορέων, ικανών να συνδυάσουν επιτυχώς πληθώρα λειτουργιών διατηρώντας παράλληλα την κολλοειδή τους σταθερότητα σε μέσα βιολογικού ενδιαφέροντος.