Development of plasmonic nanostructures for photothermal therapy of prostate and breast cancer

Abstract

The aim of this thesis is to synthesize gold nanorods (AuNRs) and lipid-stabilized nanobubbles containing AuNRs and investigate the potential of these plasmonic nanostructures as photothermal therapy agents for breast and prostate cancer through in vitro cell culture experiments. For this aim, firstly, AuNRs were synthesized at varying aspect ratios (ARs) and characterized via several techniques including UV-Vis/NIR spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), inductively coupled plasma-mass spectroscopy (ICP-MS), electrophoretic light scattering (ELS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The surface of AuNRs was modified with a biocompatible polymer, poly(ethylene glycol) (PEG), via ligand exchange method. Cytotoxicity, cell uptake and photothermal effects of AuNRs were investigated via in vitro cell culture experiments using human prostate cancer (DU 145) and epithelial (RWPE-1), breast cancer (MCF7) and epithelial (MCF 10A) cell lines. It was concluded that AuNRs (AR=4.0) were superior than AuNRs (AR=7.0) in terms of cell viability and photothermal effect. Separately, a non-commercial antibody (Ab) targeting a specific sialic acid derivative on the plasma membrane of DU 145 and MCF7 cancer cells was conjugated to AuNRs. Conjugations were characterized with the same techniques and investigated via in vitro cytotoxicity and cell uptake experiments. The Ab-conjugated AuNRs displayed the capability of selective targeting prostate cancer cells. Additionally, lipid-stabilized AuNRs and lipid-stabilized nanobubbles containing AuNRs (AuNBs) were synthesized for the first time and characterized using UV-Vis/NIR spectroscopy, SEM, ICP-MS and ELS techniques. Lipid-stabilized AuNRs were successfully synthesized using varying lipid mixtures instead of cationic, toxic surfactant. Separately, AuNBs were synthesized by combining PEG modified AuNRs with DPPC: DSPE-PEG lipid film under sonication and gas stream. AuNBs showed the same or significantly lower toxicity depending on the cell types and the same photothermal effect with respect to AuNRs (AR=4.0) upon irradiation under laser at 808 nm.Bu tezin amacı, altın nanoçubukları (AuNRs) ve altın nanoçubukları içeren lipit stabilize edilmiş nanobalonları sentezlemek ve bu plazmonik nanoyapıların, in vitro hücre kültürü deneyleri aracılığıyla meme ve prostat kanseri için fototermal terapi maddeleri olarak potansiyelini araştırmaktır. Bu amaçla, ilk olarak, altın nanoçubuklar değişen boy-en oranlarında sentezlendi ve UV-Vis/NIR spektroskopisi, taramalı elektron mikroskobu (SEM), atomik kuvvet mikroskobu (AFM), indüktif olarak eşleşmiş plazma kütle spektroskopisi (ICP-MS), elektroforetik ışık saçılımı (ELS) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) dahil olmak üzere çeşitli tekniklerle karakterize edildi. Altın nanoçubukların yüzeyi, ligand değişim metodu ile biyouyumlu bir polimer olan poli(etilen glikol) (PEG) ile modifiye edildi. Altın nanoçubukların sitotoksisitesi, hücre alımı ve fototermal etkileri, insan prostat kanser (DU 145) ve epitel (RWPE-1), meme kanser (MCF7) ve epitel (MCF 10A) hücre hatları kullanılarak in vitro hücre kültürü deneyleri ile araştırıldı. Hücre canlılığı ve fototermal etki açısından boy-en oranı 4 olan altın nanoçubukların boy-en oranı 7 olandan daha üstün olduğu sonucuna varıldı. Ayrı olarak, DU 145 ve MCF7 kanser hücrelerinin plazma zarı üzerinde spesifik bir sialik asit türevini hedef alan bir antikor, altın nanoçubuklara konjuge edildi. Konjugasyonlar aynı teknikler ile karakterize edildi ve in vitro sitotoksisite ve hücre alımı deneyleri ile araştırıldı. Antikor ile konjuge altın nanoçubuklar prostat kanseri hücrelerini seçici hedefleme yeteneği göstermiştir. Ek olarak, lipit stabilize edilmiş altın nanoçubuklar ve altın nanoçubukları içeren lipit stabilize edilmiş nanobalonlar ilk kez sentezlendi ve UV-Vis/NIR spektroskopisi, SEM, ICP-MS ve ELS yöntemleri kullanılarak karakterize edildi. Katyonik, toksik yüzey aktif madde yerine çeşitli lipit karışımları kullanılarak lipit stabilize altın nanoçubuklar başarıyla sentezlendi. Ayrıca, altın nanobalonlar sonikasyon ve gaz akışı altında PEG modifiye altın nanoçubukların DPPC: DSPE-PEG lipit filmi ile birleştirilmesiyle sentezlendi. Altın nanobalonlar boy-en oranı 4 olan altın nanoçubuklara göre, hücre tiplerine bağlı olarak önemli ölçüde daha düşük veya aynı toksisite ve 808 nm lazer ışıması altında aynı fototermal etki gösterdi.