Ηλεκτροχημική ανίχνευση επιπτώσεων νανοδομών σε βιομόρια
Creators: name: Κουτσογιάννης, Αναστάσιος Σταύρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: subject: Βιονανοτεχνολογια
subject: Νανοτεχνολογία
subject: Τοξικότητα
subject: Bionanotechnology
subject: Nanotechnology
subject: FOS: Nanotechnology
subject: Nanotoxicity

description: H εξέλιξη της νανοτεχνολογίας έχει δημιουργήσει πλήθος εφαρμογών για σκοπούς έρευνας αλλά και εμπορικής χρήσης σε τομείς όπως είναι τα ιατρικά εμφυτεύματα, η μεταφορά φαρμάκων, τα καλλυντικά. Παρόλα αυτά δεν είναι επαρκώς κατανοητές οι απειλές για την υγεία και το περιβάλλον. Τα αποτελέσματα των πιο πρόσφατων ερευνών εφιστούν την προσοχή στην χρήση προϊόντων νανοτεχνολογίας, όσον αφορά τις επιπτώσεις σε οργανισμούς και βιολογικά συστήματα, κυρίως για εφαρμογές στον ιατρικό τομέα και το πεδίο προϊόντων περιποίησης. Ένας διαδεδομένος δείκτης επιπτώσεων νανοδομών σε οργανισμούς είναι οι Δραστικές Ρίζες Οξυγόνου (Reactive Oxygen Species) οι οποίες περιλαμβάνουν τις ρίζες ανιόντων υπεροξειδίου ∙Ο2-, ρίζες υδροξυλίου ΟΗ●, υποχλωριώδες οξύ HClO κ.α. οι οποίες ταράσσουν την ισορροπία των αντιοξειδωτών στα κύτταρα καταλήγοντας σε αυτό που ονομάζεται οξειδωτικό στρες.Δύο είδη νανοδομών με εξαιρετικές φυσικοχημικές ιδιότητες είναι οι κβαντικές τελείες CdS και τα νανοσωματίδα Au. Λόγο της δομής τους οι κβαντικές τελείες έχουν ευρύ φάσμα διέγερσης και εκπομπής ακτινοβολίας ως αποτέλεσμα των περισσότερων ενεργειακών επιπέδων που τους επιτρέπει να απορροφήσουν φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας. Γεγονότα διέγερσης φθορισμού των κβαντικών τελειών μπορούν ωστόσο να επιφέρουν γένεση δραστικών ριζών οξυγόνου καθώς από τη διέγερση εκπέμπεται ηλεκτρόνιο στο κοντινό βιολογικό περιβάλλον αντιδρώντας με το μοριακό οξυγόνο (triple state) και σχηματίζοντας άλλες δραστικές μορφές οξυγόνου όπως το πολύ δραστικό οξυγόνο μονής κατάστασης (single state) και το ανιόν υπεροξειδίου. Από την άλλη τα νανοσωματίδια ευγενών μετάλλων όπως ο Au είναι δομές που οπτικά παρουσιάζουν το λεγόμενο πλασμονικό φαινόμενο, όπου τα ελεύθερα d ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας ταλαντώνονται σε συντονισμό με έντονες αποκρίσεις στο φάσμα του ορατού. Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκε ένα απλό και φθηνό οπτικό-ηλεκτροχημικό πρωτόκολλο βιοαισθητήρα επιπτώσεων από νανοδομές. Χρησιμοποιήθηκαν κβαντικές τελείες CdS μεγέθους 3.7 nm και 10.5 nm και νανοσωματίδια Αu 19 nm και 34 nm, μεγέθη που προσσεγιστικά βρίσκονται σε συμφωνία με εικόνες Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης. Έγινε συγκριτική μελέτη ανίχνευσης παραγωγής Δραστικών Ριζών ανιόντων υπεροξειδίου και υδροξειλίου με φαματοσκοπία υπεριώδους από τους ανιχνευτές 7 chloro-4-nitrobenzo-2-oxa-1,3-diazole (NBD Cl) και 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) υπό το σύστημα φωτοενεργοποιημένων νανοδομών από UV-C ακτινοβολία. Ένας πολύ σημαντικός βιολογικός παράγοντας αλληλεπίδρασης είναι ο σχηματισμός του φαινομένου της Πρωτεϊνικής Κορώνας που πρόκειται για το σχηματισμο πρωτεινών του βιολογικού μέσου ως κέλυφος κάλυψης της επιφάνειας των νανοδομών. Η παρούσα εργασία προσπαθεί να ερευνήσει και τις επιπτώσεις του φαινομένου. Παρατηρήθηκε η αύξηση της πλασμονική απόκρισης των νανοσωματιδίων Au, ως αποτέλεσμα της μονοδιασποράς μετά το σχηματισμό της πρωτεϊνικής κορώνας. Με χρήση του ΝBD-Cl παρατηρήθηκε ότι μειώθηκε η παραγωγή ROS υπό την επίρροια της πρωτεϊνικής κορώνας για κβαντικές τελείες CdS και τα νανοσωματίδια Αu. Με τη χρήση ηλεκτροχημικού βιοαισθητήρα ποσοτικοποιήθηκε το επιζών dsDNA ύστερα από κατεργασία με τις νανοδομές υπό τη συνεχή συνθήκη φωτοενεργοποίησης σε ακτινοβολία UV-C 253.7 nm. Οι μικρότερου μεγέθους κβαντικές τελείες CdS καταστρέφουν το dsDNA περισσότερο καθώς τότε παρατηρούνται και περισσότερα ανιόντα υπεροξειδίου. Το αποτέλεσμα συνδέεται με εντονότερη απόκριση φθορισμού των μικρότερων κβαντικών τελειών. Σε όλες τις περιπτώσεις των νανοσωματιδίων και των κβαντικών τελειών η παρουσία κελύφους πρωτεϊνών μείωσε την ανίχνευση Δραστικών Ριζών Οξυγόνου καθώς και την καταστροφή του dsDNA, λόγο του διπλού ρόλου του κελύφους στην απορρόφηση των Δραστικών Ριζών αλλά και στην συγγένεια των ιστών που αλληλεπιδρούν.
description: The evolution of nanotechnology has created plenty of applications for research and commercial use in the industry of medical implants, drug delivery and cosmetics. Nevertheless, lately research result draw attention to the use of nanothecnology products with regard to the effects on organisms and biological systems, mainly for medical applications and care products. A widespread marker of nanostructure effects in organisms is the generated Reactive Oxygen Species (ROS), which are distinguished to radicals of superoxide anion ∙Ο2-, hydroxyl radicals ΟΗ●, hypochlorite acid HClO and more, which effect the balance of cell antioxidants which results the oxidative stress.Two types of nanostructures with excellent physicochemical properties are CdS quantum dots (qds) and the Au nanoparticles (nps). Due to their size, qds have optical properties with bright and stable fluorescence and photoluminescence as a result of more energy band gaps that are able to absorb photons of lower energy. Fluorescence stimulation events of quantum dots can, however, generate ROS, as an electron is emitted to the nearby media’s environment and reacting with the molecular oxygen (triple state), as well as forming ROS the very reactive single state oxygen and the superoxide anion. Moreover noble metal nps as Au, are nanostructures that perform optical properties related to Plasmonic Effect, when in conduction band free d-electrons resonant oscillate results high response at visible spectrum. In the present work it was created a hybrid optical-electrochemical biosensing system for impacts evaluation. It has been used CdS qds 3.7nm and 10.5nm and Au nps 19nm and 34nm as it confirmed also from Scanning Electron Microscopy images. It took place comparative study for sensing the generation of ROS superoxide anions and hydroxyl radicals and by UV-Vis spectroscopy and the scavenger of 7 chloro-4-nitrobenzo-2-oxa-1,3-diazole (NBD Cl) and 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH), under the influence of photoactivated nanostructures by UV-C radiation. One very important factor for nano-bio interactions is the not well-known Protein Corona effect which is the formation of proteins from biological media covering nanostructures’ surface as a shell. This research tries an approach to investigate these impacts. It was observed the increased of Plasmonic Response of Au nps, as a result of the monodispersion after the formation of protein corona. Using the scavenger of NBD-Cl it was observed ROS generation decrease under the influence of the formatted Protein Corona for both CdS qds and Au nps. Εlectrochemical biosensors used to quantify survival dsDNA after the treatment with both nanostructures photoactivated by UV-C radiation 253.7nm. CdS qds observed opposed thus the smaller sized qds destroyed dsDNA more than the bigger sized, following the generation of superoxide anions respectively. The mention result is connected with the fluorescence intensity of the qds and the generation mechanism of ROS. In all cases of nanoparticles and quantum dots, the presence of protein shells reduced the detection of ROS as well as the destruction of dsDNA, due to the dual role of the shell in the the absorption of ROS and the affinity of the tissues interacting.