Νανοσωματίδια οξειδίου του ψευδαργύρου ως φορείς του αδαμανταν-καρβοξυλικού οξέος και in vitro μελέτη της αλληλεπίδρασης τους με βιομόρια
Creators: name: Κασαπίδου, Αγγελική-Βιργινία Αχιλλέως
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Νανοσωματίδια οξειδίου του ψευδαργύρου
Αδαμανταν-καρβοξυλικό οξύ
Βιοεφαρμογές
Zinc oxide nanoparticles
Adamantan-carboxylic acid
Bioapplications

description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκαν αρχικά τέσσερις επαναληπτικές συνθέσεις επικαλυμμένων νανοσωματιδίων οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO NPs) με διαφορετικά χαρακτηριστικά ως προς την μορφολογία, το μέγεθος, το σχήμα και τις ιδιότητες της επιφάνειάς τους. Συγκεκριμένα παρασκευάστηκαν τα πρωτογενή ZnO@ODA NPs με μεγάλο και μικρό ποσοστό οργανικής επικάλυψης αντίστοιχα, καθώς και τα ZnO@OAm και ZnO@OAm@TrEG NPs με σημαντικά χαμηλότερο ποσοστό επικάλυψης. Έπειτα από το φυσικοχημικό χαρακτηρισμό τους επιλέχθηκαν τα ZnO@ODA NPs (μικρό ποσοστό ODA), για περαιτέρω λειτουργικοποίηση με σκοπό τη δημιουργία δευτερογενών νανοδομών. Έτσι μετασυνθετικά πραγματοποιήθηκε i) επιφανειακή τροποποίηση με το πολυμερές πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG-8000) με σκοπό τη δημιουργία των ZnO@ODA@PEG NPs και ii) επιφανειακή τροποποίηση με το PEG-8000 και ταυτόχρονη «φόρτωση» του αδαμανταν-καρβοξυλικού οξέος (ADA) στην πολυμερική επιφάνεια των νανοσωματιδίων που οδήγησε στη δημιουργία του νανοσυστήματος ZnO@ODA@PEG@ADA. Η επιτυχία των παραπάνω συνθέσεων επιβεβαιώθηκε μέσω του φυσικοχημικού χαρακτηρισμού τους με μεθόδους όπως η φασματοσκοπία υπερύθρου (FT-IR), η θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA), η φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατής ακτινοβολίας (UV-Vis), η δυναμική σκέδαση φωτός (DLS), η χρωματομετρική ανάλυση νινυδρίνης και η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (1H-NMR), ενώ μελετήθηκε και το ποσοστό φόρτωσης και απελευθέρωσης του ADA από το νανοσύστημα. Τα ZnO@ODA και ZnO@ODA@PEG@ADA NPs εξετάστηκαν in vitro για την επίδρασή τους στην πρωτεϊνική αμυλοείδωση της ινσουλίνης, η οποία χρησιμοποιήθηκε ως πρωτεΐνη-μοντέλο. Από τη μελέτη του μηχανισμού της πρωτεϊνικής αμυλοείδωσης, συμπεραίνουμε ότι επιτυγχάνεται η σύνθεση ενός «έξυπνου» νανοσυστήματος που συνδυάζει τις αντι-αμυλοειδογενείς ιδιότητες του ανόργανου πυρήνα ZnO και του οργανικού μορίου ADA, το οποίο αποτελεί παράγωγο ήδη ευρέως χρησιμοποιούμενων ενώσεων για την αντιμετώπιση νευροεκφυλιστικών ασθενειών. Για όλα τα παραπάνω πρωτογενή και δευτερογενή ZnO NPs, πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση της βιολογικής συμπεριφοράς τους μέσω διερεύνησης της αλληλεπίδρασής τους με το DNA. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η αλληλεπίδρασή τους με DNA θύμου αδένα (CT-DNA) μέσω φασματοσκοπίας UV-vis, κυκλικού διχρωϊσμού (CD) και φθορισμού και διαπιστώθηκε μια ασθενής ισχύος αλληλεπίδραση, για όλα τα υπό μελέτη ZnO NPs εκτός των ZnO@ODA NPs (μεγάλο ποσοστό ODA). Μέσω των φασματοσκοπικών μεθόδων αποδείχθηκε πως η φύση της αλληλεπίδρασης ήταν ηλεκτροστατική για όλα τα ZnO NPs, ενώ για τα ZnO@OAm και ZnO@ODA@PEG NPs, η αλληλεπίδραση μέσω συναρμογής στην αύλακα φάνηκε να επικρατεί. Το νανοσύστημα ZnO@ODA@PEG@ADA μελετήθηκε ως προς τον τρόπο αλληλεπίδρασής του με το CT-DNA σε όξινο pH και αποδείχθηκε ιδανικός υποψήφιος για την καταπολέμηση των ασθενειών που σχετίζονται με την πρωτεϊνική αμυλοείδωση, καθώς σε φυσιολογικές συνθήκες, εμφανίζει εξαιρετική βιοσυμβατότητα και δεν επηρεάζει το DNA, ενώ στις όξινες συνθήκες που επικρατούν στις πάσχουσες περιοχές έχει την ικανότητα απελευθέρωσης του ADA και προκαλεί αποσταθεροποίηση του DNA, με στόχο την αντιμετώπιση της πρωτεϊνικής συσσωμάτωσης. Τέλος, προκειμένου να διερευνηθεί η εκλεκτικότητα της δράσης τόσο των αρχικών όσο και των μετασυνθετικά τροποποιημένων ZnO NPs, διεξήχθησαν πειράματα όπου μελετήθηκε η ικανότητά τους να προκαλούν ρήξη του pBR322 πλασμιδιακού DNA μέσω ηλεκτροφόρησης. Η διαδικασία αρχικά έλαβε χώρα αρχικά υπό φυσιολογικές συνθήκες, χωρίς όμως να παρατηρηθούν αξιόλογα αποτελέσματα και έπειτα πραγματοποιήθηκε ακτινοβόληση του συστήματος με UV-Α ακτινοβολία. Συνολικά, διαπιστώθηκε ότι η ικανότητα ρήξης του pDNA ενισχύει την πιθανότητα χρήσης των υπό μελέτη ZnO NPs, ως προς τις αντιβακτηριακές ιδιότητές τους, ύστερα από την επίδραση του εξωτερικού ερεθίσματος της ακτινοβολίας.
description: In the present thesis, four iterative syntheses of coated zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) with different characteristics in terms of morphology, size, shape and surface properties were initially carried out. In particular, primary ZnO@ODA NPs with a high and low percentage of organic coating respectively, as well as ZnO@OAm and ZnO@OAm@TrEG NPs with a significantly lower percentage of coating were prepared. After their physicochemical characterization, ZnO@ODA NPs (low ODA percentage) were selected for further functionalization to generate secondary nanostructures. Thus, post-synthesis was carried out i) surface modification with the polymer polyethylene glycol (PEG-8000) in order to generate the ZnO@ODA@PEG NPs and ii) surface modification with PEG-8000 and simultaneous "loading" of adamantanecarboxylic acid (ADA) on the polymeric surface of the nanoparticles leading to the formation of the ZnO@ODA@PEG@ADA nanosystem. The success of all the above compositions was confirmed through their physicochemical characterization by methods such as infrared spectroscopy (FT-IR), thermogravimetric analysis (TGA), ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis), dynamic light scattering (DLS), nynidine colorimetric analysis and nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H-NMR), and the rate of loading and release of ADA from the nanosystem was also studied. ZnO@ODA and ZnO@ODA@PEG@ADA NPs were tested in vitro for their effect on insulin protein amyloidosis, which was used as a model protein. From the study of the mechanism of protein amyloidosis, we conclude that a "smart" nanosystem combining the antiamyloidogenic properties of the inorganic ZnO core and the organic ADA molecule, which is a derivative of already widely used compounds for the treatment of neurodegenerative diseases, is synthesized. For all the above primary and secondary ZnO NPs, an evaluation of their biological behaviour was performed by investigating their interaction with DNA. In particular, their interaction with thymus gland DNA (CT-DNA) was studied by UV-vis, cyclic dichroism (CD) and fluorescence spectroscopy and a weak interaction strength was found for all the ZnO NPs under study except for ZnO@ODA NPs (high ODA). Spectroscopic methods proved that the nature of the interaction was electrostatic for all ZnO NPs, while for ZnO@OAm and ZnO@ODA@PEG NPs, the interaction via groove coupling appeared to be predominant. The ZnO@ODA@PEG@ADA nanosystem was studied for its mode of interaction with CTDNA at acidic pH and proved to be an ideal candidate to combat protein amyloidosis-related diseases, as under natural conditions, it exhibits excellent biocompatibility and does not affect DNA, whereas under acidic conditions prevailing in the affected regions it has the ability to release ADA and induce DNA destabilization to combat protein aggregation. Finally, in order to investigate the selectivity of the action of both the initial and postsynthetically modified ZnO NPs, experiments were conducted where their cleavage ability of pBR322 plasmid DNA was studied by electrophoresis. The process was initially carried out under dark conditions without observing any remarkable results and then irradiation of the system with UV-A radiation was performed. Overall, it was found that the pDNA cleavage ability enhances the possibility of use of the studied ZnO NPs, in terms of antibacterial properties, after the effect of external irradiation stimulus.