Farklı Quantum dot'ların Zebra balığı (Danio rerio, Hamilton, 1822) üzerinde toksikolojik etkilerinin belirlenmesi
Investigation of the toxicologic effects of different types of quantum dots on Zebrafish (Danio rerio, Hamilton, 1822)
Yazar: NUR KALUÇ
Danışman: PROF. DR. NAGİHAN GÜLSOY
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Biyoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Biyoloji = Biology

Özet:
Quantum dot'lar (QD'lar) 2-10 nm partikül çapında, küresel, gelişmiş optoelektronik özelliklere sahip yarı iletken nanomateryallerdir. Özgün fizikokimyasal özellikleriyle QD'lar güneş pilleri, lazerler ve televizyon ekranları gibi optik ve elektronik alanlarda kullanım avantajı sağladığı kadar, biyogörüntüleme ve hedeflenmiş ilaç teslimi gibi biyolojik alanlarda da yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu kullanımlarına rağmen, klasik bir QD nanomateryalinin yapısında genellikle kadmiyum bulunmasından dolayı canlılar için toksik olabilmektedirler. Bu nedenle QD kullanımından kaynaklanan toksisiteyi azaltmak için QD molekülüne kabuk veya kaplamalar eklenmiş veya kadmiyum içermeyen QD'lar üretilmiştir. Fakat, hücrenin asidik ortamı nedeniyle, kaplamalar veya kabuklar aşınır ve geriye çıplak bir QD molekülü kalır. Ayrıca QD'ların,  içeriğinde bulunan kadmiyum harici diğer bileşenlerinin hücresel ortama salınmasıyla da toksisiteye neden olma ihtimali vardır. Bu nedenlerle çekirdek, çekirdek/kabuk ve kadmiyum içermeyen olmak üzere bu üç tip QD'un risk değerlendirmesi karşılıklı olarak gerçekleştirilmelidir.
	Bu tez çalışmasında kadmiyum içeren çekirdek tip QD'lar,  çekirdek/kabuk tip QD'lar, kadmiyum içermeyen QD'lar ve CdCl2'ün  toksikolojik risk analizi, bir model organizma olan zebra balığında in vivo ve in vitro koşullarda karşılaştırmalı olarak gerçekleştirildi. İn vitro deneyler balık karaciğerlerinden primer hepatosit kültürü elde edilerek, in vivo deneyler ise balıkların akvaryum suyu vasıtasıyla bu farklı tiplerdeki QD'larla maruziyeti ile gerçekleştirildi. Sonuçlar, kadmiyum içeren QD'ların primer kültürdeki hepatositlerde hücre ölümüne sebep olduğunu gösterirken, kadmiyum içermeyen QD'lara ve CdCl2'e maruz kalan hepatositlerde hücre canlılığının korunduğunu göstermektedir. Fakat her ne kadar hücre canlılığında gözlemlenen değişimler birbirinden farklı olsa da, bu materyallerin reaktif oksijen türlerinde (ROT) artışa sebep olduğu hem in vivo hem de in vitro yöntemlerle belirlendi. Bunlara ilaveten, hem in vivo hem de in vitro koşullarda QD'ların ve CdCl2'ün, DNA iplik kırıklarını indüklediği comet analizi ile belirlendi. Ayrıca, western blot analizi ile biyomarkör proteinler olan Hsp90, Prdx1 ve Rad51 ifadeleri incelendi. QD veya CdCl2'a maruziyet durumunda, bir stres belirteci olan Hsp90'ın artışı, hücrelerde veya dokularda bir stresin oluştuğunu, antioksidan sistem elemanı olan Prdx1 artışı, antioksidan dengenin bozulduğunu ve DNA çift iplik kırıkları tamirinde görev alan Rad51 seviyelerinin azalması ise bu materyallerin DNA hasar tamiri mekanizmasını da etkilediğini göstermektedir. Son olarak, bu nanomateryallerin akuatik çevrenin en değerli canlı gruplarından biri olan balıklarda hayati öneme sahip olan solungaç ve karaciğer dokularında histopatolojik etkilere sebep olduğu, organizmaya ciddi zararlar verdiği belirlendi. 
	Yapılan çalışma ile kadmiyum içeren veya içermeyen tüm QD'ların hem sitotoksik hem de genotoksik etkiler meydana getirerek zebra balığı hepatositlerine, solungaçlarına ve karaciğerine zarar verdiği belirlendi. Unutmamalıdır ki, bu materyallerin kullanımıyla ortaya çıkan istenmeyen etkiler, hedef dışı canlıları da son kullanıcılar kadar etkilemektedir ve çevre sağlığını olumsuz etkilemektedir. Bu nedenle bu materyaller kontrollü olarak kullanılmalıdır ve atık yönetimleri mutlaka kurallara uygun bir şekilde gerçekleştirilmelidir.

Abstract:
Quantum dots (QDs) are spherical semiconductor nanomaterials with 2-10 nm diameter and advanced optoelectronic properties. Owing to their unique physicochemical properties, QDs have advantages in optical and electronic areas such as solar cells, lasers and displays, as well as in biological fields such as bioimaging and targeted drug delivery. Despite these wide usage areas, they can be toxic to living organisims, as cadmium is usually present in the structure of a classic QD nanomaterial. Therefore, in order to reduce the toxicity caused by the usage of QDs, shell or coatings have been coated onto the QD molecule; or cadmium-free QDs have been synthetized. However, because of the acidic environment of the cell, coatings or shells would be degregaded and a naked QD molecule would be remained. Moreover, there is also the possibility of causing toxicity by releasing other components to cellular environment, instead of cadmium. For these reasons, the risk assessment of these three types of QD, including the core, core/shell and cadmium free types, should be performed comparatively.
	In this thesis, toxicological risk analysis of Cd-based core, Cd-based core/shell, Cd-free QDs and CdCl2 was comperatively performed in the zebrafish model at both in vivo and in vitro conditions. In vitro experiments were performed by establishing a primary hepatocyte culture from liver, and in vivo experiments were conducted by directly exposure of fish to these diffrerent types of QDs via aquarium water. Results showed that cadmium-containing QDs lead to cell death in primary cultured zebrafish hepatocytes, while hepatocytes exposed to cadmium-free QDs and CdCl2 remained viable. However, while the effects on the cell viability differs, it was determined by both in vivo and in vitro methods that these materials resulted in an increase of reactive oxygen species (ROS). In addition, we observed that both QDs and CdCl2 induced DNA stand breaks both in vivo and in vitro, determined by comet analysis. Moreover, regulation of biomarker proteins; Hsp90, Prdx1 and Rad51 were determined by western blot analysis. In response to QDs or CdCl2, we oberved an upregulation in Hsp90, a stress biomarker, implies that a stress occured in cells or tissues; upregulation of the antioxidant system protein Prdx1, indicates that the antioxidant balance is impaired; and downregulation of Rad51, which involves in the repair of DNA double strand breaks, showed that these materials also affected the DNA repair mechanism. Lastly, it was determined that these materials resulted in histopathological effects in the gill and liver tissues, which have vital importance for fish, one of the most valuable organisms of the aquatic environment, and induced serious damage.
	In this study, we determined that both cadmium containing and cadmium free QDs damage zebrafish hepatocytes, gills and liver by triggering both cytotoxicity and genotoxicity. It should not be forgotten that the undesirable effects caused by the use of these materials can affect non-targeted organisms as much as the end users, and negatively affect the environmental health. For this reason, these materials should be used in a controlled manner and waste management should be carried out in accordance with the rules.