Kanser tedavisi için nanopartiküllerin kullanıldığı hipertermi ve fototermal tedavi sistemlerinin geliştirilmesi
Development of  hyperthermia and photothermal therapy systems for cancer therapy using nanoparticles
Yazar: BEHZAD NASSERI
Danışman: PROF. DR. ERHAN BİŞKİN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Kanser insonoğlunun ikinci ölüm nedeni sayılarak bu hastalığın tedavisinde bir çok teknik sergilenir. Sunulan tezde plazmonik fototermal tedavi (PPTT) ve Radyofrekans (RF) hipertermisi araştırılmıştır. PPTT yönteminde oluşan ısı, plazmonik fototermal tedavi (PPTT) hipertermi tekniği kapsamında kanser hücerelerine hasarı değerlendirilmiştir. Farklı altın esaslı altın nanopartiküller (AuNPs), altın nanoçubuk (AuNRs), ultra küçük altın nanopartikül (UFAuNPs), büyük çapta altın nanopartikül (LSAuNPs) ve altın nanomercek (AuNLs) nanoyapılar ile demir oksit bazlı (IONPs) ve altın kaplı IONPs (Au@IONPs) nanoyapılar sentezlenerek, gereken modifikayon aşamaları tamalanmıştır. Nanoyapılar ζ-sizer, UV spektrofotometre cihazları yardımı ile karakterize edildikten sonra Transmisyon Elektron Mikroskop (TEM) ile kristalografi analizleri yapılmıştır. PPTT için kullanılan farklı lazer jeneratörleri (445, 532, 650, 808 nm) yapılıp Radyofrekans hipertermisi aşamaları için, Ground-plane anten modüllü RF jeneratörü (144.015 MHz) kombine edilmiştir.  PPTT yöntemi nanoyapıların agar jelatin gibi farklı fantom modellerinde uygulanıp fototermik sıcaklık termal kamera ile izlenerek değerlendirilmiştir. Elektriksel iletkenlik değerleri ölçülmüş, MATLAB programı destekli COMSOL yazılımı ile sentezlenen nanoyapıların lokal yüzey plazmon rezonans (LSPR) ve plazmonik-plazmonik etkileşimi modellenerek değerlendirilmiştir.  Hücre kültürü (2D) deneylerinde, DLD-1 ve fibroblast hücre hatları kullanılarak, PPTT nin termal hasar etkisi (nanofototermoliz) apoptoz ve nekroz indeksleri şeklinde değerlendirilmiştir. Tavuk göğsü  ve karaciğer tümör örnekleri (3D) cansız fantom modelleri olarak kullandıtan sonra PPTT ve RF hipertermi uygulanıp histopatoloji değerlendirmeler yapılmış. Ayrıca RF ve lazerin dokuda penetrasyonu ve nanoyapılar ile hasar etkisi kantitatif veriler şeklinde raporlanmıştır. Nanoyapılar eşliğinde PPTT ve RF hiperterminin histopatolojik ve histomorfolojik hasar etkileri, örnekler Hematoksilin-Eozin  (H&E) boyanması sonucu izlenerek kalitatif veriler şeklinde değerlendirilmiştir. Termal kamera değerlerine göre AuNLs, ∆T= 29.8 °C sıcaklık gradyanı ile en baştadır. AuNRs ve AuNPs, ∆T=23.1 °C ∆T= 21.0 °C ve distile su ∆T=3.2 °C ile AuNLs leri izler. Hücre kültürü deney sonuçlarına göre DLD-1 hücre hattında, AuNLs: %68.75 ile en yüksek apoptoz oranına ve AuNR ler: %52.66 ve AuNPs %37.54 derğerleri ile AuNLs apoptoz değerini inzlenmektedir. Biyouyumluluk sonuçlarına göre, en yüksek canlılık AuNP yapılarına %96.6 indeksi ile ardından AuNLs ve AuNRs yapıları %93.38 ve %92.72 hücre canlılığı yüzdeleri ile AuNP ler izlemektedir. 
RF: 3D fantom modellerinde yapılan histopatolojik deneyler sonucu, tavuk göğsü modelinin, 120W RF hipertermisinde, 20 dk süre ile, 2 cm kalınlıktaki kesitte, çizgili kas liflerinde ciddi dejeneratif bozukluklar görülmüştür. RF hiperterminin karaciğer tümöründeki de penetrasyon, 2 cm kadar inip, 2 cm kesitte ve aynı şartlarda, fibrotik alanların bulunduğu ancak doku genelinde hyalizasyon çok belirgin olduğu bulunmuştur.
Lazer: 3D modelin 532 nm lazer penetrasyon maksimum 50 µm ve bu gurupta hala ciddi onarılamaz hasarlar görünür. Tavuk modelinde, 808 nm lazer için penetrasyon 3 mm ve fibroz benzeri değişiklikler izlenmiştir. Tümör modelinde, 808 nm lazer lüminasyonu sonunda penetrasyon 4 mm ye kadar dokunun içinde ilerleyerek H&E boyaması sonrası dokudaki hasarlar mikroskob ile görüntülenmiştir. Örneğin parankim ve stroma yapısında hiyalin deformasyon PPTT'nin dominant etkisi sayılır.

Abstract:
Cancer is the second leading cause of death in human being. There are many techniques in cancer therapy. In this dissertation the damaging  effects of  heat generation (laser hyperthermia) via plasmonic photothermal therapy (PPTT) in an environment modified by nanoparticles were studied. Nanoparticles synthesized in PPTT were  gold based such as, gold nanoparticles (AuNPs), gold nanorods (AuNRs), ultra fine gold nanoparticles (UFAuNPs), large size gold nanoparticles (LSAuNPs) and  gold nanolens (AuNLs) morphologies and  iron based nanostructures such as iron oxide nanoparticles (IONPs) and gold coated iron oxide nanoparticles (Au@IONPs) which were applied in RF hypethermia. Nanostructures were characterized by ζ-sizer, UV spectrophotometery techniques. Crystalographic  analysis of the nanoplatforms were examined by Transmission Electron Microscopy (TEM). Laser beam suppliers with  (445, 532, 650, 808 nm) wavelengths were used as energy sources in the next steps of examines. A ground-plane antenna RF system (144.015 MHz) was designed to be used during RF hyperthermia studies on 3D phantom models. Moreover, nanostructures and agar gelatin combinations nanoparticles solution were investigated during PPTT assays to determine heat generation via electrical conductivity assays. Nanoparticles mixed in an ice bloc were studied to observe the influence of heat generation of PPTT phenomena. Laser and nanoparticle transactions were investigated and temperature  gradients' images were captured by IR thermal camera. "MATLAB" supported "COMSOL Multiphysics 4.0a" software was applied to simulate plasmonic-plasmonic interaction of nanostructures and other models of heat increament in PPTT. DLD-1 (Duke's type colorectal adenocarcinoma cells) and fibroblast cells cutivation were applied in order to exhibit thermal damage effects (nanophotothermolysis) of PPTT on live objects in in-vitro (2D) examines of PPTT. Chicken breast and liver tumor specimens were used to follow penetration depth investigations of PPTT, RF hyperthemria on non-living 3D phantoms. Thermal effects of PPTT and RF hyperthermia were evaluated after H&E staining of specimens throughout histopathology and histomorphology stages. Results showed that the highest thermal increamet was attained with AuNLs  nanoparticles ( ∆T= 29.8 °C) followed by AuNRs and AuNPs with ∆T= 23.1 °C and ∆T= 21 °C respectedly. Distilled water with ∆T= 3.2 °C was negligible. The cell viability ratio as biocompatibility index was the highest in AuNPs group with 96.6% followed by AuNLs and AuNRs with 93.38% and 92.72% in boarder concentration of 1.03×1013 particles/mL. Cells evaluation revealed the highest apoptosis of PPTT in AuNLs incubated DLD-1 cells (68.75%) followed by  AuNRs and AuNPs incubated cells (52.66% and 37.54%) indexes respectedly.
RF: Quantitative evaluation of histopathologic specimens of  non-living phantom models exposed by 120 W (20 min) output showed the damaging effcts in  2 cm depth in chicken breast model. These were pathologic degenerative changes in straight muscle fibers. Hyalin degeneration was the predominant histopathologic change in RF exposure regardless of the power and duration of the exposure in fibrotic sites and in most areas of RF induced regions.
Laser: Qualitative histopathology observations of  laser exposures (PPTT) on 3D models  were defined as below; irreversible damages of lazer (532 nm) illuminations appeared in 50 µm tissue depth. 808 nm laser irradiation exhibited severe  irreparable changes in chicken breast tissue up to 3 mm tissue depth with fibrosis like degenerative morphologic damage areas. PPTT laser (808 nm) penetration occured up to 4 mm depth of tumor model and structural disintegrations were acheived according to tissue stained microscopic observations. Hyalin deformation in stroma and paranchymal sturcture of tissue was the predominant histopathologic changes like in RF hyperthermia.