Nanoparticles for Electron Emission Cancer Tumor Treatment.

Het doel van deze thesis was het bestuderen van de synthese en de karakterisatie van silica- en goudnanodeeltjes met het oog op biomedische toepassingen. Nanodeeltjes worden typisch gedefinieerd als materialen waarvan op zijn minst 1 van zijn dimensies de grootte van 1 tot 100 nm heeft. Zo gedraagt het nanodeeltje zich zowel als molecule en als bulk materiaal. Hierdoor krijgt het nanodeeltje een zeer unieke set van eigenschappen. Door deze unieke set van eigenschappen kunnen deze nanodeeltjes totaal nieuwe onderzoekslijnen en toepassingen openen in tal van sectoren. Om deze nanodeeltjes te gebruiken in biomedische toepassingen is het van cruciaal belang om deze nanodeeltjes volledig te karakteriseren. Kleine veranderingen in samenstelling of vorm leiden immers tot andere eigenschappen. De karakterisatie werd gedaan aan de hand van de volgende technieken: dynamic light scattering, UV-vis spectroscopie, zeta-potentiaal, transmissie-elektronenmicroscopie en small angle X-ray scattering. Deze technieken werden in detail bestudeerd. Small angle X-ray scattering werd iets verder uitgewerkt aangezien dit een niet alledaagse techniek is.
Een geïntegreerd systeem werd ontwikkeld waarbij dynamic light scattering en small angle X-ray scattering simultaan kan worden uitgevoerd. Dit zorgde ervoor dat het resultaat van de silicananodeeltjessynthese gevolgd kon worden in realtime. De nucleatiefase van de nanodeeltjes werd van de groeifase gescheiden. Dit zou tot een vergroting van nanodeeltjes en meer monodispersiteit leiden. Een verandering van de grootte werd gevonden maar de dispersiteit van de nanodeeltjes veranderde niet.
Twee mogelijk biomedische applicaties werden onderzocht.
De eerste toepassing was het gebruik van mesoporeuze silicananodeeltjes in arteriosclerose en de tweede was de toepassing van goudnanodeeltjes in radiotherapie. Arteriosclerose is een van de belangrijkste doodsoorzaken ter wereld. De ziekte start wanneer de aders beschadigd worden door grote hoeveelheden vetten met een ontstekingsreactie als gevolg. In dit onderzoek werd een nieuw systeem voor fotodynamische therapie (PDT) gezocht. Bij PDT wordt er gebruik gemaakt van een foto-actieve molecule. Dit molecule zal vrije zuurstofradicalen vrijgeven wanneer het bestraald wordt met licht. De radicalen kunnen dan de cellen, die de ontstekingen veroorzaken, doden en bijgevolg het ziektebeeld stoppen. Het grote nadeel van deze moleculen is dat ze vrij snel uit het lichaam verdwijnen. Om dit op te lossen, werden er in deze thesis mesoporeuze silicananodeeltjes gebruikt. De foto-actieve moleculen werden in de mesoporeuze silicananodeeltjes geladen. Deze mesoporeuze silicananodeeltjes breken af na verloop van tijd. De invloed van de synthese en experimentele parameters werd onderzocht door middel van een geoptimalizeerde molybdeenblauwchemie. Bij een verhoging van de hoeveelheid triëthanolamine en bij een hogere reactietemperatuur duurt het langer eer de nanodeeltjes gedegradeerd zijn en zal ook de degradatiesnelheid in het begin lager zijn. De degradatie was bovendien het traagst voor niet-gefunctionaliseerde nanodeeltjes gevolgd door gecarboxyleerde en amino-functionaliseerde nanodeeltjes. Twee foto-actieve moleculen werden onderzocht en geladen in de mesoporeuze silicananodeeltjes. De ene via fysisorptie en de andere via chemisorptie. De hoeveelheid moleculen werd gevonden via refractieve index matching. De efficiëntie van chemisorptie was 1000 keer hoger dan deze van fysisorptie. Er werd ook gekeken naar de effectieve celdood veroorzaakt door deze nanodeeltjes. De foto-active molecule die via fysisiprtie geladen werd veroorzaakte geen celdood terwijl de andere een IC50 waarde van 200 mg/ml bekomen werd.
De tweede toepassing was de bestralingstherapie van kankercellen. In goudnanodeeltjes ondersteunde radiotherapie maakt men gebruik van goudnanodeeltjes om de gegeven dosis lokaal te verhogen. De dosisverhoging, veroorzaakt door deze goudnanodeeltjes in bestraald DNA, werd experimenteel vastgesteld in functie van de afstand tussen de goudnanodeeltje en het DNA. De afstand tussen het DNA en het nanodeeltje werd gecontroleerd aan de hand van de lengte van PEG-SH-moleculen. Deze moleculen vormen een schil rond het goudnanodeeltje en houden zo het DNA op een zeker afstand. Eerst werden neutrale PEG-moleculen onderzocht (m-PEG-SH). Deze veroorzaakte een sterke vermindering van de schadeverhoging in functie van het molair gewicht van de PEG-moleculen. De schadeverhoging verminderde met 18% bij een dosis van 5 Gy en 5% bij een dosis van 15 Gy over een afstand van 12 nm. Ondanks dat er gewerkt werd met neutrale PEG-moleculen, was de lading op het nanodeeltje niet neutraal maar negatief. Om een betere controle te hebben over de afstand tussen het goudnanodeeltje en het DNA, werd er besloten om met positief geladen PEG-moleculen te werken (NH2-PEG-SH) om zo een aantrekking te hebben tussen de nanodeeltjes en het DNA.  Een zeer lage schadeverhoging werd opgemerkt. De vermindering in schadeverhoging in functie van de grootte van de positieve PEG-moleculen was 50% groter voor 5 Gy en 300% voor 15 Gy vergeleken met de vermindering van neutrale PEG-moleculen. Het is duidelijk dat er rekening mee dient gehouden te worden dat de schade sterk afhankelijk is van de afstand tussen het goud en het DNA.