Ανάπτυξη και διερεύνηση ιδιοτήτων νανοδομών για βιοεφαρμογές

Abstract

Η ανάγκη για την επιδιόρθωση βλαβών σε ιστούς ή η καταπολέμηση της παθογένειας με μεθόδους πιο αποτελεσματικές και με μικρότερες παρενέργειες από τις κλινικά αποδεκτές σήμερα, που βελτιώνουν τελικά την ποιότητα ζωής των ασθενών, έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη του τομέα της ιστικής μηχανικής. Η ιστική μηχανική στοχεύει στη θεραπεία και αποκατάσταση των ιστών, ώστε να μειωθούν τα μετεγχειρητικά προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι ασθενείς. Για να επιτευχθούν οι στόχοι της ιστικής μηχανικής υπάρχουν δυο, κυρίως, προσεγγίσεις. Η πρώτη αφορά στη χρήση υλικών που δύνανται να ενισχύσουν την ανάπτυξη κυττάρων στην επιφάνειά τους, που θα οδηγήσει τελικά στην ανάπτυξη ιστού, ώστε να αντικατασταθεί ο κατεστραμμένος. Η δεύτερη αφορά στην ανάπτυξη κατάλληλων δομών που δύνανται να μεταφέρουν φαρμακευτικές ουσίες στο σημείο της παθογένειας, ώστε να πραγματοποιηθεί στοχευμένα η θεραπεία. Οι παραπάνω προσεγγίσεις οδηγούν τελικά στην αποκατάσταση της φυσιολογίας των ιστών και στη θεραπεία των ασθενών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε σε δυο τομείς. Ο πρώτος αφορά στην ανάπτυξη και το χαρακτηρισμό νανοσωματιδίων που δύνανται να μεταφέρουν φάρμακα σε ιστούς που παρουσιάζουν παθογένεια, και ο δεύτερος στη μελέτη των νανομηχανικών ιδιοτήτων πολυμερικών υλικών (μαλακή ύλη) που εφαρμόζονται στην ιατρική. Στόχος ήταν η μελέτη νανοδομημένων υλικών και υλικών όγκου που προάγουν τις ανάγκες και τους στόχους της ιστικής μηχανικής, ώστε να αναπτυχθεί ένα πειραματικό πρωτόκολλο μελέτης των νανομηχανικών ιδιοτήτων της μαλακής ύλης, το οποίο θα είναι χρήσιμο για τη μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων των ιστών. Οι ιστοί ανάλογα με την κατάσταση στην οποία βρίσκονται (υγιής φάση, παθογένεια και μετά την αποκατάσταση της φυσιολογίας) παρουσιάζουν διαφοροποιημένες μηχανικές ιδιότητες, εξαιτίας της διαφορετικής οργάνωσης της μικροδομής τους. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρεί να προσεγγίσει ολοκληρωμένα αυτές τις διαφορές, οδηγώντας στην ανάπτυξη μιας καινούριας μεθόδου χαρακτηρισμού και διάγνωσης της παθογένειας σε ασθενείς. Πιο αναλυτικά, στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε σύνθεση και χαρακτηρισμός επιφανειακά ενεργοποιημένων μαγνητικών νανοσωματιδίων, τα οποία συντίθενται μέσω της μεθόδου της πολυόλης, η οποία επιτρέπει τον έλεγχο του μεγέθους των σωματιδίων κάτω από τη μικρο-κλίμακα (< 200 nm). Η μέθοδος της πολυόλης είναι μια θερμική διάσπαση ενός οργανικού άλατος σε ένα θερμό οργανικό διαλύτη. Στο μείγμα προστίθενται επιφανειοδραστικές ενώσεις σε διαφορετικές συγκεντρώσεις, ώστε να συντεθούν οργανόφιλα, υδρόφιλα, και αμφίφιλα νανοσωματίδια. Τα επιφανειακά ενεργοποιημένα μαγνητικά νανοσωματίδια χαρακτηρίζονται ως προς τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες, ώστε να αποτιμηθούν πιθανές βελτιώσεις της πειραματικής διαδικασίας, οδηγώντας σε διαφοροποιήσεις του μέσου μέγεθος του πυρήνα, της μαγνήτισης κορεσμού, της διαλυτότητας και της σταθερότητάς τους σε διαλύματα, καθώς και της χημείας της επιφάνειάς τους. Τα επιφανειακά ενεργοποιημένα μαγνητικά νανοσωματίδια υπόκεινται σε περαιτέρω επιφανειακή ενεργοποίηση με κατάλληλες ενώσεις και κατάλληλους παράγοντες, ώστε να επιτευχθεί στόχευση σε κακοήθεις ιστούς και μεταφορά φαρμάκων στις κακοήθεις περιοχές, ενώ παράλληλα να παρουσιάζουν μια αόρατη προστασία έναντι του ανοσοποιητικού συστήματος. Με την αναφερόμενη αόρατη προστασία, τα νανοσωματίδια είναι ικανά να κινούνται στον οργανισμό παρουσιάζοντας μικρή τοξικότητα (σε μεγάλη συγκέντρωση), έχοντας βιοσυμβατότητα με τα κύτταρα και τους ιστούς. Μελλοντικά, τα παραπάνω νανοσωματίδια μπορούν να ελεγχθούν ως φορείς μεταφοράς φαρμάκων σε παθογόνους οργανισμούς, ώστε να μελετηθεί η βιοκατανομή των νανοδομών με τη θεραπευτική τους δράση και την απόδοσή τους ως παράγοντες υπερθερμίας. Μια τάση που παρατηρείται στη διεθνή βιβλιογραφία είναι η μελέτη των νανομηχανικών ιδιοτήτων (επιφανειακή ακαμψία, σκληρότητα και μέτρο ελαστικότητας) καλοηθών και κακοηθών όγκων, αλλά και των όγκων στους οποίους έχουν χορηγηθεί νανοδομημένοι θεραπευτικοί παράγοντες. Οι κακοήθεις ιστοί παρουσιάζουν διαφοροποίηση στις μηχανικές τους ιδιότητες συγκριτικά με τους φυσιολογικούς, λόγω της διαφορετικής έκφρασης πρωτεϊνών, καταλήγοντας σε διαφοροποίηση των μηχανικών ιδιοτήτων, ακόμα και σε τοπικό επίπεδο. Παρόλα αυτά, με τις κλασικές μεθόδους μέτρησης μηχανικών ιδιοτήτων δεν είναι εφικτός ο εντοπισμός των συγκεκριμένων αλλαγών αλλά ούτε και η τοπική μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων. Επομένως, η χρήση της τεχνικής της νανοδιείσδυσης παρέχει χρήσιμες πληροφορίες στις παρατηρούμενες αλλαγές. Για να επιτευχθεί αυτό, αναπτύχθηκε ένα πειραματικό πρωτόκολλο για τη μέτρηση των νανομηχανικών ιδιοτήτων, διότι η μαλακή ύλη παρουσιάζει ετερογένειες, ιξωδοελαστική και χρονοεξαρτώμενη συμπεριφορά, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται συχνά λανθασμένη ερμηνεία των μετρούμενων μηχανικών ιδιοτήτων. Στη διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν οι νανομηχανικές ιδιότητες διαφόρων μαλακών υλικών (πολυμερή, σύνθετα ανόργανα-οργανικά υλικά και συμπολυμερή), ώστε να προσδιοριστούν οι ιδιαιτερότητες της μαλακής ύλης και να αναπτυχθεί μια μέθοδος για τις δοκιμές των ασυμπίεστων ιστών (μέτρο του Poisson ίσο με 0.5). Το πειραματικό πρωτόκολλο που αναπτύχθηκε είναι ένας οδηγός για τη μελέτη δεδομένων που θα ληφθούν από καλοήθεις, κακοήθεις και μετά τη χορήγηση νανοδομημένων θεραπευτικών παραγόντων (ή παραγόντων υπερθερμίας) ιστούς, μέσω διαφορετικών μαθηματικών μοντέλων, ώστε να εξηγηθεί η διαφοροποίηση των μετρούμενων μηχανικών ιδιοτήτων.

The need to repair damaged tissues or treat malignant ones with more efficient methods and with fewer side effects than the clinical approved that ultimately improves patients’ life quality, has led to the development of tissue engineering field. Tissue engineering aims at healing and repairing tissues, in order to reduce postoperative problems faced by patients. Tissue engineering goals are mainly achieved with two approaches. The first approach concerns the use of suitable materials that enhance cell growth on their surface, and eventually, leads to the development of tissue to replace the damaged one. The second approach involves the development of appropriate structures that can deliver drugs to malignant points, in order to achieve targeted therapy of pathogenesis. These approaches ultimately lead to the restoration of tissue physiology and patients’ treatment. This thesis focused on two areas. The first area involved the synthesis and characterization of nanoparticles, which are able to deliver drugs in malignant tissues. Secondly, the study of the nanomechanical properties of various polymeric materials used in medical applications followed. The aim was to study nanostructured and bulk materials that promoted the needs and goals of tissue engineering, in order to develop an experimental protocol that will study the nanomechanical properties of soft matter; and further promote the investigation of tissues mechanical properties. Tissues, depending on the phase they are, (healthy, malignant and after restoration) present diverse mechanical properties, due to microstructure’s organization. The thesis attempts to comprehensively approach these differences, leading to the development of new characterization and diagnosis methods of patients’ pathogenesis. Specifically, the synthesis and characterization of functionalized magnetic nanoparticles was accomplished. The nanoparticles were synthesized by polyol process, which allows particle size control under micro-scale (<200 nm). The polyol process is an organic salt thermal decomposition process in a hot organic solvent. In the mixture different surfactant compositions were added, in order to synthesize organophilic, hydrophilic and amphiphilic nanoparticles. The surface functionalized magnetic nanoparticles were characterized in respect of their physicochemical properties. Hence, possible improvements of the experimental procedure were evaluated, in order to lead to efficient mean core size, saturation magnetization, solvent solubility and stability, and surface chemistry differentiations. Surface functionalized magnetic nanoparticles were further functionalized with suitable compounds and agents, in order to succeed in targeting malignant tissues and deliver drugs to tumor sites; while they present a “stealth shielding” against immune system. The aforementioned “stealth shielding” (protection) renders nanoparticles able to circulate in the organism, presenting low toxicity and biocompatibility with cells and tissues. As a future work, these nanoparticles can be tested as drug delivery agents in pathogenic organisms, in order to correlate the nanostructures biodistribution with their therapeutic ability and efficiency as hyperthermia agents. In the international literature there is a tendency in studying the nanomechanical properties (surface stiffness, hardness, elastic modulus) of benign and malignant tumors, and tumors that have been allocated with nanostructured therapeutic agents. Malignant tissues present diverse mechanical properties compared to non-malignant, due to differences in protein expression resulting in different mechanical properties, even regionally. However, the investigation of these differences and topographic variations are not feasible to investigate with traditional methods of mechanical properties measurements. Consequently, the use of nanoindentation technique can provide with useful information of the observed changes. An experimental protocol was developed in order to accomplish the investigation of tissues nanomechanical properties; because soft matter presents heterogeneities, viscoelastic and time-dependent behavior, resulting in misrepresentation of the measured nanomechanical properties. During the implementation of the thesis, the nanomechanical properties of various soft material (polymers, organic-inorganic composites and co-polymers) were studied, in order to investigate soft matter’s specificities and develop a standard method for incompressible tissues (Poisson’s ratio = 0.5). The experimental protocol that was developed is a guide that uses mathematical models for the study of obtained data by benign, malignant tissues, and after administration of therapeutic nanostructured agents (hyperthermia agents), in order to explain the variations of the measured mechanical properties.