Kanser tedavisinde grafen tabanlı ilaç taşıyıcı sisteminin geliştirilmesi

Abstract

Kanser, vücudun herhangi bir organı veya dokusunda meydana gelen hücrelerin kontrolsüz büyümesi, invaze edebilme yeteneği ve metastaz yapabilme özellikleri kazanması ile karakterize hastalıklar kompleksidir. Dünya sağlık örgütünün 2014 yılında yayınlamış olduğu raporda dünyada 2012 yılında 14.1 milyon kişinin kanser tanısı aldığı ve 8.2 milyon kişinin de kansere bağlı nedenlerden öldüğü belirtilmiştir. Bunlara ilaveten dünya genelinde kanserin 2010 yılındaki ekonomik maliyetinin 1.16 trilyon dolar olduğu vurgulanmıştır. Günümüzde, kanser tedavisinde uygulanan temel tedavi yöntemleri cerrahi, kemoterapi ve radyoterapidir. Bunların yanısıra, özellikle son yıllarda popularize olan ve bu alanda ümit verici sonuçlar sunan ve literatürde termalterapi olarak adlandırılan ışıl-ısı, fotodinamik ve immünoterapi metodları da kullanılmaktadır. Kemoterapi çok çeşitli kanserlerin tedavisinde kullanılan başlıca yöntemlerden biri olmasına karşın kanserli hücreleri öldürecek konsantrasyonlarda tümörlü dokuya ulaşamaması ve çevre canlı hücrelere ciddi şekilde zarar vermesi bilinen en büyük dezavantajlarındandır. Arzu edilen sağlıklı hücrelere zarar vermeden düşük konsantrasyonlardaki kemoterapötik ajanı kanserli dokuya yüksek oranda taşıyabilen ve diğer termal, fotodinamik tedavi yöntemleri ile birlikte kullanılabilen sistemlerin geliştirilmesidir. Özellikle nanoteknoloji alanındaki gelişmelere paralel olarak son yıllarda yapılan çalışmalar ile kanser tanı ve tedavisinde etkin yöntemlerin geliştirilmesi hız kazanmıştır. Bu kapsamda tez çalışması, tümörlü bölgeye kemoterapötik ajanı ve ısıyı taşıyabilen polietilen glikol ile fonksiyonlaştırılmış grafen tabanlı nanoilaç sisteminin geliştirilmesini diğer bir ifade ile tümörün yok edilmesinde kemo- ve termalterapi yöntemlerini kombine ederek kullanan metodunun oluşturulmasını amaçlamaktadır. Grafen tabanlı grafen oksit, indirgenmiş grafen oksit ve karbon nanotüp nanoşerit nanomalzemeler yakın kızıl ötesi ışınım dalga boyu (NIR) aralığında (808 nm) yüksek absorpsiyon değerine sahiptirler. Diğer bir ifade ile grafen tabanlı nanomalzemelere uygulanacak çok düşük güç yoğunluklarındaki uyarılmada bile soğurdukları ışığı ısıya çevirme kapasiteleri yüksek olduğundan kanser tedavisinde kullanılabilme potansiyelleri çok yüksektir. Tez çalışması kapsamında, grafen oksit (GO), indirgenmiş grafen oksit (rGO), karbon nanotüp nanoşerit (U-MWCNT) ve asit ile muamele edilmiş çok duvarlı karbon nanotüp (A-MWCNT) iyileştirilmiş Hummers metodu kullanılarak sentezlenmiş ve karakterize edilmiştir. Tüm nanopartiküller arasında, indirgenmiş GO (rGO-COOH) 15 mV zeta potansiyel değeri ile en düşük, karbon nanotüp nanoşerit (U-MWCNTs-COOH/DI su) ise 40 mV mutlak zeta potansiyel değeri ile en yüksek zeta potansiyel değerini vermiştir. Bunun yanı sıra, GO, U-MWCNT ve A-MWCNT ile PEG-NH2 ve sitotoksik bir ajan olan sisplatin (CDDP) ve epidermal büyüme faktör reseptörüne (EBFR) yönelik monoklonal antikor olan setuksimab (C225) bağlanarak farklı kemoterapötik ajanların karbon tabanlı nanoparçacık yüzeylerine bağlanabileceği gösterilmiştir. Sabit adsorbant konsantrasyonunda sisplatinin karbon tabanlı nanoparçacık (GO veya A-MWCNTs) yüzeylerine adsorplanma kapasitesi 3-9 pH aralığında incelenmiş ve GO nanoparçacıkların yüksek adsorpsiyon kapasitesine sahip olduğu ve pH=3 değerinde 1 g GO nanoparçacıkların yaklaşık 836 mg sisplatin adsorplayabildiğini açıkça ortaya koymuştur. Benzer sonuçlar A-MWCNTs nanoparçacıklar ile de elde edilmiştir. Bunun yansıra, karbon tabanlı nano-ilaç taşıyıcı kompleksleri PEG ile fonksiyonlaştırılmamış formu serum ve hücre sıvısı içerisinde kararlılıklarını kaybederken PEG ile fonksiyonlaştırılmış formlarının bu sıvılar için kararlılıklarını kordukları gözlenmiştir. Proje kapsamında, pulsed NIR lazer (808 nm dalga boyu) ile farklı sürelerle uyarılan karbon tabanlı nano-ilaç taşıyıcı komplekslerin su taban akışkanına göre daha yüksek sıcaklık artışı verdiği tespit edilmiştir. Bu çerçevede, en yüksek ısı artışının U-MWCNT ve A-MWCNT ile oluştuğu anlaşılmıştır.

Cancer is a combination of various diseases that includes uncontrolled abnormal cells which can grow in any part of the body and have an ability to metastasize other organs. According to 2014 report of World Health Organization , there were 14.1 million new cases of cancer and 8.2 million of them lead to deaths from the cancers worldwide in 2012. In addition to this, the total economic burden of cancer was about $1.16 million in 2010. The current major techniques for the treatment of cancer are surgery, chemotherapy and radiotherapy. Besides, recent studies demonstrated that hyperthermia called as thermotherapy, photodynamic and immunotherapy are become popular and can be used for the treatment of wide variety of cancers. Chemotherapy is used as a major therapeutic approach for the treatment of various cancers, even though it has several drawbacks such as undesired side effects to normal cells and insufficient dosages to kill cancer cells at the tumor microenvironment. It is desired to develop a new technique that may deliver sufficient amount of chemotherapeutic agents to the specific locations and able to combined with other treatments like thermotherapy, photodynamic. In recent studies, the advances in nanotechnology demonstrate promising results to develop an effective method to detect and cure the cancers. In this respect, the purpose of this thesis is to develop a graphene based nanomedicine that delivers both chemotherapeutic agents and heat to the tumor microenvironment to kill cancer cells with the combination of chemotherapy and thermotherapy. Graphene based nanomaterials such as graphene oxide, reduced graphene oxide and ribon have high optical absorption at the near infrared NIR (808 nm). In other words, these materials possess high light to heat conversion properties even irradiated at very low power density. Hence, they can be effectively utilized to cure the cancers. In this thesis, graphene oxide (GO), reduced graphene oxide (rGO), ribbon (U-MWCNT) and acid-treated multiwall carbon nanotubes (A-MWCNT) were synthesized and characterized using the improved Hummers method. Among all nanoparticles, reduced GO (rGO-COOH) gave the lowest zeta potential value with an absolute zeta potential value of 15 mV, while ribbon (U-MWCNTs-COOH / DI water) gave the highest zeta potential value with a zeta potential value of 40 mV. In addition, GO, U-MWCNT and A-MWCNT with PEG-NH2 bind to cisplatin (CDDP), a cytotoxic agent and cetuximab (C225), an epidermal growth factor receptor (EGFR) monoclonal antibody; thereby, demonstrated that these carbon-based nanoparticle surfaces were able to bind different chemotherapeutic agents. The adsorption capacity of cisplatin to the carbon-based nanoparticle (GO or A-MWCNTs) surfaces at a fixed adsorbent concentration was investigated at pH range 3-9 and clearly demonstrated that the GO nanoparticles had a high adsorption capacity and that 1 g of GO nanoparticles at pH = 3 adsorbed approximately 836 mg of cisplatin. Similar results have been obtained with A-MWCNTs nanoparticles. Moreover, it was observed that the carbon-based nano-drug carrier complexes that have not been functionalized with PEG lose their stability in serum and cell lysates, however PEG-functionalized carbon-based nano-drug carrier complexes retained their stability for these fluids. In this project, it was determined that carbon-based nano-drug carrier complexes had a higher increase in temperature than the water base fluid when triggered bt pulsed with NIR laser (808 nm wavelength). In addition, it is demonstrated that the highest temperature increase occured with U-MWCNT and A-MWCNT.