In vitro assessment of antibody conjugated gold nanorods for biomedical applications

Abstract

Gold nanorodların NIR bölgede (650-900 nm) ışığı güçlü bir şekilde içlerine hapsetmeleri ve saçmaları bu eşsiz nanoparçacıkların son zamanlarda biyomedikal uygulamalarda kullanımı açısından önem arz etmektedir. Eşsiz optik özellikleri ve istenilen boyutlarda üretilebilmesi nedeniyle, gold nanorodlar, kanserin spesifik olarak fototermal tedavisinde, araştırmacılara olanak sağlamaktadır. Bir başka deyişle, gold nanorodlar ışığı ısıya dönüştürme potansiyelindedirler ve bu bağlamda spesifik olarak hedeflenerek, günümüzde uygulanan ve kanserli hücreleri tedavi ederken çevredeki sağlıklı hücrelere de zarar veren tedavi yöntemlerine nazaran kanser tedavisinde oldukça avantajlı hale gelmektedir.Bu araştırmanın temel amacı; dünya genelinde oldukça yaygın bir kanser türü olan plazma hücre kanserinin fototermal tedavisi için aktif hedeflenmiş gold nanorodların kullanılmasıdır. Bunun için öncelikle gold nanorodlar, çekirdek aracılıklı metot ile sentezlenmiş ve hücre kültürü çalışmalardan önce yüzeyleri biyouyumlu ve FDA (Food Drug Association) onaylı bir polimer olan bifonksiyonel PEG ile modifiye edilmiştir. Sentezlenmiş ve PEG ile modifiye edilmiş gold nanorodların karakterizasyonu ise SEM, AFM, DLS ve UV spektroskopisi ile yapılmıştır.Plazma kanser hücrelerinin sitoplazmik membranında aşırı üretilen CD138 reseptörlerine karşı afinitesi olan anti-CD138 monoklonal antikoru, aktif hedefleme için gold nanorodlara bağlanmıştır. Seçici hedeflemedeki etkinliğini gözlemek amacıyla iki farklı plazma kanseri hücre hattı (CD138 üreten U266 hücre hattı ve CD138 üretmeyen ARH-77 hücre hattı) kullanılarak gold nanorodların hücre kültüründe inkübasyonu yapılmıştır. Sentezlenmiş olan ve yüzeyi PEG ile modifiye edilen gold nanorodların her iki hücre hattı üzerindeki sitotoksik etkileri MTT analizi ile test edilmiştir. Aynı zamanda çeşitli konsantrasyonlarda sentezlenmiş olan orjinal gold nanorodların her iki hücre hattı üzerindeki apoptotik etkisini görmek için ise Annexin V analizi yapılmıştır. PEG modifiye ve anti-CD138 monoklonal antikoru bağlı gold nanorodların hücresel alımı da ICP-MS cihazı kullanarak analiz edilmiştir. Son olarak, PEG modifiye ve anti-CD138 antikoru bağlı gold nanorodlara maruz bırakılan her iki hücre hattı, seçici fototermal terapi için 633 nm dalga boyunda kırmızı lazer ile radyasyona maruz bırakılmıştır.Bu ön çalışmada bulunan sonuçlar yeni bir yaklaşım olarak, plazma hücre kanserinin in vivo çalışmalarına ve klinik tedavisine ışık tutacaktır.

The strong absorption and scattering light of gold nanorods in near infrared region (650-900 nm) have gained a great deal of interest in biomedicine. The optical properties of gold nanorods with controllable aspect ratios, enable researchers to utilize them for phothermal cancer therapy selectively. In other words, they are capable of converting light to heat and in this manner, selectively targeted gold nanorods open a new window into the cancer treatement by taking advantages over current therapy techniques that are detrimental to healthy cells while treating cancer. For these reasons, the main focuse of this research is the use of actively targeted gold nanorods for photothermally destruction of Multiple Myeloma, one of the most common cancer types worldwide. First, gold nanorods were fabricated via seed mediated method and functionalized with polyethylene glycol (PEG) (MW 1000) which is FDA approved molecule, prior to cellular assays. The characterization of original and PEG coated gold nanorods was performed via AFM, SEM, ultraviolet visible spectroscopy and dynamic light scattering (DLS) measurements. Anti-CD138 (anti-Syndecan-1) monoclonal antibodywhich has affinity to CD138 receptors over expressed on the cytoplasmic membrane of multiple myeloma cells, was used to conjugate to gold nanorods for active targeting. Nanorods were examined in the cell culture with two different multiple myeloma cell lines (CD138 positive U266 cell line and CD138 negative ARH-77 cell line) to observe the impression of gold nanorods in specifically targeted therapy. The cytotoxic effects of original and PEG modified gold nanorods on both cell lines were tested via MTT assay. Further, the apoptotic effects of originally prepared gold nanorods were tested via Annexin V assay. The number of PEG coated and anti-CD138 conjugated gold nanorods internalized by U266 and ARH-77 cell line was measured by ICP-MS. Finally, both cell lines exposed to PEG coated gold nanorods and anti-CD138 conjugated gold nanorods were irradiated with 633 nm red laser for selective photothermal therapy. The results found in this preliminary research will shed light on the cure of Multiple Myeloma in vivo and clinic based therapy as a novel approach.