Please use this identifier to cite or link to this item: https://openscience.ub.uni-mainz.de/handle/20.500.12030/4926
Authors: Nazarova, Nadzeya
Title: Minimally-invasive Theranostics based on Triplet-Triplet Annihilation
Online publishing date: 9-Jul-2020
Language : english
Abstract: Simultaneous and real-time sensing of specific cellular parameters can be achieved by the use of multifunctional nanocarriers. Multifunctional nanocarriers combine multiple properties in single particles, and enable minimally invasive and all-optical monitoring of specific physiological parameters at a cellular level with unprecedented efficiency and sensitivity. This study is devoted to the synthesis of entirely organic upconversion nanoparticles (UCNPs) and to the investigation of their unique optical properties and cytotoxic effects. These UCNPs provide an excellent platform to construct multifunctional nanocarriers for various biomedical applications, because of their anti-Stokes luminescence properties and strong dependence of the efficiency of triplet-triplet annihilation assisted upconversion (TTA-UC) on the local temperature and oxygen content. This thesis includes an up-to-date literature review on the application of UCNPs as a therapy and diagnostics (theranostic) platform. The thesis also describes: i) the fundamental theoretical aspects of the TTA-UC; ii) the advantages of the use of this TTA-UC process for biosensing purposes; iii) the requirements to the structural and energetic characteristics of the couples of sensitizer/emitter; iv) and a theoretical prediction for the maximal quantum yields of delayed emitter fluorescence (dEF) and residual sensitizer phosphorescence (rSPh). The selected matrix composition for UCNPs formation is entirely biocompatible, mostly consisting of natural waxes and vegetable oils. Spectroscopic techniques were used to assess the effectiveness of the TTA-UC process in organogel matrix and UCNPs. The matrix material ensures the significant increase of the rotational diffusion of the optically active molecules for a temperature interval centered at 36 °C. The optimal UCNP-composition (Y-894 / DBOV-Mes in rice bran oil 30 wt.% / squalene 30 wt.% / carnauba wax 40 wt.% / Tween-20) demonstrates the monotonic increase of the dEF-signal and decrease of the rSPh-signal at monotonically increasing the sample temperature, that leads to exclusively sustainable T-calibration curve. The obtained UCNP-composition demonstrates highly stable dispersions with pronounced oxygen scavenging ability. 2 We have determined the cytotoxicity of the UCNPs and their optimal concentration for efficient intracellular T-sensing through the cooperation with the biologists from our group. The upper limit of the solid content of the sensing UСNPs (1250 μg mL-1) demonstrates high T-sensitivity – up to 250 mK, optically achieved in the ambient environment, around the life-science relevant temperature of T = 36 °C. The UCNPs are well tolerated by bio-objects and highly suited for biomedical applications as suggested by the fluorescence microscopy of cellular uptake process and cytotoxicity test. Additionally, we studied external-stimuli responsive protection of excited triplet states against deactivation by singlet oxygen. The sacrificial singlet oxygen scavenging capability of N-butyl-2-pyridone provides long-term protection of the triplet-triplet annihilation photon energy upconversion process against photooxidation.
Die Entwicklung multifunktionaler Nanoträger, die in der Lage sind, bestimmte Zellparameter gleichzeitig in Echtzeit zu erfassen, ist für viele Forscher weiterhin eine vorrangige Aufgabe. Eine Einzigartigkeit solcher Nanoträger beruht auf einer Kombination mehrerer nützlicher Eigenschaften in einem Partikel. Dies ermöglicht ein minimal invasives und rein optisches Monitoring spezifischer physiologischer Parameter auf zellulärer Ebene mit bisher unerreichter Effizienz und Empfindlichkeit. Diese Studie befasst sich mit der Synthese von Aufkonversions-Nanopartikeln (UCNPs), die vollständig aus organischen Materialien bestehen, und der Untersuchung ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften und zytotoxischen Effekte. Ihre Eigenschaften der Anti-Stokes-Lumineszenz, eine starke Abhängigkeit der Effizienz des durch Triplett-Triplett-Annihilation unterstützten Aufkonversions-Prozesses (TTA-UC) von der lokalen Temperatur und des Sauerstoffgehalts bieten eine hervorragende Plattform für den Aufbau solcher multifunktioneller Nanoträger für verschiedene biomedizinische Anwendungen. Diese Arbeit enthält eine aktuelle Literaturübersicht über die Anwendung von UCNPs als theranostische Plattform. Die Arbeit beschreibt auch i) die grundlegenden theoretischen Aspekte von TTA-UC; ii) die Vorteile der Verwendung dieses TTA-UC-Verfahrens für Biosensingzwecke; iii) die Anforderungen an die strukturellen und energetischen Eigenschaften der Sensibilisator / Emitter-Paare; iv) und eine theoretische Vorhersage für die maximalen Quantenausbeuten der Fluoreszenz-verzögerten Emitter (dEF) und der restlichen Sensibilisatorphosphoreszenz (rSPh). Die für die Bildung von UCNPs ausgewählte Matrixzusammensetzung ist vollständig biokompatibel und besteht hauptsächlich aus natürlichen Wachsen und Pflanzenölen. Spektroskopische Techniken wurden verwendet, um die Wirksamkeit des TTA-UC-Prozesses in Organogelmatrix und UCNPs zu bewerten. Das Matrixmaterial sorgt für eine signifikante Erhöhung der Rotationsdiffusion der optisch aktiven Moleküle für ein Temperaturintervall von 36 °C. Die optimale UCNP-Zusammensetzung (Y-894 / DBOV-Mes in Reiskleieöl 30 Gew.% / Squalen 30 Gew.% / Carnaubawachs 40 Gew.% / Tween-20) zeigt die monotone Zunahme des dEF-Signals und Abnahme des rSPh-Signals bei monotoner Erhöhung der Probentemperatur, so dass eine ausschließlich nachhaltige T-Kalibrierungskurve erhalten wird. Die erhaltene UCNP-Zusammensetzung zeigt hochstabile Dispersionen mit ausgeprägtem Sauerstoffaufnahmevermögen. Aufgrund der Zusammenarbeit mit Biologen aus unserer Gruppe wurde die Zytotoxizität der UCNPs und die optimale Konzentration der UCNPs für ein effizientes intrazelluläres T-Sensing bestimmt. Die Obergrenze des Feststoffgehalts der abfühlenden UPNPs (1250 µg mL-1) zeigt eine hohe T-Empfindlichkeit - bis zu 250 mK, die in der Umgebung optisch erreicht wird, um die Life-Science-relevante Temperatur von T = 36 °C. Die Fluoreszenzmikroskopie des Zellaufnahmevorgangs und des Zytotoxizitätstests legen nahe, dass die UCNPs von Bioobjekten gut vertragen werden und sich hervorragend für biomedizinische Anwendungen eignen. Zusätzlich wurde der Schutz angeregter Triplettzustände durch externe Stimuli gegen Deaktivierung durch Singulettsauerstoff untersucht. Das Opfer-Singulett-Sauerstofffangvermögen von N-butyl-2-pyridon bietet einen Langzeitschutz eines Aufwärtsumwandlungsprozesses von Triplett-Triplett-Annihilationsphotonenenergie gegen Photooxidation.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 129 Seiten
Appears in Collections:Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
nazarova,_nadzeya-minimally-inva-20200708000541611.pdf4.43 MBAdobe PDFView/Open