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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.59.2013.tde-15052013-111044
Document
Author
Full name
Tatiana Marques Pinto
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Ribeirão Preto, 2013
Supervisor
Committee
Nicolucci, Patrícia (President)
Costa Filho, Antônio José da
Krishnan, Sunil
Oliveira, Harley Francisco de
Zucolotto, Valtencir
Title in Portuguese
Nanopartículas de Ouro para Radioterapia com Energia Modulada
Keywords in Portuguese
Câncer de Próstata
Nanopartículas
Radioterapia
Simulação Monte Carlo
Abstract in Portuguese
Nanopartículas de ouro (AuNP) compõem o estado da arte da medicina oncológica atual sendo extensivamente investigadas para aplicações em radioterapia de câncer. O acúmulo seletivo em tecidos tumorais de vascularização desordenada causa retenção aumentada das AuNP no microambiente tumoral e aumenta a permeabilidade de drogas terapêuticas por elas carreadas. A radiossensibilização observada em células em cultura tratadas com AuNP é, contudo, resultado da resposta biológica à ambos os fenômenos bioquímicos de interação com a célula alvo e físicos de interação da AuNP com a radiação ionizante. A presença do ouro metálico no citoplasma celular durante a terapia com radiação ionizante aumenta a secção de choque de absorção fotoelétrica no tecido alvo, o que contribui para o aumento potencial do dano biológico letal. Neste contexto, o objetivo principal deste trabalho é avaliar a radiossensibilização causada por nanopartículas de ouro em radioterapia em termos de parâmetros físicos e radiobiológicos. Simulação Monte Carlo com o código PENELOPE foi utilizada para estudar como a densidade de ionização local é alterada pela criação de elétrons secundários em nanopartículas de 2-100nm após interação com os feixes primários de fótons de interesse clínico de 200kV, Ir-192, Cs-137, 6MV e Co-60. O Estudo da Nanopartícula Isolada demonstrou que a densidade de ionização é fortemente aumentada com a redução da energia do feixe primário (E) de ionização, sendo, entretanto, fracamente dependente do diâmetro das AuNP. O diâmetro da AuNP (d) modula, no entanto, o espectro de elétrons secundários ejetados ao tecido-mole disposto ao redor porque modifica o número de elétrons internamente absorvidos em cada nanopartícula. Quando concentrações de ouro (!!") entre 0,001% e 1%, são consideradas no Estudo da Célula com Nanopartículas, é possível observar que a !!" internalizada no citoplasma aumenta a fração de reforço da densidade de ionização no tecido alvo em até 200% para baixas energias, não ultrapassando 160% para feixes de megavoltagem. A principal conclusão desta etapa é que o reforço na densidade de ionização local é resultado do balanço entre os parâmetros estudados E e !!", e o diâmetro da AuNP, modifica o número de fotoelétrons ejetados ao meio, influenciando portanto o potencial efeito biológico. A partir dos resultados do estudo por Monte Carlo, foram desenhados os estudos radiobiológicos in vitro e in vivo com células PC3 de adnocarcionama de próstata. Nanopartículas rod shaped (AuNR) - conjugadas com Goserelin (gAuNR) princípio ativo do quimioterápico Zoladex® foram sintetizadas com sucesso para aplicações nos sistemas biológicos e nanopartículas conjugadas com polietileno glicol (pAuNR) foram utilizadas como controle biocompatível e não bioespecífico em todos os ensaios. A dinâmica de uptake celular foi estudada in vitro demostrando que a presença do biomarcador na superfície das nanopartículas aumenta a concentração efetiva de ouro internalizada nas células alvo em 5 vezes quando comparada com pAuNR. Radiossensibilização aumentada foi observada em ensaios clonogênicos, apresentando essencialmente efetividade radiobiológica relativa 27% maior para o tecido com gAuNR incorporados, quando irradiado como feixe de 6MV, 58% e 78% maior quando irradiado com os feixes de Cs137 e Ir192 respectivamente. O estudo de biodistribuição in vivo em nude mice demonstrou que as nanopartículas bioconjugadas gAuNR tem acúmulo 3 vezes maior em tumores xenográficos de próstata do que pAuNR, e o seguimento tumoral acompanhado em 55 animais demonstrou expressiva efetividade terapêutica do uso de gAuNR em Radioterapia. Foi observado !!"#$% de 24 e 20 dias para os grupos tratados com gAuNR e pAuNR irradiados com 6MV; Este número cresce para 28 e 18 quando as irradiações são realizadas com a fonte de Braquiterapia HDR de Ir-192. Os resultados consonantes dos estudos por Monte Carlo e ensaios radiobiológicos conduzem à proposição deste trabalho à luz de sua principal conclusão: Nanopartículas de ouro bioconjugadas, gAuNR, apresentam terapêutica efetiva na Radioterapia de câncer de próstata porque modulam o espectro de elétrons no citoplasma celular causando aumento local da densidade de ionização e reforço da probabilidade de dano letal.
Title in English
Gold Nanoparticles for Energy Modulated Radiation Therapy
Keywords in English
Monte Carlo Simulation
Nanoparticles
Prostate Cancer
Radiation Therapy
Abstract in English
Gold nanoparticles (AuNP) comprise the state of the art in medical oncology being extensively investigated for applications in cancer radiation therapy. The selective accumulation in tissues with disordered vascularization increases retention of AuNP in the tumor microenvironment, what leads to enhanced permeability of conjugated drugs carried by the AuNP. The radiosensitization observed in cells treated with AuNP however is result of a combined biological response to both biochemical and physical interactions of the conjugated AuNP with ionizing radiation. The presence of metallic gold in the cell cytoplasm during radiation therapy increases the photoelectric absorption cross-section in the target tissue, thus potentially increasing the lethal biological damage. In this context, the aim of this study is to evaluate the radiosensitization caused by gold nanoparticles in radiation therapy in terms of physical and radiobiological parameters. In order to investigate the density of ionizations in cells containing AuNP, the PENELOPE Monte Carlo code was used to simulate creation of secondary electrons in nanoparticles of 2-100nm after interaction with photon beams of clinical interest: 250kV, Ir-192, Cs-137, 6MV and Co-60. The theoretical analysis was performed in two steps: the Single AuNP Study and the Cell with AuNP Study. The first study predicts that enhancing nanoparticle diameter (d) from 2-10nm keeps the density of ionization enhanced in 22-28% for all kilovoltage beams and from 38-46% for all megavoltage beams, however increasing more than 5 times the yield of electrons ejected from the AUNP to the surrounding soft-tissue when the primary beam has its energy decreased from 6MV to 250kV. In the Cell with AuNP Study, the final concentration of gold in the cytoplasm (!!") was increased from 0.001% to 1%, showing that concentration of gold strongly modifies the density of ionization in the cell, being up to 2 and 1.6 fold for low and high energies respectively. Sequentially, conjugated AuNP were synthesized with Goserelin Acetate (gAuNR) to target PC3 prostate cancer cells, and AuNP coated with polyethylene glycol (pAuNR) were used as non-biospecific control. The radiobiological assays were following designed based on the Monte Carlo results with 6MV, Cs-137 and the Ir-192 HDR Brachytherapy source. The in vitro cellular uptake study demonstrate that the biomarker in the surface of the nanoparticles increases the effective concentration of gold in the cytoplasm by 2.4 fold compared to pAuNR. The clonogenic assays demonstrate that the relative radiobiological effectiveness is enhanced in 27%, 58% and 78% for 6MV, Cs-137 and Ir-192 respectively when cells are treated with gAuNR for 24h prior irradiation. The conjugated nanoparticles were also submitted to ICP-MS based biodistribution study that demonstrate gAuNR accumulate 3 fold in xenografts prostate tumors than pAuNR. Following these results, a tumor re-growth study in nude mice was designed considering irradiations with the 6MV and the Ir-192 HDR Brachytherapy beam energies. Nanoparticles were administrated intravenously and tumors were followed for a maximum of 30 days. Tumor delay (!!"#$%) of 20 and 24 days were observed for groups respectively treated with gAuNR and pAuNR and the 6MV beam; And !!"#$% of 28 and 18 days were observed for groups respectively treated with gAuNR and pAuNR and the Ir-192 HDR Brachytherapy source. Both in vitro and in vivo studies, in consonance with the Monte Carlo predictions, demonstrate that conjugated AuNP, gAuNR, improve therapeutic effectiveness for treating prostate tumors because the gold nanoparticles modulate the effective spectrum of secondary electrons in the cytoplasm, locally enhancing the density of ionizations and thus increasing probability of lethal cellular damage.
 
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Publishing Date
2013-06-17
 
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