Otrzymywanie, charakterystyka fizykochemiczna i ocena aktywności przeciwnowotworowej nanocząstek selenu i telluru modyfikowanych sulforafanem

Celem pracy doktorskiej było otrzymanie nowych nanostruktur o selektywnych właściwościach przeciwnowotworowych, a zarazem niskiej toksyczności układowej. Dwa rodzaje struktur zostały otrzymane: nanocząstki selenu modyfikowane sulforafanem oraz nanocząstki telluru. Sulforafan to związek pochodzenia naturalnego o działaniu przeciwnowotworowym. Natomiast nanocząstki selenu i telluru były przedmiotem badań z punktu widzenia ich działania przeciwnowotworowego, aczkolwiek selen jest pierwiastkiem znacznie lepiej poznanym niż tellur pod tym względem. W niniejszej pracy otrzymane struktury zostały scharakteryzowane za pomocą szeregu metod fizykochemicznych. Otrzymano nanocząstki telluru przypominające morfologicznie kwiaty o średnicy równej ponad 100 nm oraz nanocząstki selenu modyfikowane sulforafanem charakteryzujące się sferycznym kształtem i rozmiarem równym około 80 nm. Modyfikacja powierzchni nanocząstek selenu za pomocą sulforafanu spowodowała stabilizację ich powierzchni, a zarazem ograniczenie agregacji nanocząstek. W przypadku nanocząstek telluru cząsteczki sulforafanu ulegały degradacji termicznej, a produkty dekompozycji sulforafanu pełniły rolę reduktora oraz czynnika nadającego kształt nanocząstkom. Kolejną częścią pracy były badania biologiczne otrzymanych struktur. Przeprowadzono badania toksyczności in vivo oraz akumulacji ex vivo otrzymanych nanocząstek na szczurach rasy Wistar. Nanocząstki selenu modyfikowane sulforafanem w dawce odpowiadającej dawce letalnej dla seleninu sodu nie powodowały toksycznych efektów po czasie dwudziestu czterech godzin od podania nanocząstek. Badane nanocząstki były wydalane z organizmu zarówno z moczem jak i z kałem oraz akumulowane głównie w wątrobie. Natomiast nanocząstki telluru w takiej samej dawce powodowały zaburzenia funkcji wątroby oraz były akumulowane praktycznie wyłącznie w trzustce. Dalsze badania były ukierunkowane na zbadanie cytotoksyczności in vitro nanocząstek selenu modyfikowanych sulforafanem oraz nanocząstek telluru wobec komórek nowotworowych i prawidłowych piersi oraz jelita. Nanocząstki selenu modyfikowane sulforafanem charakteryzują się wysoką selektywnością (około dwudziestokrotną) wobec komórek nowotworowych. Oddziaływanie synergistyczne między nanocząstkami selenu i sulforafanem (obecnymi w strukturze nanocząstek selenu modyfikowanych sulforafanem) zostało zaobserwowane wobec komórek nowotworowych, jednocześnie będąc oddziaływaniem antagonistycznym wobec komórek prawidłowych. Najprawdopodobniej modyfikacja powierzchni nanocząstek selenu poprzez sulforafan intensyfikuje proces wchłaniania nanocząstek przez komórki. Ponadto, otrzymane nanocząstki powodują silniejszą indukcję reaktywnych form tlenu w komórkach nowotworowych niż prawidłowych. Depolaryzacja mitochondriów powodowana przez reaktywne formy tlenu jest częściowo odwracalna w komórkach prawidłowych, co jest najprawdopodobniej spowodowane ich efektywniejszymi systemami naprawczymi. Depolaryzacja mitochondriów prowadzi do indukcji procesu apoptozy w komórkach nowotworowych, natomiast w komórkach prawidłowych proces apotozy zachodzi w znacznie mniejszym stopniu, przy czym komórki ulegają zatrzymaniu cyklu podczas którego najprawdopodobniej dochodzi do usunięcia powstałych uszkodzeń. Nanocząstki selenu modyfikowane sulforafanem wykazują bardzo duży potencjał do zastosowania w terapii przeciwnowotworowej. Z perspektywy dalszych badań ważnym obszarem działań jest przeprowadzenie kolejnych badań przedklinicznych oraz klinicznych. W przypadku nanocząstek telluru wykazana selektywność działania przeciwnowotworowego jest znacznie niższa. Dodatkowo około dziesięciokrotnie wyższe stężenia telluru niż selenu były konieczne w celu uzyskania takiego samego efektu terapeutycznego. Pomimo uzyskanych wyników, nie można wykluczyć, iż nanocząstki telluru mogłyby być wykorzystane w terapii fototermicznej nowotworów.

The aim of the study was to synthesize nanostructures possessing selective anticancer properties and low systemic toxicity. Two types of structures were synthesized: selenium modified by sulforaphane and tellurium nanoparticles. Sulforaphane is a naturally occurring antitumor agent. Both selenium and tellurium also reveal anticancer properties, however, selenium is much more investigated from this perspective. The obtained structures were examined using several physicochemical techniques. The synthesized tellurium nanoparticles morphologically resemble nanoflowers composed from several crystallites while the sulforaphane-modified selenium nanoparticles are spherical, with the average diameter of 80 nm. The sulforaphane molecules present on the surface of selenium nanoparticles act as stabilizing agents preventing aggregation of the nanoparticles. On the other hand, during the preparation of tellurium nanoparticles the sulforaphane molecules become thermally degraded and the decomposition products are responsible for the formation and shape-directing of the nanoparticles. The next chapter of the dissertation reports in vivo toxicity studies and ex vivo biodistribution investigations on rats. It was observed that the sulforaphane-modified selenium nanoparticles do not reveal toxicity 24 hours after intraperitoneal injection in dose corresponding to the lethal dose of sodium selenite. The investigated nanoparticles were excreted with urine and feces and mainly accumulated in liver. On the other hand, the tellurium nanoparticles at the same dose accumulated practically exclusively in pancreas and resulted in disruption of the liver function. Furthermore, in vitro experiments were performed to investigate the cytotoxicity of the synthesized sulforaphane-modified selenium and tellurium nanoparticles. The investigations were performed on human cancer and normal cell lines (breast, colon). It was found that the examined sulforaphane-modified selenium nanoparticles exhibit high selectivity toward cancer cells (around 20 times higher than toward normal cells). The synergistic effect of selenium and sulforaphane (assembled in one structure) toward cancer cells and at the same time the antagonistic effect toward normal cells were observed. It is proposed that the modification of the surface of selenium nanoparticles with sulforaphane likely selectively increases the nanoparticle internalization process by the cells. Moreover, the sulforaphane-modified selenium nanoparticles induce more reactive oxygen species in cancer cells than in normal cells. The depolarization of mitochondria leads to apoptosis in cancer cells while it is significantly less pronounced in normal cell. The induced depolarization of mitochondria seems to be reversible in normal cells probably due to stronger remedial mechanisms. In consequence the normal cells undergo cell cycle arrest during which the cell damages are repaired. The obtained sulforaphane-modified selenium nanoparticles are very promising agents from the point of view of cancer treatment. Further studies are required, however, to evaluate their potential in pre-clinical and clinical trials. On the other hand, the tellurium nanoparticles do not reveal high selectivity toward cancer cells. Moreover, approximately ten times higher concentration of tellurium than selenium is required in order to obtain the same therapeutic effect. Nevertheless, the therapeutic potential of tellurium nanoparticles cannot be excluded, because of their potential photochemical properties providing opportunities in photothermal therapy.