Polymer-modified nanocarriers for multimodal imaging in life sciences

Abstract

Moderní biomedicínská diagnostika se stále více spoléhá na multimodální zobrazovací sondy, byť vývoj samotného nanonosiče, který by byl stabilní, biokompatibilní a účinný v několika modalitách, zůstává nadále výzvou. Cílem této doktorské práce je navrhnout polymerem modifikované nanonosiče, které umožňují dva či více způsobů zobrazení pro potenciální použití v biomedicínské diagnostice a terapii. Jako anorganická jádra byly syntetizovány superparamagnetické oxidy železa (Fe3O4) a lanthanidy dopované světlo konvertující nanočástice (např. NaYF4:Yb,Er nebo Gd(Tb)F3:Tb(Gd),Yb,Nd) pro optické, MRI a CT zobrazování. Do kopolymerů na bázi poly(N,N-dimethylakrylamidu) (PDMA) syntetizovaných adičně reverzibilním přenosem řetězce a fragmentací (RAFT) byly zavedeny kotevní bifosfonátové skupiny pro navázání na hydrofobní nanočástice; tím byl zajištěn převod částic do vody, koloidní stabilita a biokompatibilita. Kopolymery byly dále funkcionalizovány doxorubicinem (Dox) pomocí pH-citlivé hydrazonové vazby, nebo fluorescenčním barvivem pro terapeutické nebo zobrazovací funkce. Komplexní charakterizace částic, včetně dynamického rozptylu světla (DLS), transmisní elektronové mikroskopie (TEM), infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR), ultrafialové-viditelné spektroskopie, termogravimetrické...

Modern biomedical diagnostics increasingly relies on multimodal imaging probes, but developing a single nanocarrier that is stable, biocompatible, and effective across multiple modalities remains challenging. This PhD. thesis aims to design polymer-modified nanocarriers that offer two or more imaging modalities for potential use in biomedical diagnostics and therapy. For the inorganic core, superparamagnetic iron oxide (Fe3O4) and lanthanide-doped upconverting nanoparticles (e.g., NaYF4:Yb,Er or Gd(Tb)F3:Tb(Gd),Yb,Nd) were synthesized as platforms for optical, computed tomography (CT), and magnetic resonance imaging (MRI). Poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA)-based copolymers were synthesized by reversible addition-fragmentation chain-transfer (RAFT) polymerization with bisphosphonate anchoring groups to bind to the hydrophobic particle surface; this ensured transfer of particles to water, their colloidal stability, and biocompatibility. The copolymers were further functionalized with either doxorubicin (Dox) via a pH-sensitive hydrazone linker, or a fluorescent dye for additional imaging. Comprehensive particle characterization, such as dynamic light scattering (DLS), transmission electron microscopy (TEM), Fourier-transform infrared (FTIR) and ultraviolet-visible spectroscopy, thermogravimetric...