Synthesis and characterization of near infrared-active nanoparticles for bioimaging

• Autores: Jingke Yao
• Directores de la Tesis: Riccardo Marin (dir. tes.), Dirk Ortgies (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2022
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 193
• Títulos paralelos:
  • Síntesis y caracterización de nanopartículas activa en el infrarrojo cercano para bioimagen
• Tribunal Calificador de la Tesis: Fiorenzo Vetrone (presid.), Pablo Molina de Pablo (secret.), Laura Martínez Maestro (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Materiales Avanzados y Nanotecnología por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Física
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • La fluorescencia es la emisio n de luz por un compuesto o material excitado que ha absorbido radiacio n electromagne tica. Ha encontrado enormes aplicaciones en las ciencias de la vida, especialmente a trave s de la microscopí a de fluorescencia y la microscopí a confocal. Sin embargo, en el rango de luz visible (380-700 nm) la interaccio n entre la luz y los tejidos biolo gicos es fuerte, como la absorcio n y la dispersio n de la luz en el tejido muestran, lo que hace que la sen al o ptica se atenu e ra pidamente en los tejidos biolo gicos. La fuerte interaccio n entre el tejido y la luz resulta en una profundidad de penetracio n mí nima. Adema s, la autofluorescencia de los tejidos biolo gicos interfiere con la calidad de las sen ales recogidas, que surgen de su superposicio n sobre las sen ales de intere s. Afortunadamente, en los tejidos existen "ventanas biolo gicas” o de “transparencia del infrarrojo cercano” (NIR-I: 680-950 nm, NIR-IIa: 1000-1350 nm, NIR-IIb: 1500-1700 nm). La absorcio n y la dispersio n de la luz en las ventanas biolo gicas por parte de los tejidos son reducidas en comparacio n con la que sufre la luz visible, lo que permite que la luz alcance profundidades mayores. Adema s, la autofluorescencia disminuye significativamente al aumentar la longitud de onda. Para mejorar la calidad de las te cnicas de imagen, se han desarrollado varios agentes de contraste capaces de emitir luz en el NIR. Las nanopartí culas de tierras raras y las nanopartí culas semiconductoras han llamado la atencio n por sus respectivas propiedades o pticas. Los materiales de tierras raras no so lo pueden absorber fotones de longitud de onda corta y luego emitir fotones de longitud de onda larga, sino que tambie n convierten fotones de baja energí a en fotones de alta energí a (de longitud de onda corta), lo que permite desplazar la luz de excitacio n a una longitud de onda ma s larga, logrando una penetracio n ma s profunda en el tejido y una baja interferencia de fluorescencia de fondo. Adema s, debido a las reglas de seleccio n de las transiciones de los electrones, las nanopartí culas de tierras raras tienen una larga vida de fluorescencia. En cuanto a los semiconductores, debido a su longitud de onda de emisio n ajustable, presentan una amplia gama de aplicaciones, como ce lulas solares, diodos emisores de luz, fotodetectores, biomarcadores y dispositivos o pticos no lineales. Sin embargo, entre los diversos nanomateriales semiconductores, a diferencia de las NPs binarias II-VI o IV-VI que contienen elementos altamente to xicos como el Cd, el Hg y el Pb, los cristales compuestos del tip I-III-VI no so lo no contienen elementos to xicos pesados, sino que tambie n tienen las ventajas de la brecha de banda ajustable, los altos coeficientes de absorcio n y los grandes desplazamientos de Stokes. En el capí tulo 2, el propo sito era desarrollar un agente de contraste con buenas propiedades o pticas, aumentando así la resolucio n y la profundidad de penetracio n alcanzables para mejorar las posibilidades clí nicas de la imagen de fluorescencia como diagno stico. En este trabajo se presento un nuevo agente de contraste basado en nanopartí culas de AgInSe2 (nanoca psula) para la obtencio n de ima genes de fluorescencia. El uso de un me todo de sí ntesis mediado por semillas de Ag2Se permitio estabilizar una estructura cristalina ortorro mbica poco comu n, que doto al material de una emisio n en la segunda ventana biolo gica (NIRIIa), donde se logro una penetracio n ma s profunda en los tejidos. Las nanoca psulas, obtenidas a trave s de la encapsulacio n de las nanopartí culas de AgInSe2 por fosfolí pidos, cumplen los requisitos obligatorios para un agente de contraste de ima genes -estabilidad coloidal y toxicidad insignificante y muestran un brillo superior en comparacio n con las nanopartí culas de Ag2S ampliamente utilizadas. Los experimentos de obtencio n de ima genes sen alan el gran potencial de las nuevas nanoca psulas basadas en AgInSe2 para la obtencio n de ima genes de alta resolucio n de todo el cuerpo in vivo. Su prolongado tiempo de permanencia dentro de los vasos sanguí neos las hací a especialmente adecuadas para la obtencio n de ima genes prolongadas del sistema cardiovascular. En el capí tulo 3, el objetivo era utilizar el tiempo de vida de la fluorescencia como para metro para lograr la obtencio n de ima genes en tejidos biolo gicos, empleando la te cnica de imagen temporizada, un me todo especial de obtencio n de ima genes por fluorescencia. La autofluorescencia in vivo puede interferir con la sen al del agente de contraste, pero los agentes de contraste de larga vida media pueden emitir sen al hasta despue s que haya desaparecido la fluorescencia de fondo, logrando así un fondo cero. Los agentes de contraste con la misma emisio n spectral y diferente tiempo de vida de la fluorescencia realizaron diferentes ima genes temporizadas permitiendo la multiplexacio n en el NIR. En este trabajo, se desarrollo una serie de nanocristales inorga nicos dopados con tierras raras (NaGdF4: 2%Yb3+, 3%Nd3+, 0.2%Tm3+) con el mismo material, pero diferentes taman os y diferentes tiempos de vida de fluorescencia. Bajo la excitacio n de 808 nm, las nanopartí culas de diferentes taman os mostraron diferentes tiempos de vida de emisio n medidos para la emisio n de 980 nm de Yb3+ (2F5/2→2F7/2) en las nanopartí culas de NaGdF4: Nd3+, Yb3+, Tm3+ cuando se cambio su taman o de cristal mientras se mantení a constante su dia metro hidrodina mico. A continuacio n, las partí culas se utilizaron como agentes de contraste in vivo para la obtencio n de ima genes en el infrarrojo cercano en un rato n, demostrando su capacidad de multiplexacio n. El resultado mostro su buen potencial en la obtencio n de ima genes multiplexadas. En el capí tulo 4, el objetivo era desarrollar un nanosensor basado en ima genes de hipoxia, una caracterí stica comu n en los tumores so lidos. En este trabajo, se desarrollo una sonda multifuncional sensible a la hipoxia, compuesta por un colorante no fluorescente derivado del boro-dipirrometano (BODIPY) (azoNFQBD) y UCNPs (NaGdF4: Nd33+, Yb3+, Tm3+). El nanosensor sensible a la hipoxia (UCNPs@azoNFQBD) se preparo conjugando el colorante con la superficie de las UCNPs. En normoxia, la fluorescencia de las UCNPs@azoBODIPY se apagaba, sin embargo, bajo hipoxia o en un entorno reductor, el azoBODIPY se reducí a y perdí a su capacidad de apagar la fluorescencia visible, lo que conducí a a la recuperacio n de la fluorescencia de las UCNPs. Adema s, las UCNPs@azoBODIPY mostraron una buena biocompatibilidad en ce lulas cancerosas y los resultados de los experimentos celulares mostraron su respuesta a la hipoxia en un modelo simplificado, lo que abre la puerta a sondear tumores so lidos in vivo en el futuro.