Multifunctional platforms based on upconversion nanoparticles for applications in nanomedicine - Nigoghossian, Karina [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2018)
Na área biomédica, existe uma crescente demanda por nanossistemas multifuncionais para realização de imageamento e terapia simultaneamente, visando um diagnóstico precoce e máximo benefício terapêutico. Nanopartículas para conversão ascendente de energia (UCNPs) vêm sendo propostas como a sonda biológica ideal devido às suas vantagens únicas relacionadas ao fenômeno de upconversion apresentado por materiais contendo íons lantanídeos, isto é, emissão no visível obtida sob excitação no infravermelho, tais como penetração profunda nos tecidos, uma baixa taxa de autofluorescência e um fotodano mínimo. Além disso, as propriedades luminescentes dos íons lantanídeos podem ser usadas para termometria por serem fortemente dependentes da temperatura. A termometria luminescente é uma técnica de não-contato e alta resolução que vem ganhando atenção na nanomedicina uma vez que a temperatura é um parâmetro fundamental para o funcionamento das células. Danos térmicos às células podem ser localmente fotoinduzidos pelo uso de nanoestruturas metálicas iluminadas em sua banda de ressonância plasmônica por causa da sua elevada absortividade. A primeira parte deste trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema multifuncional baseado em nanocascas de ouro (AuNSs) decoradas com UCNPs podendo ser utilizadas para aumentar e medir a temperatura em escala nanométrica. Este sistema foi desenvolvido com a finalidade de uma eventual utilização como agente em terapia fototérmica (PTT), na qual a capacidade termométrica das UCNPs permitirá otimizar os benefícios terapêuticos. A síntese das UCNPs de NaGdF4 dopadas com os íons Yb3+ e Er3+ foi realizada via decomposição térmica de precursores de fluoreto de lantanídeo a altas temperaturas (> 300 °C) na presença de um ligante coordenante (o ácido oleico). As UCNPs foram sintetizadas em três diferentes temperaturas (310, 315 e 320 °C) e caracterizadas segundo suas propriedades morfológicas, estruturais e emissivas. Levando-se em conta as aplicações biológicas pretendidas, a superfície hidrofóbica das UCNPs recoberta por cadeias de oleato foi modificada utilizando um revestimento de sílica via um processo Stõber modificado por meio de um método de microemulsão reversa para obter uma dispersão suficiente em água. Nanocristais monodispersos de NaGdF4:Yb3+:Er3+ para conversão ascendente (~ 25 nm de diâmetro) foram obtidos nas fases cúbica (a 310, 315 °C) e hexagonal (a 320 °C). As UCNPs na fase hexagonal mostraram-se mais apropriadas como sensores de temperatura, devido a menor razão entre as emissões vermelho/verde e maior sensibilidade térmica. O espectro de emissão das UCNPs (recobertas por sílica ou por oleato) foi registrado a diferentes temperaturas na proximidade do intervalo fisiológico (20–70 °C) e apresentou propriedades adequadas para sua aplicação como sensor de temperatura, especialmente uma excelente linearidade (R2 > 0,99) e uma boa sensibilidade (>3 × 10−3 K−1). A superfície das AuNSs foi decorada com UCNPs recobertas por sílica. A capacidade de aquecimento das AuNSs@UCNPs foi verificada medindo-se a emissão do Er3+, a qual demonstra seu potencial como agente em hipertermia controlada pela utilização da função de nanotermômetro. A segunda parte deste projeto de tese foi dedicada ao desenvolvimento de um nanosistema multifuncional podendo ser utilizado como um sistema de dupla captura de luz UV e medida de temperatura. O complexo Eu(tta)3 (tta-tenoiltrifluoroacetonato) foi preparado in situ na casca de sílica das UCNPs de NaGdF4:Yb3+:Er3+. Um nanotermômetro de modo duplo foi obtido a partir do sinal de fluorescência gerado graças à conversão ascendente (infravermelho próximo → visível) pelos íons Er3+ juntamente à emissão por conversão descendente excitada no UV do complexo Eu(tta)3. As medidas foram realizadas próximo à faixa de temperatura fisiológica (20—50 °C) revelando uma excelente linearidade (R2 > 0,99) e uma sensibilidade térmica relativamente alta (≥1,5%·K−1). A utilidade do complexo de Eu(tta)3 presente na casca de sílica como sensor de luz UV foi demonstrado pela dependência da luminescência do íon Eu3+ sob a duração da exposição à luz UV. O material obtido apresenta potencial para aplicação em terapias ativadas pela luz, tais como a terapia fotodinâmica (PDT) e a PTT, as quais tipicamente requerem luz UV ou azul para excitação. O controle da dose de luz liberada para os tecidos tem grande importância nestes procedimentos terapêuticos para evitar o fotodano aos tecidos circundantes. A função de termômetro é útil para guiar tais processos (PDT e PTT) simultaneamente com o dosímetro de UV.

In the biomedical field, there is an increasing demand for multifunctional nanosystems to perform imaging and therapy simultaneously, aiming at early diagnosis and maximum therapeutic benefit. Upconversion nanoparticles (UCNPs) have been proposed as an ideal bio-probe because of their unique advantages related to the upconversion phenomenon presented by materials containing lanthanide ions, e.g. visible emission obtained under near-infrared (NIR) excitation, such as deep tissue penetration, low autofluorescence background and low photo-damage. Moreover, the luminescent properties of lanthanide ions may be used for thermometry because of a strongly temperature-dependent effect. Luminescence nanothermometry is a noncontact and high-resolution technique that has been gaining attention in nanomedicine since temperature is a fundamental parameter in events that occur in cells. The thermal damage of cells may be locally photoinduced by using metal nanostructures illuminated at their localized surface plasmon resonance (LSPR) band because of the enhancement of light absorption. In this work, a multifunctional system was designed combining gold nanoshells (AuNSs) and UCNPs intended as an optical heater and temperature probe at the nanoscale. This system was studied aiming its application as an agent for photothermal therapy (PTT), guided by the thermometer capacity of UCNPs, which allows to optimize the therapeutic benefits. The synthesis of NaGdF4 UCNPs doped with ions Yb3+:Er3+ was performed via the thermal decomposition of lanthanide ion fluoride precursors at high temperatures (>300 °C) in the presence of a coordinating ligand (oleic acid). UCNPs were synthesized at three different temperatures (310, 315 and 320 °C) and characterized in terms of morphological, structural and emission properties. In view of the intended biological applications, the surface of hydrophobic oleate-capped UCNPs was modified by a silica coating to achieve sufficient water dispersibility, through a modified Stöber process by a reverse micro-emulsion method. Monodisperse NaGdF4:Yb3+:Er3+ upconverting nanocrystals (~25 nm dia.) were obtained in cubic (at 310, 315 °C) and hexagonal phase (at 320 °C). The UCNPs in the hexagonal phase showed to be more suitable for application as a temperature sensor, because of its lower red-to-green emission ratio and higher thermal sensitivity. The emission spectra of NaGdF4:Yb3+:Er3+ (oleate- or silica-coated) UCNPs were measured at different temperatures in the vicinity of the physiological temperature range (20-70 °C) and presented suitable properties for application as a temperature sensor, such as excellent linearity (R2 >0.99) and sensitivity (>3 × 10−3 K−1). The surface of AuNSs were decorated with silica-coated UCNPs. The heating capacity of such nanocomposites (AuNSs@UCNPs) was verified by monitoring the Er3+ emission, enabling potential application as a hyperthermia agent controlled by the nanothermometer function. In a second part of this thesis, a multifunctional nanosystem was designed and applied as a dual sensor of ultraviolet (UV) light and temperature. Eu(tta)3 (tta-thenoyltrifluoroacetonate) complex was prepared in situ over the silica shell of NaGdF4:Yb3+:Er3+ UCNPs. A dual-mode nanothermometer-UV sensor was obtained from the combination of NIR to visible upconversion fluorescence signal of Er3+ ions and the UV-excited downshifted emission from the Eu(tta)3 complex. Measurements were performed near the physiological temperature range (20-50 °C) revealing excellent linearity (R2 > 0.99) and relatively high thermal sensitivities (>1.5%·K−1). The Eu(tta)3 complex present in the silica shell was also demonstrated as a UV sensor because of the Eu3+ luminescence dependence on UV light exposure. The obtained material shows potential for application in light activated therapies, such as photodynamic therapy (PDT) and PTT, which typically require UV or blue light for excitation. The control of light dose released to the tissue is of great importance in these therapeutic procedures to avoid photodamage to the surroundings. The thermometer function is useful to guide such therapeutic processes (PDT and PTT) synergistically with the UV dosimeter.

Dans le domaine biomédical, il y a une demande croissante pour les nanosystèmes multifonctionnels pour effectuer simultanément l'imagerie et la thérapie, en visant le diagnostic précoce et apporter du bénéfice thérapeutique maximal. Les nanoparticules à conversion ascendante d’energie (UCNPs) ont été proposés comme une bio-sonde idéale en raison de leurs avantages uniques liés au phénomène d'upconversion présenté par les matériaux contenant des ions lanthanides, c’est-à-dire l’émission visible obtenue sous excitation dans le proche infrarouge (NIR), tels qu’une meilleure pénétration dans les tissus, une bas taux d’autofluorescence et un photo-dommage minimal. De plus, les propriétés luminescentes des ions lanthanides peuvent être utilisées pour la thermométrie en raison de leur forte dépendance sur la température. La thermométrie par luminescence est une technique sans contact et à haute résolution qui a attiré l'attention en nanomédecine puisque la température est un paramètre clé dans le fonctionnement des cellules. Des dommages thermiques aux cellules peuvent être localement photoinduits par l'utilisation de nanostructures métalliques illuminées dans leur bande de résonance plasmon en raison de leur absorptivité élevée. La prémière partie de ce travail implique le développement d'un système multifonctionnel, basé sur des nanocoquilles d’or (AuNSs) décorées avec des UCNPs, pouvant être utilisé pour augmenter et mesurer la température à l'échelle nanométrique. Ce système a été développé dans le but d’éventuelle utilisation comme agent de thérapie photothermique (PTT), dans laquelle la capacité thermométrique des UCNPs permettra d'optimiser les bénéfices thérapeutiques. La synthèse des UCNPs de NaGdF4 dopées avec les ions Yb3+ et Er3+ a été réalisée par décomposition thermique des précurseurs de fluorure de lanthanide à des températures elévées (> 300 °C) en présence d'un ligand de coordination (l’acide oléique). Les UCNPs ont été synthétisées à trois températures différentes (310, 315 et 320 °C) et caractérisées selon leurs propriétés morphologiques, structurelles et émissives. Compte tenu des applications biologiques prévues, la surface hydrophobe des UCNPs recouverte de chaînes oléate a été modifiée par un revêtement de silice par un processus Stöber modifié au moyen d'une méthode de microémulsion inverse afin d'obtenir une dispersion suffisante dans l'eau. Des nanocristaux monodisperses de NaGdF4:Yb3+:Er3+ à conversion ascendante (~ 25 nm de diamètre) ont été obtenus en phases cubique (à 310, 315 °C) et hexagonale (à 320 °C). Les UCNPs dans la phase hexagonale étaient plus appropriés en tant que capteurs de température en raison du rapport faible entre les émissions rouge/vert et une plus grande sensibilité thermique. Le spectre d'émission des UCNP (recouvertes de silice ou d'oléate) a été enregistré à des températures différentes à proximité de la plage physiologique (20–70 °C) et il a présenté des propriétés appropriées pour leur utilisation comme capteur de température, notamment une excellente linéarité (R2 > 0,99) et une bonne sensibilité (>3 × 10−3 K−1). La surface des AuNS a été décorée avec des UCNP recouvertes de silice. La capacité de chauffage des AuNSs@UCNPs a été vérifiée en mesurant l'émission de l'Er3+, ce qui démontre leur potentiel d'application comme agent d'hyperthermie contrôlée par l'utilisation de la fonction de nanothermomètre. La deuxième partie de ce projet de thèse a été consacrée au développement d'un nanosystème multifonctionnel pouvant être utilisé comme un système de double capture de lumière UV et de mesure de température. Le complexe Eu(tta)3 (tta-thénoyltrifluoreacetonate) a été préparé in situ dans la coquille de silice des UCNPs de NaGdF4:Yb3+:Er3+. Un nanothermomètre à double mode a été obtenu à partir du signal de fluorescence généré grâce à la conversion ascendante (proche infrarouge → visible) par les ions Er3+ ainsi que par l’émission par la conversion descendante excitée dans l'UV du complexe Eu(tta)3. Les mesures ont été prises près de la plage de température physiologique (20—50 °C) et montrent une excellente linéarité (R2 > 0,99) et une sensibilité thermique relativement élevée (≥1,5%·K−1). L’utilité du complexe Eu(tta)3 présent dans la coquille de silice comme capteur de la lumière UV a été démontré par la dépendance de la luminescence de l’ion Eu3+ sur la durée de l'exposition à la lumière UV. Le matériau obtenu présente un potentiel d'application dans les thérapies activées par la lumière, telles que la thérapie photodynamique (PDT) et la PTT, qui nécessitent généralement une lumière UV ou bleue pour l'excitation. Le contrôle de la dose de lumière delivrée aux tissus a une grande importance dans ces procédures thérapeutiques pour éviter le photodommage aux tissus environnants. La fonction thermomètre est utile pour guider de tels processus (PDT et PTT) en synergie avec le dosimètre d’UV.
Plataformas multifuncionais baseadas em nanopartículas para conversão ascendente para aplicações em nanomedicina
Plateformes multifonctionnelles à base de nanoparticules de conversion ascendante de l'énergie pour des applications en nanomédecine
Keywords: Upconversion nanoparticles; Lanthanide ions; Luminescence; Nanothermomety; Organic-inorganic hybrids; Photothermal therapy; Nanopartículas para conversão ascendente de energia; Íons lantanídeos; Luminescência; Nanotermometria; Híbridos orgânicos-inorgânicos; Terapia fototérmica