Bionanostructures for intracellular temperature sensing during photothermal cancer treatment

Abstract

Cancer is one of the most common causes of death in developed countries, with aggressive and often poor treatment efficacy, while also lacking a universal cure suited for every type of tumor. Hyperthermia is presented as a potential complementary treatment option, by debilitating the cancer cells and increasing their susceptibility to other treatments, such as chemotherapy and radiotherapy, allowing for improved effectiveness on their application, by reducing exposure to such treatments that cause numerous undesired and harmful side-effects. The aim of this study was to develop and characterize multifunctional nanohybrids for photothermal therapies, with simultaneous heating and intracellular temperature-sensing capabilities. The heat generation shall be achieved by excitation of localized surface plasmons of gold nanorods embedded in a mesoporous silica shell, while the temperature readout shall be attained by conjugated fluorescent Rhodamine B molecules, which present a temperature-dependent fluorescence lifetime that decreases as the temperature increases. By applying these nanohybrids to tumor cells and irradiating them with a 808 nm laser (capable of tissue penetration), it is intended to generate heat and weaken cells, while fluorescence lifetime imaging microscopy is used to assess the temperature achieved inside of the cells in the locations of the labeled nanohybrids. The temperature reading shall allow optimization of the conditions to achieve the desired level of intracellular temperature without damaging surrounding tissues. In this work, these nanohybrids were successfully synthetized and characterized, as well as assessing their biocompatibility for two cell lines (A431 and HeLa cells). Furthermore, the photothermal heating with integrated nanothermometer was established by recording heating efficacy and the temperature dependent fluorescence lifetime calibration curve. Additionally, the nanohybrid was applied to study the spatially resolved temperature maps in photothermally treated live cells, with a sensitivity shown to be around 0.23% ºC-1. However, the nanohybrids’ robustness when facing changes in other environmental factors (e.g. pH) is unknown, requiring further studies and improvements.

O cancro é uma das causas de morte mais comuns em países desenvolvidos, com tratamentos agressivos e de fraca eficácia, agravando-se pela inexistência de uma cura universal para todos os tipos de tumores. A hipertermia surge como um potencial tratamento complementar, ao debilitar as células cancerígenas e aumentando a sua suscetibilidade a outros tratamentos como quimioterapia e radioterapia, permitindo uma maior eficácia na sua aplicação, reduzindo a exposição a tais tratamentos, causadores de inúmeros indesejados e danosos efeitos secundários. O objetivo deste estudo foi desenvolver e caracterizar nanohíbridos multifuncionais para terapias fototermais, com capacidades simultâneas de aquecimento e medição de temperatura celular. A geração de calor é efetuada pela excitação de plasmões de superfície localizados de nanobastões de ouro integrados numa capa mesoporosa de sílica, enquanto a leitura da temperatura é executada pelas moléculas fluorescentes conjugadas de Rodamina B, que apresentam um tempo de vida de fluorescência dependente da temperatura, que decresce à medida que a temperatura sobe. Ao aplicar estes nanohíbridos a células tumorais e irradiar os mesmos com um laser de 808 nm (capaz de atravessar tecidos), o intuito será gerar calor e debilitar as células, enquanto a leitura da temperatura atingida dentro das células nas localizações dos nanohíbridos marcados é feita através de microscopia de imagens de tempo de vida de fluorescência. A leitura da temperatura permitirá a otimização das condições para atingir a temperatura intracelular ideal sem causar danos nos tecidos circundantes. Neste trabalho, os nanohíbridos foram sintetizados e caracterizados com êxito, enquanto a sua biocompatibilidade foi estudada em duas linhas celulares (células A431 e HeLa). Além disso, o aquecimento fototermal com nanotermómetro integrado foi estabelecido, ao medir a eficácia de aquecimento e a curva de calibração do tempo de vida de fluorescência dependente da temperatura. Adicionalmente, o nanohíbrido foi aplicado no estudo de mapas de temperatura resolvidos no espaço, em células vivas sujeitas a tratamento fototermal, exibindo uma sensibilidade de cerca de 0.23% ºC-1. Porém, a robustez dos nanohíbridos sob mudanças noutros fatores ambientais (ex.: pH) é desconhecida, precisando de estudos e aperfeiçoamentos.