توصيفگر ها :
نانوپروب طلا , سرطان استخوان , نورگرما درماني , ترانوستيك , چاپ سه بعدي , داربست پليمري
چكيده فارسي :
مواد مورد استفاده در تشخيص و درمان سرطان با پيشرفتهاي روزافزون همراه است و نانوپزشكي، انقلابي در اين حوزه ايجاد كرده است. استئوساركوم، شايعترين تومور بدخيم استخوان در كودكان و نوجوانان، با محدوديتهايي در روشهاي درماني مرسوم به دليل عوارض جانبي و مقاومت دارويي روبرو است. پژوهش حاضر يك ابزار نانوپروب ترانوستيك شامل هسته پلاسمونيك طلا با پوشش پليمري و داروي شيميدرماني براي درمان هدفمند و تصويربرداري همزمان سرطان استخوان معرفي ميكند. در فاز اول، شبيهسازي عددي براي بررسي اثرات شكل و اندازه نانوساختارهاي طلا بر الگوهاي دمايي حاصل از فرايند نورگرما درماني انجام شد و طبق نتايج، نانوميلههاي طلا با نسبت ابعادي متوسط 3/0±4 و تشديد پلاسمون سطحي طولي 810 نانومتر بهعنوان نانوساختار بهينه انتخاب شد. در فاز دوم، نانوميلههاي طلاي بهينه به روش رشد با استفاده از بذر سنتز شده و سپس با پلياتيلن گليكول(PEG) اصلاح و با داروي ضد سرطان دوكسوروبيسين (DOX) بارگذاري شد. بارگذاري موفق DOX با تغييرات شيميايي سطح نانوذرات تأييد و ظرفيت بارگيري دارو حدود 1/1±1/86 درصد اندازه¬گيري شد. در فاز سوم، عملكرد زيستي نانوميلههاي اصلاحشده و بارگذاريشده با دارو در سه غلظت 10، 20 و 40 ميكروگرم بر ميليليتر بررسي شد. نتايج نشان داد كه دماي نانوذرات اصلاح سطح شده (5±55 درجه سانتيگراد) نسبت به دماي انواع اصلاحنشده (10±70 درجه سانتيگراد)، افزايش كمتري دارند و ميزان رهايش دارو تحت تأثير دو محرك pH محيط و تابش ليزر، پس از 72 ساعت به 10±90 درصد رسيده است. تركيب فرايند نورگرما ¬درماني و شيميدرماني در غلظتهاي 20 و 40 ميكروگرم بر ميليليتر، با مرگ سلولي بيش از 40 درصد، بالاترين اثربخشي را نشان داد . قابليت تصويربرداريMicro-CT نانوپروب¬هاي طلا، با واحد هاونسفيلد 325 تأييد شد. در بخش مهندسي بافت، از پليمر پليلاكتيك گليكوليك اسيد(PLGA) بهعنوان پايه استفاده شد و تركيبات آن با پليمرهاي پلي¬كاپرولاكتون (PCL)، پلي¬لاكتيك اسيد (PLA) و پلي¬يورتان (PU) بررسي گرديد. تركيبPLGA/PLA ، با خواص فيزيكي و مكانيكي مطلوب¬تر، بهعنوان گزينه بهينه شناسايي شد و داربست¬هاي مورد نظر از اين تركيب به روش چاپ سه¬بعدي بر پايه اكستروژن ساخته شد. متغيرهاي چاپ سهبعدي براي ساخت داربستهاي بهينه شده عبارت¬اند از سرعت 50 ميليمتر بر دقيقه، قطر نازل 4/0 ميليمتر، و تخلخل 70 درصد. تحليل و مقايسه ارزيابيهاي ساختاري، مكانيكي و زيستي روي داربستهاي كنترل (PLGA/PLA)، هدف-1 (حاوي نانوپروب طلا) و هدف-2 (حاوي نانوپروب طلا و پوشش هيدروژلي كيتوسان) انجام شد. داربست كنترل داراي منافذ يكنواخت و متصل با ابعاد حدود 100 ± 700 ميكرومتر بود، درحاليكه در داربست هدف-1، حضور نانوپروب طلا باعث افزايش زبري سطحي و كاهش ابعاد منافذ به 150 ± 400 ميكرومتر شد. داربست هدف-1 با استحكام فشاري حدود 57 مگاپاسكال و مدول فشاري بالا، بهترين عملكرد مكانيكي را نشان داد، درحاليكه داربست هدف-2 به دليل پوشش كيتوسان و جذب آب، استحكام كمتري (در حدود 45 مگاپاسكال) داشت اما انعطافپذيري بيشتري در حدود 48 درصد ارائه كرد. داربستهاي هدف همچنين عملكرد نورگرمايي مؤثري داشتند و دماي مركزي آنها به 2±48 درجه سانتيگراد رسيد. رهايش داروي كنترلشده در پاسخ به pH و تابش ليزر نيز عملكرد مطلوبي نشان داد. روشهاي درماني تركيبي، زندهماني سلولهاي MG63 را به كمتر از 20 درصد كاهش دادند، كه بيانگر كارايي بالاي اين روش در القاي مرگ سلولي در سلولهاي سرطاني استخوان است. يافتههاي اين پژوهش ميتواند گامي در راستاي توسعه روشهاي نورگرما درماني، دارورساني هدفمند و تصويربرداري براي درمان سرطان استخوان باشد.
چكيده انگليسي :
The materials used in cancer diagnosis and treatment have been continuously advancing, with nanomedicine revolutionizing this field. Osteosarcoma, the most common malignant bone tumor in children and adolescents, faces significant limitations in conventional treatments due to side effects and drug resistance. This study introduces a theranostic nanoprobe composed of a plasmonic gold core, a polymeric coating, and a chemotherapeutic drug for targeted therapy and simultaneous imaging of bone cancer. In the first phase, numerical simulations were conducted to examine the effects of gold nanostructure shape and size on temperature distribution patterns in photothermal therapy. Based on the results, gold nanorods with an aspect ratio of 4 ± 0.3 and a longitudinal surface plasmon resonance peak at 810 nm were identified as the optimal nanostructure. In the second phase, these optimized gold nanorods were synthesized using a seed-mediated growth method, subsequently modified with polyethylene glycol (PEG), and loaded with the chemotherapeutic agent doxorubicin (DOX). The successful DOX loading was confirmed through surface chemical modifications, with a drug-loading capacity of approximately 86.1 ± 1.1%. In the third phase, the biological performance of the modified and drug-loaded nanorods was evaluated at concentrations of 10, 20, and 40 µg/mL. The results demonstrated that the surface-modified nanoparticles exhibited a lower temperature increase (55 ± 5°C) compared to the unmodified variants (70 ± 10°C). Furthermore, drug release, influenced by environmental pH and laser irradiation, reached 90 ± 10% after 72 hours. The combined photothermal and chemotherapy treatment at 20 and 40 µg/mL showed the highest efficacy, inducing over 40% cell death. The micro-CT imaging capability of the gold nanoprobes was validated with a Hounsfield unit of 325. For the tissue engineering section, poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) was used as the base polymer, and its composites with polycaprolactone (PCL), polylactic acid (PLA), and polyurethane (PU) were examined. The PLGA/PLA composite was identified as the optimal candidate due to its superior physical and mechanical properties. Scaffolds were fabricated using extrusion-based 3D printing, with optimized printing parameters including a speed of 50 mm/min, a nozzle diameter of 0.4 mm, and 70% porosity. Structural, mechanical, and biological assessments were conducted on the control scaffold (PLGA/PLA), Target-1 (containing gold nanoprobes), and Target-2 (containing gold nanoprobes with a chitosan hydrogel coating). The control scaffold exhibited uniform and interconnected pores of approximately 700 ± 100 µm, whereas the presence of gold nanoprobes in Target-1 increased surface roughness and reduced pore size to 400 ± 150 µm. Target-1 demonstrated superior mechanical performance, with a compressive strength of approximately 57 MPa and a high compressive modulus. In contrast, Target-2 exhibited lower compressive strength (~45 MPa) due to the chitosan coating and water absorption but provided greater flexibility (~48%). The targeted scaffolds also exhibited effective photothermal performance, reaching a core temperature of 48 ± 2°C. Additionally, controlled drug release in response to pH and laser irradiation demonstrated a favorable profile. The combined therapeutic strategies reduced MG63 cell viability to below 20%, indicating high efficacy in inducing cancer cell death. These findings contribute to the advancement of photothermal therapy, targeted drug delivery, and imaging strategies for bone cancer treatment.