Synthesis and functionalization of hybrid plasmon-semiconductor nanoparticles for cancer phototherapy - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Synthesis and functionalization of hybrid plasmon-semiconductor nanoparticles for cancer phototherapy

synthèse et fonctionnalisation de nanoparticules hybrides plasmon-semiconductrices pour la photothérapie du cancer

Résumé

Gold nanoparticles possess high light absorption cross sections due to their localized surface plasmon resonance, making them promising photosensitizers for various biomedical applications. Among them, gold nanorods (AuNRs), can effectively absorb light in the near-infrared range, which is the optimal window for light penetration into the human body. As a result, AuNRs hold significant potential as photosensitizers for phototherapy.When AuNRs absorb light, they generate high-energy “hot” electrons within their structure. These hot electrons can directly convert the absorbed energy into heat, leading to a temperature increase in the surrounding environment. This localized heating can effectively kill cancer cells. Alternatively, hot electrons can react with water or dioxygen in the environment, generating cytotoxic reactive oxygen species. These reactive oxygen species can induce programmed cell death. However, current challenges in phototherapies involving AuNRs revolve around the low efficiency of plasmonic energy conversion and utilization, limiting their further clinical trials. One possible solution to address this challenge is to combine AuNRs with specific semiconductors. This combination allows for the transfer of light energy absorbed by AuNRs to the semiconductor material, either through hot electron injection or energy transfer mechanisms.We synthesized hybrid dumbbell-shaped nanoparticles consisting of gold nanorods (AuNRs) and titanium dioxide (TiO2), AuNR/TiO2. In this heterostructure, hot electrons generated within the AuNRs could be directly injected into the conduction band of TiO2. This transfer extends the lifetime of energetic electrons, enabling them to effectively react with dioxygen in the environment and generate hydroxyl radicals. To ensure the stability of these nanoparticles in a physiological environment, we functionalized them with polyethylene glycol-phosphonate polymer ligands. The density of these polymer ligands on the nanoparticle surface plays a crucial role in achieving optimal photoactivity. We then evaluated the potential of these hybrid nanoparticles for photodynamic therapy in vitro on cancer cells after irradiation with near-infrared (NIR) light.We also explored the combination of AuNRs with semiconductor materials such as silver sulfide and copper sulfide, resulting in the formation of core-shell hybrid nanostructures. In these hybrid systems, the plasmon energy present in the AuNRs is transferred to the semiconductor materials through dipole-dipole interactions. This energy transfer process leads to the creation of exciton pairs within the semiconductors, which can further generate reactive oxygen species. To enhance the efficiency of this energy transfer and prevent undesired recombination between excited electrons and holes, we introduced an insulating silica layer at the interface between the gold and semiconductor components. We also assessed the photoactivity of these hybrid nanoparticles under continuous-wave NIR illumination.Lastly, the therapeutic efficacy of nanoparticles is often compromised by their poor biodistribution, as the majority of injected nanoparticles are recognized and captured by macrophages. To address this challenge, we tested the ability of different zwitterionic polymer ligands to avoid nanoparticle capture by macrophages. Semiconductor quantum dots, iron oxide and gold nanoparticles decorated with polyzwitterions were synthesized. Their interactions with proteins and macrophages were investigated in vitro to assess their potential for improved biocompatibility and reduced macrophage uptake. Furthermore, we conducted pharmacokinetic studies on AuNRs functionalized with different types of polyzwitterions. These studies aimed to evaluate the behavior of these functionalized nanoparticles within the body and gain insights into their distribution and clearance pathways.
Les nanoparticules d'or possèdent une grande section efficace d'absorption de la lumière grâce à leur effet de résonance plasmonique de surface localisée. Cela en fait des photosensibilisateurs prometteurs pour diverses applications biomédicales. En particulier, les nano-bâtonnets d'or (AuNRs) peuvent absorber efficacement la lumière dans le proche infrarouge (NIR), la fenêtre optimale pour la pénétration de la lumière dans les tissus. Par conséquent, les AuNRs présentent un potentiel important comme photosensibilisateurs.Lorsque les AuNRs absorbent la lumière, ils génèrent des électrons « chauds », à haute énergie au sein de leur structure. Ces électrons chauds peuvent convertir directement l'énergie absorbée en chaleur, ce qui entraîne une augmentation de la température dans l'environnement. Cet effet de chauffage localisé peut tuer efficacement les cellules cancéreuses. Alternativement, les électrons chauds peuvent réagir avec l'eau ou les molécules de dioxygène, ce qui produit des espèces réactives d’oxygène cytotoxiques. Ces espèces peuvent induire la mort cellulaire programmée. Cependant, les défis actuels des photothérapies réalisées par des AuNRs concernent la faible efficacité de la conversion et de l'utilisation de l'énergie plasmonique. Une solution possible pour relever ce défi consiste à combiner les AuNRs avec des semi-conducteurs. Cette combinaison permet le transfert de l'énergie lumineuse absorbée par les AuNR vers le semi-conducteur, soit par injection d'électrons chauds, soit par transfert d'énergie.Nous avons synthétisé des nanoparticules hybrides en forme d'haltères composées d’AuNR et de dioxyde de titane (TiO2) appelées AuNR/TiO2. Dans cette hétérostructure, les électrons chauds générés au sein des AuNR sont injectés dans la bande de conduction du TiO2. Ce transfert permet aux électrons chauds d'avoir une durée de vie prolongée, et de réagir efficacement avec les molécules de dioxygène dans l'environnement pour générer des radicaux hydroxyles. Pour assurer la stabilité de ces nanoparticules dans un environnement physiologique, nous avons fonctionnalisé les nanoparticules hybrides AuNR/TiO2 avec des ligands polymères de polyéthylène glycol-phosphonate. La densité de ces ligands polymères à la surface des nanoparticules joue un rôle crucial dans l'obtention d'une photoactivité optimale. Nous avons démontré l'efficacité de ces nanoparticules hybrides pour la photothérapie in vitro sur des cellules cancéreuses en les irradiant dans le proche infrarouge.De plus, nous avons synthétisé des nanoparticules hybrides AuNRs avec des matériaux semi-conducteurs tels que le sulfure d'argent et le sulfure de cuivre. Dans ces systèmes, l'énergie plasmonique présente dans les AuNRs peut être transférée aux matériaux semi-conducteurs. Ce processus conduit à la création d'excitons dans les semi-conducteurs, qui peuvent ensuite générer des espèces réactives d'oxygène. Pour améliorer l'efficacité de ce transfert d'énergie et empêcher une recombinaison indésirable entre les électrons et les trous excités, nous avons introduit une couche de silice isolante à l'interface entre l'or et le semi-conducteur. Nous avons également évalué la photoactivité de ces nanoparticules hybrides sous illumination infrarouge.Enfin, l'efficacité thérapeutique des nanoparticules est souvent compromise par une mauvaise biodistribution, la majorité des nanoparticules injectées étant captées par les macrophages. Pour relever ce défi, nous avons testé différents polymères zwitterioniques pour fonctionnaliser différentes nanoparticules inorganiques et éviter leur capture par les macrophages. Leurs interactions avec les protéines et les macrophages ont été étudiées in vitro. De plus, nous avons mené des études pharmacocinétiques sur des AuNRs fonctionnalisées avec différents types de polyzwitterions, afin d’évaluer leur temps de circulation in vivo.
Fichier principal
Vignette du fichier
ESPCI_PU_2023_archivage.pdf (13.76 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04357617 , version 1 (21-12-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04357617 , version 1

Citer

Yuzhou Pu. Synthesis and functionalization of hybrid plasmon-semiconductor nanoparticles for cancer phototherapy. Material chemistry. Université Paris sciences et lettres, 2023. English. ⟨NNT : 2023UPSLS031⟩. ⟨tel-04357617⟩
98 Consultations
33 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More