Resumen de Nanomateriales para terapia e imagen en el infrarrojo
En esta tesis doctoral se aborda el estudio de nanopartículas fluorescentes como agentes de contraste para imagen por fluorescencia en modelos animales, así como su aplicación en terapia térmica controlada.
La imagen por fluorescencia ha jugado un papel fundamental en la investigación biomédica, haciendo posible el estudio de una gran variedad de procesos a nivel celular. No obstante, también se ha convertido en una valiosa herramienta a nivel clínico, utilizándose, por ejemplo, para evaluar el flujo sanguíneo, diagnosticar patologías oculares o delimitar campos quirúrgicos. Para estas aplicaciones se ha recurrido en algunos casos a la fluorescencia intrínseca de los tejidos (autofluorescencia); y en la mayoría de ellos, a agentes de contraste externos (fluoróforos). Los fluoróforos más habitualmente utilizados, como son la mayoría de colorantes orgánicos, presentan bandas de excitación y emisión en los rangos ultravioleta o visible del espectro electromagnético, lo que supone una limitación a la hora de realizar imagen en profundidad. Como se explica en esta tesis, la penetración de la luz en los tejidos biológicos depende fuertemente de la longitud de onda, siendo máxima en ciertas zonas del infrarrojo cercano, conocidos como ventanas biológicas.
Los nanomateriales estudiados en esta tesis, puntos cuánticos (QDs) de PbS/CdS/ZnS y nanopartículas (NPs) dopadas con iones Nd3+, presentan bandas de excitación y emisión en las ventanas biológicas, lo que nos ha permitido aplicarlas con éxito para realizar imagen de fluorescencia en profundidad en modelos animales. Asimismo, las propiedades espectroscópicas de estos materiales, concretamente la posición de sus bandas de emisión y, en el caso de las NPs dopadas con iones Nd3+, su larga vida media (del orden de microsegundos) nos han permitido desarrollar técnicas para obtener imágenes libres de autofluorescencia. Antes del desarrollo de esta tesis, la autofluorescencia en el infrarrojo no había sido estudiada en profundidad y sin embargo, es un factor fuertemente limitante a la hora de obtener imágenes de alto contraste.
Nanomateriales para imagen y terapia en el infrarrojo (B. del Rosal, 2016) 2 Por último, en esta tesis doctoral se han empleado con éxito nanopartículas de carácter multifuncional, con propiedades de interés para su aplicación en biomedicina más allá de la imagen de fluorescencia. Concretamente, estudiamos la posibilidad de utilizar estas NPs simultáneamente como agentes calentadores y termométricos en terapia fototérmica de tumores malignos, de forma que permitieran determinar la temperatura intratumoral en tiempo real durante el tratamiento. Antes del desarrollo de esta tesis, en la comunidad científica se venía utilizando habitualmente termografía infrarroja para determinar la temperatura superficial del sitio tratado, y por tanto no se había llevado a cabo ninguna medida de temperatura intratumoral durante terapia fototérmica. Para este propósito, las NPs de LaF3:Nd3+ y los QDs de PbS/CdS/Zn resultaron ser candidatos idóneos debido a su eficiencia de conversión fototérmica y a la sensibilidad térmica de su banda de emisión. Con ambos sistemas, como veremos más adelante, conseguimos tratar de forma efectiva tumores malignos en modelos murinos, al mismo tiempo que registramos la temperatura intratumoral durante todo el tratamiento. Los resultados obtenidos indican la importancia de monitorizar esta temperatura para optimizar el control del tratamiento, ya que la temperatura superficial difiere sustancialmente de la intratumoral, siendo esta última la que presenta relevancia desde el punto de vista terapéutico.
Summary This PhD thesis deals with the application of fluorescent nanoparticles as contrast agents for fluorescence imaging in animal models, as well as their use in controlled photothermal therapy.
Fluorescence imaging has played a most relevant role in biomedical research, allowing the study of a great variety of structures and processes at the cellular level. It has also become a valuable tool at the clinical level, as it can be used in diagnosis of ophthalmological diseases, angiography and determination of resection margins in surgery. For these applications, most cases require external contrast agents (fluorophores), although the intrinsic fluorescence of tissues (autofluorescence) can be sometimes utilized. The most widely used fluorophores, such as the great majority of organic dyes, present absorption and emission bands in the ultraviolet or visible ranges of the electromagnetic spectrum. This constitutes a limiting factor in the applicability of fluorescence for deep tissue imaging. As will be explained in detail later, penetration depth of light into tissues is extremely wavelength-dependent. To achieve the highest possible penetration, systems which operate in certain spectral ranges in the near-infrared, known as biological windows, must be used.
This thesis deals with the study of the applicability of two different nanosized materials, PbS/CdS/ZnS quantum dots (QDs) and neodymium-doped nanoparticles (NPs). The absorption and emission bands of both systems lie in the biological windows, enabling us to achieve deep tissue imaging in living mice. These materials also present spectroscopic properties which make autofluorescence-free imaging possible, such as the position of their emission bands and, in the case of Nd3+-doped NPs, their long lifetimes (in the order of microseconds). Taking advantage of these features, we have developed techniques for removing the autofluorescence background during in vivo fluorescence imaging. Prior to the work carried out in this thesis, there were no in-depth studies concerning autofluorescence in the infrared. This has proven to be, however, a highly limiting factor for obtaining high contrast in vivo fluorescence images.
Finally, multifunctional NPs, whose applicability in biomedicine goes beyond infrared fluorescence imaging have also been studied in this doctoral thesis. Both Nd3+-doped NPs and QDs have been successfully applied for simultaneous photothermal heating and temperature sensing in tumor therapy. Thus, we were able to determine the temperature at the tumor site in real time during the treatment. The most widespread method to monitor temperature during photothermal therapy up to this moment was infrared thermography, which provides a temperature reading at the surface of the tumor site. No actual measurements of the intratumoral temperature had been carried out prior to the works presented in this thesis. Nd3+-doped LaF3 and PbS/CdS/ZnS QDs were especially suitable for this purpose, as they present both a remarkable photothermal conversion efficiency and a temperature-sensitive emission band.
Both systems proved themselves useful for effective tumor therapy in a mouse model, while they provided a continuous temperature reading throughout the treatment. The great discrepancy found between surface and intratumoral temperatures point out the need for monitoring the latter, which is the relevant parameter from a therapeutic point of view.
