- / -

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και η βιολογική αξιολόγηση τροποποιημένων πολυλειτουργικών νανοπεριεκτών (ΠΝΠ) ως συστημάτων μεταφοράς φαρμάκων (ΣΜΦ), με άμεση εφαρμογή στη θεραπεία του καρκίνου του μαστού και του προστάτη. Με τον όρο νανοπεριέκτες (ΝΠ) εννοούμε τα σωματίδια τα οποία βρίσκονται στην κλίμακα του νανομέτρου και κυμαίνονται σε διαστάσεις από περίπου 1nm έως και 100 nm. Ο όρος πολυλειτουργικά αναφέρεται στις ιδιότητες αυτών των νανοδομών και πιο συγκεκριμένα στο πως μεταβάλλονται οι ιδιότητες αυτών όταν υπάρχει επίδραση εξωτερικών παραγόντων όπως θερμοκρασία, pH, όξειδο-αναγωγικό περιβάλλον και μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Για την παρασκευή των πολυμερικών νανοπεριεκτών χρησιμοποιήθηκαν διάφορα είδη πολυμερισμών όπως, πολυμερισμός γαλακτώματος μέσω ριζών, πολυμερισμός σπόρου (seed), πολυμερισμός μεταφοράς ατόμου με ρίζες, πολυμερισμός διασποράς και πολυμερισμός μέσω απόσταξης-καταβύθισης. Οι διάφορες ευαισθησίες στα ΝΣ προστέθηκαν μέσω συμπολυμερισμού διαφόρων μονομερών τα οποία παρουσιάζουν τις προαναφερθείσες ιδιότητες. Κάποια από τα μονομερή τα οποία χρησιμοποιήθηκαν, όπως το υδρόξυ προπυλικό μεθακρυλαμίδιο (HPMA) το οποίο παρουσιάζει ευαισθησία στη μεταβολή της θερμοκρασίας και το 3-Μεθυλ-N-(2-((2-(3-οξοβουταναμιδο)εθυλ) δισουλαφανυλ)εθυλ)βουτ-3-εναμίδιο (Disulfide) το οποίο παρουσιάζει ευαισθησία στις μεταβολές του όξειδο-αναγωγικού περιβάλλοντος συνετέθησαν στο εργαστήριο, ενώ τα υπόλοιπα ήταν εμπορικά διαθέσιμα. Το κύριο μονομερές το οποίο χρησιμοποιήθηκε στους πολυμερισμούς είναι ο Μεθακρυλικός Μεθυλεστέρας (MMA) το οποίο είναι μη τοξικό και κατά τον πολυμερισμό του δημιουργεί σφαιρικές δομές συγκεκριμένου μεγέθους (νανοσφαίρες). Με τη χρήση του συγκεκριμένου μονομερούς συνετέθησαν συμπολυμερή, τα οποία είναι ευαίσθητα στη θερμοκρασία, στο pH και στο όξειδο-αναγωγικό περιβάλλον ή σε συνδυασμό των παραγόντων αυτών. Οι πολυμερικές νανοσφαίρες-νανοπεριέκτες οι οποίες συνετέθησαν είναι κενές στο εσωτερικό τους, ή είναι της μορφής πυρήνας-κέλυφος, όπου το κέλυφος περιέχει τα μονομερή με τις επιθυμητές ευαισθησίες. Η κοιλότητα η οποία δημιουργείται στο εσωτερικό των νανοσφαιρών, σε ορισμένες περιπτώσεις, έχει ως σκοπό τον εγκλωβισμό φαρμακευτικών ουσιών. Τα φαρμακευτικά μόρια τα οποία χρησιμοποιούνται στην παρούσα διδακτορική διατριβή, είτε στο εσωτερικό των νανοσφαιρών είτε προσδεδεμένα στην επιφάνεια αυτών, είναι η Δοξορουβικίνη (Doxorubicin) και η Δαουνοροβικίνη (Daunorubicin). Η επαγωγή των μαγνητικών ιδιοτήτων στους νανοπεριέκτες πραγματοποιήθηκε με τη σύνθεση μαγνητικών νανοσωματιδίων (ΜΝΣ) τα οποία παρασκευάστηκαν πάνω στην επιφάνειά τους. Η χρήση ενός εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου αυξάνει τοπικά τη θερμοκρασία με αποτέλεσμα, αφενός να διευκολύνεται η τοπική απελευθέρωση της εγκλωβισμένης φαρμακευτικής ουσίας και αφετέρου, εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας που αναπτύσσεται τοπικά, να οδηγείται το καρκινικό κύτταρο σε απόπτωση (προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος). Για το χαρακτηρισμό των νανοπεριεκτών χρησιμοποιήθηκε μία πληθώρα τεχνικών. Για το μορφολογικό χαρακτηρισμό χρησιμοποιήθηκε η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης και διέλευσης, Scanning Electron Microscopy (SEM) και Transmission Electron Microscopy (ΤΕΜ) αντίστοιχα, για το δομικό, η φασματοσκοπία υπερύθρου (FT-IR), η φασματοσκοπία Raman, η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) και η τεχνική περίθλασης ακτίνων-Χ, ενώ για τη μελέτη των μαγνητικών ιδιοτήτων χρησιμοποιήθηκε η φασματοσκοπία δονούμενου δείγματος Vibrating Sample Magnetometry, VSM). Επίσης χρησιμοποιήθηκαν η τεχνική της δυναμικής σκέδασης φωτός (Dynamic Light Scattering, DLS) η οποία έδωσε πληροφορίες για τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά των νανοπεριεκτών μέσα στο διάλυμα, καθώς επίσης και η φασματοσκοπία ορατού-υπεριώδους (Ultra Violet-Visible, UV-VIS), μέσω της οποίας έγινε μελέτη του εγκλωβισμού και της απελευθέρωσης των χρησιμοποιούμενων φαρμάκων από τις νανoσφαίρες. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μελέτες υπερθερμίας με τη βοήθεια ενός εξωτερικού εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. / The aim of this thesis is the synthesis, characterization and biological evaluation of modified multifunctional nanoparticles (MMNs) as drug delivery systems (DDS, with immediate effect in the treatment of breast and prostate cancer. The term nanoparticles (NPs) refer to the particles which are in the nanometer scale and range in size, from about 1nm to and 100 nm. The term multifunctional refers to the properties of these nanostructures and more particularly to the way that change their properties when external factors such as temperature, pH, redox environment and alternating magnetic field are applied. For the preparation of polymeric nanoparticles, different types of polymerizations were used such as, emulsion polymerization, seed polymerization, atom transfer radical polymerization, dispersion polymerization and polymerization through distillation-precipitation process. The different sensitivities were added via copolymerization of different monomers which exhibit the aforementioned properties. Some of the monomers used like, N-(-2-HydroxyPropyl) Methacrylamide (HPMA), which is sensitive to temperature changes and N,N'-(disulfanediylbis(ethane-2,1-diyl))bis(2-methylacrylamide) (Disulfide) which is sensitive to changes in the redox environment, were synthesized in the laboratory, while the rest, were commercially available. The primary monomer, used in the polymerizations, was Methyl Methacrylate (MMA) which is non-toxic and in through to its polymerization creates spherical structures of certain size (nanospheres). By using the specific monomer, copolymers, which are sensitive to temperature, pH and redox environment or a combination of these factors, were synthesized. The synthesized polymeric nanospheres-nanocontainers, are either hollow inside, or form core-shell structures, where the shell contains the monomers with the desired sensitivity. The cavity which is created inside the nanospheres, in some cases, is intended to entrap pharmaceutical substances. The drug molecules used in this thesis, either within or tethered to the surface of the nanospheres are, Doxorubicin (DOX) and Daunorubicin (DNR). The induction of the magnetic properties in nanocontainers was performed by the synthesis of magnetic nanoparticles (MNPs), prepared on their surface. The use of an alternating magnetic field increases the temperature locally resulting on one hand to facilitate local release of the entrapped drug, and on the other hand, because of the high temperatures developed locally, to lead the tumor cell to apoptosis (programmed cell death). For the characterization of nanoparticles a variety of techniques were used. For the morphological characterization, Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM) were used while for the structural characterization, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Raman Spectroscopy, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and X-ray diffraction Spectroscopy were used. Magnetic properties were studied by Vibrating Sample Magnetometry (VSM). The Dynamic Light Scattering technique (DLS) was also used in order to get information about the properties and behavior of nanoparticles in solution and Ultra Violet-Visible Spectroscopy (UV-VIS), gave information about Loading and Release of the drugs used in nanocontainers. Hyperthermia measurements were carried out by using an external alternating magnetic field.

Μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου παρασκευάσθηκαν μέσω της αλκαλικής συμπύκνωσης και ελεγχόμενης καταβύθισης συμπλόκων ιόντων FeII, υπό την παρουσία τυχαίου συμπολυμερούς PAA-co-MA. Οι παράμετροι της σύνθεσης μεταβλήθηκαν με σκοπό την απομόνωση προϊόντων που να εμφανίζουν τις καλύτερες μαγνητικές ιδιότητες. Όλα τα προϊόντα εμφάνισαν υψηλή κολλοειδή σταθερότητα σε υδατικά μέσα χαμηλής ιοντικής ισχύος, ενώ ο σιδηρομαγνητικός τους χαρακτήρας έδειξε να ποικίλει από ασθενής μέχρι αρκετά ισχυρός, όπως προέκυψε μετά τον χαρακτηρισμό τους με μαγνητοφόρηση και μαγνητική υπερθερμία με εναλλασόμενο μαγνητικό πεδίο. Το μέσο μέγεθος των νανοκρυσταλλιτών ήταν διαφορετικό σε κάθε προϊόν κυμαινόμενο από περίπου 3 έως 14 nm, όπως προσδιορίστηκε μέσω XRD. Η ανάλυση με ΤΕΜ έδειξε ότι στο προϊόν που εμφανίζει τις καλύτερες μαγνητικές ιδιότητες σχηματίζονται πλειάδες νανοσωματιδίων πυκνής διάταξης, και στις οποίες αποδίδεται η βελτιωμένη απόκριση σε μαγνητικά πεδία. Τα άλλα προϊόντα εμφάνισαν μικρότερα μεγέθη κρυσταλλιτών και διαφορετικά δομικά χαρακτηριστικά. Τα κολλοειδή καταβυθίζονταν κατόπιν αύξησης της ιοντικής ισχύος του διαλύτη. Για τον λόγο αυτό αποφασίστηκε η μελέτη της αντίδρασης σύζευξης των εξωτερικών καρβοξυλικών ομάδων του πολυμερικού φλοιού με mPEG-NH2, δεδομένου ότι η PEG αυξάνει σημαντικά τη σταθερότητα των κολλοειδών. Παρά το γεγονός ότι χρησιμοποιήθηκαν κοινά αντιδραστήρια σύζευξης, μόνο υπό πολύ ειδικές συνθήκες η απόδοση της αντίδρασης ήταν ικανοποιητική, οπότε και προέκυψαν σταθερά κολλοειδή σε συνθήκες υψηλής ιοντικής ισχύος. Τέλος, τα προϊόντα αξιολογήθηκαν για την ικανότητά τους να επάγουν υπερθερμία και μελετήθηκε ο χρόνος χαλάρωσης Τ2, ο οποίος σχετίζεται άμεσα με την ενίσχυση της αντίθεσης στην απεικόνιση μέσω μαγνητικού συντονισμού. Τέλος, ένα από τα προϊόντα, μελετήθηκε in vitro και in νίνο, προκειμένου να αξιολογηθεί η βιοσυμβατότητα του. Τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν πολύ ενδιαφέρουσες ιδιότητες ώστε να τροποποιηθούν και να μελετηθούν περεταίρω ως θεραπευτικά ή/και διαγνωστικά νανοϋλικά. / Μagnetic nanoparticles of iron oxides were synthesized through condensation and controlled precipitation of a FeII complex, in alkaline environment, in the presence of a random copolymer PAA-co-MA, as polymeric corona. The synthetic parameters were varied with the aim of isolating products exhibiting the best magnetic properties. All products displayed high colloidal stability in low ionic strength aqueous media, while their ferromagnetic properties varied from weak to quite strong, as deduced after the characterization with magnetophoresis and magnetic hyperthermia with alternating magnetic field. The average crystallite size, as determined through XRD, varied from 8 to 14 nm depending on the product. TEM analysis showed that the product displaying the best magnetic properties formed clusters of densely packed nanocrystallites, leading to interesting superstructural motifs. All the other products displayed smaller crystallite sizes and different structural characteristics. The colloids precipitated upon increase of the ionic strength of the solvent (H2O) with NaCl. Therefore, it was decided to study the conjugation of the outer carboxyl groups of the polymeric corona with mPEG-NH2, since PEG is known to increase significantly the stability of colloids. Despite the fact that common conjugation reagents were used, only under specific conditions the yied of the reaction was appropriately high in order the resultant colloids to be stable in a high ionic strength (isotonic) medium. Finally the products were evaluated for their performance in magnetic hyperthermia and for contrast enhancement in magnetic resonance imaging, by studying the T2 relaxation time. One of the products was furthermore studied by in vitro and in vivo systems, in order to evaluate its biocompatibility. These colloidal systems exhibit very interesting properties in order to be further modified and studied as therapeutic and / or diagnostic (theragnostic) nanomaterials.

Η υπερθερμία αποτελεί μια επικουρική μέθοδο θεραπείας του καρκίνου και η βιοϊατρική έρευνα τις τελευταίες δεκαετίες, με σκοπό την εκμετάλλευση και την ανάδειξη των ιδιοτήτων της μεθόδου, στοχεύει στην εφαρμογή της στην κλινική πράξη. Μία προσπάθεια με παρόμοιο σκοπό γίνεται τα τελευταία χρόνια στο Εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών (ΕΜΟΙ) της σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών (ΗΜΜΥ) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, όπου έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί ένα σύστημα υπερθερμίας. Το προτεινόμενο σύστημα ενσωματώθηκε σε ένα τρισδιάστατο σύστημα παθητικής μικροκυματικής ραδιομετρικής απεικόνισης (ΜiRaIS) για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου, το οποίο μελετήθηκε και κατασκευάστηκε στα πλαίσια διδακτορικής διατριβής στο ίδιο εργαστήριο της σχολής ΗΜΜΥ. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται η θεωρητική και πειραματική μελέτη του προτεινόμενου συστήματος της υπερθερμίας. Η αρχή λειτουργίας του είναι όμοια με αυτή του MiRaIS και βασίζεται στη χρήση μια ελλειψοειδούς αγώγιμης κοιλότητας για εστίαση της ακτινοβολίας επιλεκτικά στους ιστούς που χρήζουν θεραπείας. Ο ανακλαστήρας για εστίαση, που κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διαδικασία, βελτιώνει την εργονομία του συστήματος, διατηρώντας παράλληλα της ιδιότητες εστίασης του πρωτότυπου ελλειψοειδούς. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε θεωρητική μελέτη και μοντελοποίηση της διάταξης με σκοπό τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασής της, καθώς και πειραματικές μετρήσεις του συνολικού συστήματος υπερθερμίας-μικροκυματικής ραδιομετρίας. Στη θεωρητική μελέτη, με χρήση του λογισμικού xFDTD που βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου, ερευνώνται δυο μέθοδοι για τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος (βάθος διείσδυσης της ακτινοβολίας, χωρική διακριτική ικανότητα) με τη χρήση διηλεκτρικών υλικών. Τα υλικά αυτά τοποθετούνται στο εσωτερικό του ελλειψοειδούς καθώς και γύρω από το μοντέλο κεφαλιού ως στρώματα προσαρμογής για την επίτευξη βηματικής αλλαγής της διηλεκτρικής σταθεράς στη διεπιφάνεια αέρα-μοντέλο ανθρώπινου κεφαλιού. Στην πρώτη προσέγγιση, το εσωτερικό του ελλειψοειδούς ανακλαστήρα γεμίζει με διηλεκτρικό υλικό χαμηλών απωλειών, με τα αποτελέσματα να δείχνουν σημαντική βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Στη δεύτερη προσέγγιση του προβλήματος, χρησιμοποιείται ένα ημισφαίριο από διηλεκτρικό γύρω από το μοντέλο κεφαλιού, με τα αποτελέσματα να δείχνουν την αντίστοιχη βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας και παράλληλα σημαντική μείωση των ανεπιθύμητων περιοχών εστίασης της ενέργειας. Η πειραματική διάταξη τοποθετήθηκε σε ανηχοϊκό θάλαμο, όπου και πραγματοποιήθηκαν όλες οι μετρήσεις. Παράλληλα με τα πειράματα υπερθερμίας, μελετήθηκε η δυνατότητα εφαρμογής της μεθόδου της μικροκυματικής ραδιομετρίας με τη γεωμετρία του προτεινόμενου συστήματος. Η μέθοδος της μικροκυματικής ραδιομετρίας θα μπορούσε να παρέχει τον έλεγχο της θερμοκρασίας της ακτινοβολούμενης περιοχής κατά τη διάρκεια των συνεδριών της υπερθερμίας. Στις πειραματικές διαδικασίες που ακολουθήθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν ομοιώματα νερού, τα οποία στη φάση της υπερθερμίας υπέδειξαν τις περιοχές εστίασης της ενέργειας για τη συχνότητα ακτινοβολίας, ενώ στη φάση της μικροκυματικής ραδιομετρίας βοήθησαν στη μελέτη της θερμοκρασιακής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Επίσης, διενεργήθηκαν μετρήσεις με στρώματα προσαρμογής από διηλεκτρικά υλικά, τα οποία τοποθετούνταν γύρω από το αντικείμενο ενδιαφέροντος, για την πληρέστερη κατανόηση της επίδρασης των υλικών αυτών στις ιδιότητες εστίασης του συστήματος και για την επιβεβαίωση των αντίστοιχων θεωρητικών αποτελεσμάτων. / The application of hyperthermia process has been widely used in clinical research and efforts are being made for its implementation in clinical practice, as many researchers have used this method as an adjunct treatment procedure for cancer. During the past two decades, a great deal of research has been carried out, with the aim of developing effective techniques for hyperthermia treatment, primarily using RF, microwave, and ultrasound energy. A similar effort is carried out in the Laboratory of Microwaves and Fiber Optics (MFOL), School of Electrical and Computer Engineering, National Technical University of Athens (NTUA), where a proposed hyperthermia system has been designed and constructed. A system for deep brain hyperthermia treatment, designed to also provide passive measurements of temperature and/or conductivity variations inside the human body, is presented in this paper. The proposed system comprises both therapeutic and diagnostic modules, operating in a totally contactless way, based on the use of an ellipsoidal beamformer to achieve focusing on the areas under treatment and monitoring. The radiometry monitoring module, the Three Dimensional Passive Microwave Radiometry Imaging System (MiRaIS), has been studied, designed and constructed in the framework of a PhD thesis in the same laboratory of MFOL. In the present thesis, the proposed system is theoretically and experimentally studied. The operation principal is based on the use of an ellipsoidal conductive wall cavity for focusing the emitted radiation on the tissues that should accept treatment. The ellipsoidal cavity, which was constructed and used in the experimentation procedure, is newly developed and improves the system’s ergonomy retaining at the same time the focusing properties of the prototype system. In the framework of the present study, theoretical modelling and experimentation of the proposed system was carried out in order to examine and improve its focusing attributes. In the theoretical study, two methods for the improvement of the system’s focusing properties (e.g. penetration depth of the electromagnetic field, spatial sensitivity) using dielectric materials are tested with the use of a commercially available software tool, xFDTD (x-Finite Difference Time Domain). The materials are placed inside the ellipsoidal or used as matching layers around the head model for the achievement of a stepped change of the refraction index on the air-human head model interface. In the first approach, the ellipsoidal volume is filled with a low loss dielectric material in order to improve the system’s spatial sensitivity. In the second approach, a hemi-sphere also filled with a dielectric material is placed around the human head model and the results revealed the improvement of the system’s spatial sensitivity and the reduction of the undesirable auxiliary energy-absorbing areas. The experiments were performed inside an anechoic chamber providing maximum accuracy by avoiding any external interference. Along with the hyperthermia experiments, the implementation of the microwave radiometry process was also tested with the proposed system. Microwave radiometry could provide the temperature monitoring of the radiated area during the hyperthermia sessions. In the experimental procedures water phantoms were used, which during hyperthermia indicated the energy-absorbing areas at the irradiation frequency, and during microwave radiometry revealed the system’s temperature sensitivity. Also, measurements were conducted using dielectric matching layers, placed around the medium of interest, in order to fully understand the effect of those materials on the system’s focusing properties as well as to confirm the respective theoretical results. Taking into consideration the present study and the advantage of the non invasive character of the proposed brain hyperthermia system, it is concluded that further research is required in order to explore its potentials at becoming a part of the standard treatment protocol of brain malignancy in the future.

Η υπερθερμία αποτελεί μια επικουρική μέθοδο θεραπείας του καρκίνου και η βιοϊατρική έρευνα τις τελευταίες δεκαετίες, με σκοπό την εκμετάλλευση και την ανάδειξη των ιδιοτήτων της μεθόδου, στοχεύει στην εφαρμογή της στην κλινική πράξη. Μια προσπάθεια με παρόμοιο σκοπό γίνεται τα τελευταία χρόνια στο Εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών (ΕΜΟΙ) της σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών (ΗΜΜΥ) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, όπου έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί ένα μικροκυματικό σύστημα υπερθερμίας. Το προτεινόμενο σύστημα ενσωματώθηκε σε ένα τρισδιάστατο σύστημα παθητικής μικροκυματικής ραδιομετρικής απεικόνισης (ΜiRaIS), το οποίο παρέχει τη δυνατότητα παρακολούθησης των μεταβολών της θερμοκρασίας και της αγωγιμότητας της υπό εξέταση περιοχής σε πραγματικό χρόνο και μελετήθηκε και κατασκευάστηκε στα πλαίσια παλαιότερης διδακτορικής διατριβής στο ίδιο εργαστήριο της σχολής ΗΜΜΥ. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται η θεωρητική και πειραματική μελέτη του προτεινόμενου συστήματος υπερθερμίας. Η αρχή λειτουργίας του συστήματος είναι όμοια με εκείνη του MiRaIS και βασίζεται στη χρήση μιας ελλειψοειδούς αγώγιμης κοιλότητας για εστίαση της ακτινοβολίας επιλεκτικά στους ιστούς που χρήζουν θεραπείας. Ο ανακλαστήρας για εστίαση που κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διαδικασία, βελτιώνει την εργονομία του συστήματος, διατηρώντας παράλληλα της ιδιότητες εστίασης του πρωτότυπου ελλειψοειδούς. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε αρχικά η θεωρητική μελέτη και μοντελοποίηση της διάταξης με σκοπό την εξακρίβωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος και στη συνέχεια επιχειρήθηκε η βελτίωση των ιδιοτήτων αυτών με χρήση διατάξεων διηελκτρικών υλικών, καθώς και πειραματικές μετρήσεις του συνολικού συστήματος υπερθερμίας-μικροκυματικής ραδιομετρίας. Η θεωρητική ηλεκτρομαγνητική μελέτη του συστήματος έγινε με τη χρήση ενός εμπορικά διαθέσιμου υπολογιστικού πακέτου προσομοίωσης (XFdtd, Remcom Inc.), το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου για την επίλυση ηλεκτρομαγνητικών προβλημάτων. Ερευνώνται τρεις διατάξεις διηλεκτρικών υλικών με σκοπό τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος, οι οποίες επικεντρώνονται στη μελέτη του βάθους διείσδυσης της ακτινοβολίας και της χωρικής διακριτικής ικανότητας. Τα υλικά τοποθετούνται είτε στο εσωτερικό του ελλειψοειδούς είτε γύρω από το μοντέλο κεφαλιού ως στρώματα προσαρμογής, με σκοπό την επίτευξη βηματικής αλλαγής της διηλεκτρικής σταθεράς στη διεπιφάνεια αέρα-μοντέλο ανθρώπινου κεφαλιού. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν τα πλεονεκτήματα από τη χρήση των διηλεκτρικών υλικών, καθώς παρουσιάζεται βελτίωση και στις δυο παραμέτρους των ιδιοτήτων εστίασης, ανάλογα με τη διάταξη που χρησιμοποιείται, τη θέση του μοντέλου κεφαλιού στο εσωτερικό του συστήματος και τη συχνότητα λειτουργίας. Για τη διενέργεια των πειραμάτων, η πειραματική διάταξη τοποθετήθηκε σε ανηχοϊκό θάλαμο, ο οποίος εξασφαλίζει την απομόνωσή της από τον περιβάλλοντα χώρο. Στις πειραματικές διαδικασίες που ακολουθήθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν ομοιώματα, τα οποία στη φάση της υπερθερμίας υπέδειξαν τις περιοχές εστίασης της ενέργειας για την εκάστοτε συχνότητα ακτινοβολίας, ενώ στη φάση της μικροκυματικής ραδιομετρίας βοήθησαν στη μελέτη της θερμοκρασιακής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Η μέθοδος της μικροκυματικής ραδιομετρίας χρησιμοποιήθηκε για την παρακολούθηση των μεταβολών της θερμοκρασίας της ακτινοβολούμενης περιοχής κατά τη διάρκεια των συνεδριών της υπερθερμίας. Επίσης, κατά τη διάρκεια των πειραμάτων πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με στρώματα προσαρμογής από διηλεκτρικά υλικά, τα οποία τοποθετήθηκαν γύρω από το αντικείμενο ενδιαφέροντος και βοήθησαν στην πληρέστερη κατανόηση της επίδρασης της παρουσίας τους στις ιδιότητες εστίασης του συστήματος και στην επιβεβαίωση των αντίστοιχων θεωρητικών αποτελεσμάτων. / The application of hyperthermia process has been widely used in clinical research and efforts are being made for its implementation in clinical practice, as many researchers have used this method as an adjunct treatment procedure for cancer. During the past two decades, a great deal of research has been carried out, with the aim of developing effective techniques for hyperthermia treatment, primarily using RF, microwave and ultrasound energy. A similar effort is carried out in the Laboratory of Microwaves and Fiber Optics (MFOL), School of Electrical and Computer Engineering, National Technical University of Athens (NTUA), where a proposed hyperthermia system has been designed and constructed. A system for deep brain hyperthermia treatment, designed to also provide passive measurements of temperature and/or conductivity variations inside the human body, is presented in the present PhD thesis. The proposed system comprises both therapeutic and diagnostic modules, operating in a totally contactless way, based on the use of an ellipsoidal beamformer to achieve focusing on the areas under treatment and monitoring. The radiometry monitoring module, the Three Dimensional Passive Microwave Radiometry Imaging System (MiRaIS), has been studied, designed and constructed in the framework of a previous PhD thesis in the same laboratory of MFOL. In the present thesis, the proposed system is theoretically and experimentally studied. The operation principal is based on the use of an ellipsoidal conductive wall cavity for focusing the emitted radiation on the tissues that should accept treatment. The ellipsoidal cavity, which was constructed and used in the experimentation procedure, is newly developed and improves the system’s ergonomics retaining at the same time the focusing properties of the prototype system. In the framework of the present work, theoretical modeling and experimentation of the proposed system is carried out in order to examine and improve its focusing attributes. In the theoretical study, three setups are investigated for the improvement of the system’s focusing properties (e.g. penetration depth of the electromagnetic field, spatial sensitivity) using dielectric materials. The research is carried out with the use of a commercially available software tool, XFdtd (Remcom Inc.). The materials are placed inside the ellipsoidal or used as matching layers around the head model for the achievement of a stepped change of the refraction index on the air-human head model interface. The results revealed the possible advantages of using matching dielectric materials, as improvement on the focusing properties of the system is clearly observed, depending on the setup used, the position of the head model inside the system and the operating frequency. The experiments were performed inside an anechoic chamber providing maximum accuracy by avoiding all possible EMC/EMI issues. Along with the hyperthermia experiments, the implementation of the microwave radiometry process was also tested with the proposed system. Microwave radiometry could provide the temperature monitoring of the radiated area during the hyperthermia sessions. In the experimental procedures water phantoms were used, which during hyperthermia indicated the energy absorbing areas at the irradiation frequency, while during microwave radiometry revealed the system’s temperature sensitivity. Also, measurements were conducted using dielectric matching layers, placed around the medium of interest, in order to fully understand the effect of those materials on the system’s focusing properties as well as to confirm the respective theoretical results. Taking into consideration the present study and the advantage of the non invasive character of the proposed brain hyperthermia system, it is concluded that further research is required in order to explore its potentials at becoming a part of the standard treatment protocol of brain malignancy in the future.

Η Πακλιταξέλη (PTX) αποτελεί ένα ευρέως διαδεδομένο αντινεοπλασματικό φάρμακο και ενδείκνυται σε μεταστατικό καρκίνο του μαστού, καρκίνο ωοθηκών, μη μικροκυτταρικό καρκίνο του πνεύμονα και σε σάρκωμα Kaposi ασθενών με AIDS. Παρ’ όλα αυτά, η σημαντική τοξικότητα που εμφανίζει (μυελοκαταστολή, νευροτοξικότητα, αντιδράσεις υπερευαισθησίας), υπογραμμίζει την αναγκαιότητα για μορφοποίησή της σε Συστήματα Ελεγχόμενης Χορήγησης Φαρμάκων (DDS), με σκοπό τη μείωση των ανεπιθύμητων ενεργειών και την αύξηση της βιοδιαθεσιμότητας του φαρμάκου. Τα πολυμερικά μικκύλια έχουν μελετεθεί εκτενώς τα τελευταία χρόνια ως Συστήματα Ελεγχόμενης Χορήγησης Φαρμάκων. Η ενσωμάτωση υπερπαραμαγνητικών νανοκρυσταλλιτών οξειδίου του σιδήρου (SPIONs) στον πυρήνα των PTX-μικκυλίων, παρέχει τη δυνατότητα μαγνητικής στόχευσης του φαρμάκου στην επιθυμητή περιοχή δράσης, καθώς και τη θεραπεία του καρκίνου μέσω επαγωγής μαγνητικής υπερθερμίας, με την εφαρμογή εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. Επιπλεόν, η χρήση των SPIONs ως σκιαγραφικά μέσα (Τ2-contrast enhancement) στη μαγνητική τομογραφία πυρηνικού συντονισμού (MRI), εξασφαλίζει το πλεονέκτημα ταυτόχρονης διάγνωσης και θεραπείας (Theranostics), αποκαλύπτοντας την πολυλειτουργικότητα των συστημάτων αυτών. Οι συγκεκριμένοι νανοφορείς, έχοντας μικρό μέγεθος (100-200nm), θεωρούνται κατάλληλοι για να αποφύγουν την οψωνινοποίηση απο τις λιποπρωτεϊνες του αίματος, την επίθεση απο τα φαγοκύτταρα του Δικτυοενδοθηλιακού συστήματος (RES) καθώς και την ταχεία νεφρική κάθαρση, με αποτέλεσμα την παρατεταμένη κυκλοφορία τους στο αίμα (stealth systems) και την εκλεκτική πρόσληψη τους απο τους συμπαγείς καρκινικούς όγκους, μέσω του φαινομένου της ενισχυμένης διαπερατότητας και κατακράτησης (EPR effect). Οι ιδιότητες αυτές, καθιστούν τα συγκεκριμένα συστήματα πολύτιμα εργαλεία στον τομέα της νανοϊατρικής. Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή πραγματεύεται τη σύνθεση υδρόφοβων SPIONs μέσω της τεχνικής της θερμικής αποικοδόμησης. Μελετήθηκαν οι συνθετικές παράμετροι (πρόδρομη ένωση, ποσότητα ελαϊκού οξέος, θερμοκρασία και διάρκεια αντίδρασης, ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας κ.α) που επηρεάζουν το μέγεθος, το σχήμα και τη διασπορά του μεγέθους των σχηματιζομένων νανοκρυσταλλιτών (5-13nm, σ: 10-20%), καθώς διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη μαγνητική συμπεριφορά των υβριδικών νανονοφορέων. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε σύνθεση υβριδικών νανοφορέων με εγκλωβισμό των SPIONs σε πολυμερικά μικκύλια. Η παρασκευή των υπερπαραμαγνητικών μικκυλίων επιτελέστηκε με την τεχνικη solvent diffusion and evaporation (nanoprecipitation), με χρήση του αμφίφιλου συμπολυμερούς πολυ(γαλακτικό οξύ)-πολυ(αιθυλενογλυκόλη) (PLA-PEG). Στον υδρόφοβο πυρήνα των μικκυλίων (PLA) δεσμεύονται υδρόφοβες ενώσεις (PTX, SPIONs), ενώ το υδρόφιλο κέλυφος (PEG) προσδίδει κολλοειδή σταθερότητα σε υδατικά μέσα (δομή πυρήνα-κελύφους). Διερευνήθηκαν διάφορες συνθετικές παράμετροι (μοριακό βάρος συμπολυμερούς, ποσότητα SPIONs, ρυθμός προσθήκης οργανικής φάσης κ.α) και προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες για την παρασκευή υπερπαραμαγνητικών μικκυλίων μεγέθους <200nm, με αξιοσημείωτη κολλοειδή σταθερότητα (μέχρι και έξι μήνες), σε συνθήκες παρόμοιες με αυτές του ανθρώπινου πλάσματος (pH: 7.4, ιοντική ισχύς: 0.15Μ). Στο επόμενο στάδιο της παρούσας εργασίας, μελετήθηκαν οι παράγοντες που επηρεάζουν τη φόρτωση-ενκαψυλίωση της PTX και των SPIONs στα πολυμερικά μικκύλια (ποσότητα PTX, ποσότητα και μέγεθος SPIONs, μοριακό βάρος PLA-PEG, ρυθμός προσθήκης οργανικής φάσης κ.α), σε φυσιολογικές συνθήκες (pH:7.4, ιοντική ισχύς: 0.15Μ). Αναπτύχθηκε πρωτόκολλο μέσω του οποίου έγινε κατορθωτός ο διαχωρισμός των μαγνητικών νανοφορέων απο τους μη μαγνητικούς, καθώς και ο υπολογισμός της φόρτωσης-ενκαψυλίωσης PTX και SPIONs ξεχωριστά, τόσο στους μαγνητικούς και μη μαγνητικούς νανοφορείς, όσο και στο μέιγμα αυτών. Οι συγκεκριμένοι νανοφορείς χαρακτηρίζονται απο εξαιρετικά υψηλή απόδοση ενκαψυλίωσης φαρμάκου (93 %wt.) και φόρτωση φαρμάκου που ανέρχεται στο 4.8 %wt. Oι αμιγώς μαγνητικοί νανοφορείς επιδεικνύουν υψηλή απόδοση ενκαψυλίωσης νανοκρυσταλλιτών (70 %wt.), ενώ η φόρτωση σε φάρμακο και SPIONs ανέρχεται σε 5.2 και 20 %wt. αντίστοιχα. Σε αμφότερες τις περιπτώσεις οι νανοφορείς, μεγέθους (υδροδυναμική διάμετρος) 170nm, χαρακτηρίζονται απο ικανοποιητική μαγνητική συμπεριφορά. Εξετάστηκε η επίδραση του μεγέθους των νανοκρυσταλλιτών στη μαγνητική συμπεριφορά των νανοφορέων. Οι αμιγώς μαγνητικοί νανοφορείς με μεγαλύτερο μέγεθος SPIONs παρουσιάζουν καλύτερη μαγνητική συμπεριφορά. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μελέτες αποδέσμευσης του φαρμάκου σε PBS (0.14Μ, pH:7.4) στους 37oC και διερευνήθηκε η επίδραση της εφαρμογής εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου στην αποδέσμευση της PTX απο τους μαγνητικούς νανοφορείς (Triggered Drug Release). Σε κάθε περίπτωση, παρατηρήθηκε ελεγχόμενη αποδέσμευση του φαρμάκου για 24 ώρες, σε συνθήκες που προσομοιάζουν με αυτές του πλάσματος. Ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των νανοφορέων πραγματοποιήθηκε με HPLC, DLS, TGA, TEM και μαγνητοφόρηση. / Paclitaxel (PTX) is one of the most successful anticancer drugs against a broad range of solid tumors, such as metastatic breast cancer, ovarian cancer, non-small-cell lung cancer and AIDS-related Kaposi sarcoma. However, the serious systematic side effects of PTX (myelosuppression, neurotoxicity, hypersensitivity) underline the need for formulation of PTX in Drug Delivery Systems (DDS), in order to reduce the side effects and increase the bioavailability of the drug. Among DDS, polymeric micelles have drawn much attention due to their great flexibility in tuning drug solubility, micelle size, targeted drug delivery and stability. Incorporation of Superparamagnetic Iron Oxide Nanocrystals (SPIONs) inside the core of drug-loaded polymeric micelles, imparts to the final Drug Delivery System the prospect of physical (magnetic) targeting, intrinsic therapeutic function (hyperthermia-based cancer therapy under alternating external magnetic field), T2-based contrast enhancement in magnetic resonance imaging (MRI) and remotely triggered drug release. These core-shell polymeric micelles having small size (100-200nm), are considered appropriate for avoiding both opsonization, macrophages attack by ReticuloEndothelial System (RES) and rapid renal clearance, thus allowing micelles to be taken up preferably by solid tumors through Enhanced Permeability and Retention (EPR) effect. Therefore, such nanoassemblies encode high potential in nanomedicine, due to their dual nature (Therapeutic+Diagnostic = Theranostics). In particular, we have studied the synthesis of organophilic SPIONs through thermal decomposition. The synthetic parameters (precursor, precursor:oleic acid ratio, reaction temperature and duration, heat rate, etc.) affecting the size, shape and size distribution of the nanocrystals have also been examined thoroughly, since they play a key-role concerning the magnetic behavior of the final hybrid. Nanosized SPIONs with narrow size distribution were synthesized (5-13nm, σ: 10-20%). The preparation of poly(lactic acid)-block-poly(ethyleneglycol) (PLA-PEG) micelles encapsulating hydrophobic SPIONs, by varying the molecular weight of the polymers, the amount of SPIONs and the addition rate during micelle assembly, has also been investigated. The core-shell superparamagnetic micelles were prepared through solvent diffusion and evaporation technique (nanoprecipitation). PTX and SPIONs are being incorporated into the micelle’s hydrophobic core (PLA) through hydrophobic interactions, whereas the hydrophilic shell (PEG) stabilizes the micelles in aqueous dispersions, optimizing their colloidal stability and providing prolonged circulating time. The optimum parameters were determined, conferring to the micelles (Hydrodynamic Diameter < 200nm) high colloidal stability (up to six months) at biorelevant conditions (pH:7.4, ionic strenght: 0.15M). The next phase of the present master thesis focused on studying the factors (amount of PTX and SPIONs, molecular weight of PLA-PEG, addition rate, etc.) affecting the Loading of PTX and SPIONs into the polymeric micelles and how they can be fine-tuned towards high drug loading, while retaining their size at a scale where long circulation would not be precluded. Through protocol establishment, we have managed to separate the magnetic and non magnetic micelles, and to determine individually the loading of PTX and SPIONs for magnetic, non magnetic micelles, as well as for the mixture of them. The micelles’ mixture exhibits very high Drug Encapsulation Efficiency (93 %wt.) and 4.8 %wt. Drug Loading (D.L). Magnetic nanocarriers display high Magnetic Encapsulation Efficiency (70 %wt.), with D.L and Magnetic Loading of 5.2 and 20 %wt. respectively, In both cases, micelles demonstrate adequate magnetic behavior and small sizes (hydrodynamic diameter: 170nm), under conditions which simulate with human plasma (pH:7.4, ionic strenght: 0.15M). The effect of SPIONs’ size on the magnetic behavior of hybrid colloids, was also examined. Magnetic nanocarriers encapsulating SPIONs of greater size exhibit better magnetic behavior. Finally, we have conducted Drug release studies in PBS (0.14M, pH:7.4) at 37oC. The effect of SPIONs presence on the release profile of PTX, including triggered drug-release by application of AC magnetic field, has also been investigated. PTX-magnetic micelles exhibit Controlled Drug release for 24 hours. Several techniques have been used for the characterization of such nanoassemblies, like: HPLC, DLS, TGA, TEM, XRD, Magnetophoresis and Triggered Drug release by application of AC magnetic field.