Nanodalelės jau taikomos komerciniuose produktuose ir diegiamos į naujus diagnostikos bei gydymo metodus. Nepaisant to, jų prasiskverbimas per apsauginius organizmo barjerus, lokalizacija organizme, pasišalinimo savybės ir ilgalaikio susikaupimo rizika nėra pakankamai ištirtos. Šios žinios reikalingos tiek naujų medicinos priemonių kūrimui, tiek ir toksikologiniam produktų įvertinimui. Darbe optiniais metodais buvo tiriama puslaidininkinių nanodalelių – CdSe/ZnS-mPEG kvantinių taškų (KT) – migracija eksperimentinių gyvūnų audiniuose in vivo, įvedant juos skirtingais būdais į organizmą. Disertacijoje nagrinėjamas KT judėjimas audinių tarpląstelinėje terpėje, jų kaupimasis skirtingose ląstelėse, prasiskverbimas per kraujagyslių, odos bei placentos barjerus. Rezultatai rodo, kad KT migruoja organizme kitaip nei daugelis medicinoje taikomų organinių junginių. Į kraujotaką patekę neprasiskverbia per daugumos kraujagyslių sienelę ir nesikaupia atitinkamuose audiniuose. Tai sudaro sąlygas naudoti KT kraujotakos vaizdinimui, angiogenezės bei kraujagyslių pažaidų tyrimuose. Parodyta, kad KT audiniuose sulaikomi tankių skaidulinių pluoštų, pvz., bazinės membranos, ir tai sąlygoja jų nepatekimą į plaukų folikulus, prakaito bei riebalų liaukas, periferinius nervus, raumenines skaidulas. Tikimasi, kad šie rezultatai padės aiškintis KT pernašos per biologinius barjerus mechanizmus, leis tiksliau įvertinti jų taikymo saugumą bei praplės KT panaudojimo biomedicinoje galimybes. / Nanoparticles (NP) are already in the composition of commercial products. New methods for medical diagnostics and therapy based on NP are developed. However the mechanisms of NP penetration through protective human barriers, biodistribution in the body, clearance properties and long-term accumulation risk remain undiscovered. This knowledge is needed to optimize biomedical applications of NP and to estimate nanotoxicological effects. This thesis investigates the migration of semiconductor NP – CdSe/ZnS-mPEG quantum dots (QD) in the tissues of experimental animals in vivo by the means of optical methods. The diffusion of QD in extracellular matrix, accumulation in different cell types, and penetration through the barriers of vessel walls, skin and placenta are analyzed. Main results show, that QD migration pathways in the body are distinct form the conventional organic drugs. QD are not transferred through the wall of most blood vessels and don‘t extravasate into the tissues. It can be used for imaging of blood vessels, angiogenesis and vessel damage research. It is shown, that QD diffusion in the tissues is limited by dense tissue fiber layers, e.g. basement membrane, and it retains QD from passage to epidermis, hair follicles, dermal glands, nerves and muscle cells. These results can be used to explore the mechanisms of biological barriers, contribute to the estimation of QD safety and expand the application areas of QD in biomedicine.

Nanoparticles (NP) are already in the composition of commercial products. New methods for medical diagnostics and therapy based on NP are developed. However the mechanisms of NP penetration through protective human barriers, biodistribution in the body, clearance properties and long-term accumulation risk remain undiscovered. This knowledge is needed to optimize biomedical applications of NP and to estimate nanotoxicological effects. This thesis investigates the migration of semiconductor NP – CdSe/ZnS-mPEG quantum dots (QD) in the tissues of experimental animals in vivo by the means of optical methods. The diffusion of QD in extracellular matrix, accumulation in different cell types, and penetration through the barriers of vessel walls, skin and placenta are analyzed. Main results show, that QD migration pathways in the body are distinct form the conventional organic drugs. QD are not transferred through the wall of most blood vessels and don‘t extravasate into the tissues. It can be used for imaging of blood vessels, angiogenesis and vessel damage research. It is shown, that QD diffusion in the tissues is limited by dense tissue fiber layers, e.g. basement membrane, and it retains QD from passage to epidermis, hair follicles, dermal glands, nerves and muscle cells. These results can be used to explore the mechanisms of biological barriers, contribute to the estimation of QD safety and expand the application areas of QD in biomedicine. / Nanodalelės jau taikomos komerciniuose produktuose ir diegiamos į naujus diagnostikos bei gydymo metodus. Nepaisant to, jų prasiskverbimas per apsauginius organizmo barjerus, lokalizacija organizme, pasišalinimo savybės ir ilgalaikio susikaupimo rizika nėra pakankamai ištirtos. Šios žinios reikalingos tiek naujų medicinos priemonių kūrimui, tiek ir toksikologiniam produktų įvertinimui. Darbe optiniais metodais buvo tiriama puslaidininkinių nanodalelių – CdSe/ZnS-mPEG kvantinių taškų (KT) – migracija eksperimentinių gyvūnų audiniuose in vivo, įvedant juos skirtingais būdais į organizmą. Disertacijoje nagrinėjamas KT judėjimas audinių tarpląstelinėje terpėje, jų kaupimasis skirtingose ląstelėse, prasiskverbimas per kraujagyslių, odos bei placentos barjerus. Rezultatai rodo, kad KT migruoja organizme kitaip nei daugelis medicinoje taikomų organinių junginių. Į kraujotaką patekę neprasiskverbia per daugumos kraujagyslių sienelę ir nesikaupia atitinkamuose audiniuose. Tai sudaro sąlygas naudoti KT kraujotakos vaizdinimui, angiogenezės bei kraujagyslių pažaidų tyrimuose. Parodyta, kad KT audiniuose sulaikomi tankių skaidulinių pluoštų, pvz., bazinės membranos, ir tai sąlygoja jų nepatekimą į plaukų folikulus, prakaito bei riebalų liaukas, periferinius nervus, raumenines skaidulas. Tikimasi, kad šie rezultatai padės aiškintis KT pernašos per biologinius barjerus mechanizmus, leis tiksliau įvertinti jų taikymo saugumą bei praplės KT panaudojimo biomedicinoje galimybes.

Tyrimų tikslas – naudojant kvantinius taškus (KT), kaip tinkamų vaistų pernašai biosuderinamų nanodalelių modelį, in vitro nustatyti bendrus tikslingai nemodifikuotų nanodalelių patekimo į ląsteles ir lokalizacijos jose dėsningumus. Spektroskopiniais metodais ištyrus KT patekimo į ląsteles laikinę dinamiką nustatyta, kad neigiamo krūvio apvalkalo KT patekimo į ląsteles procesą galima suskirstyti į tris etapus, tačiau šie kaupimosi etapai skirtingose ląstelių kultūrose yra nevienodos trukmės. Konfokalinės fluorescencijos mikroskopijos metodu ištyrus neigiamo paviršiaus krūvio KT patekimo į ląsteles procesą, pagal viduląstelinį KT pasiskirstymą ir susiformavusių pūslelių tipus, galima suskirstyti į keturias fazes. Naudojant fluorescencijos gyvavimo trukmės vaizdinimo mikroskopijos metodą užregistruotas nuo endosomų brandos priklausantis viduląstelinių vezikulių vidinės struktūros heterogeniškumas. Skirtingos brandos endosomos gali būti apibūdinamos ir vaizdinamos remiantis jose sukauptų KT savitomis fotoliuminescencijos gyvavimo trukmėmis. Skirtingais fizikiniais ir biocheminiais metodais nustatyta, kad difuzijos būdu KT per ląstelės membraną neprasiskverbia, bet į ląsteles patenka endocitozės būdu. Nepadengti baltymais neigiamo paviršiaus krūvio KT į ląsteles patenka tik vienu nuo kaveolino priklausančiu endocitozės keliu. KT, kaip modelinių diagnostinių priemonių, ir antivėžinio preparato bendras panaudojimas in vitro atskleidė, kad KT, nesukeldami toksinio poveikio ląstelių... [toliau žr. visą tekstą] / The overall aim of the study is to identify the general rules for intracellular uptake and localisation of non-targeted nanoparticles by employing colloid quantum dots (QDs) as a model of biocompatible nanoparticle-based drug carriers. The investigation of intracellular uptake of non-targeted negatively charged QDs with fluorescence spectroscopy method revealed three time-related accumulation stages, which are characteristic for all investigated cell lines, but the stages were of different timing for each of the investigated cell line. The confocal fluorescence microscopy imaging showed four intracellular accumulation phases of QDs based on type and localisation of formed vesicles. The fluorescence lifetime imaging microscopy revealed the inner heterogeneity of intracellular vesicles: the endosomes at particular stage of maturity can be identified by different photoluminescence lifetimes of accumulated QDs. QDs do not penetrate plasma membranes through passive diffusion, but enter a cell through endocytosis. Negatively charged QDs without protein corona enter the cells through the single, caveolin-dependent endocytic pathway. Examination of the possibility to combine QDs, as model diagnostic probes, with anticancer agent in vitro revealed, that despite QDs alone had no cytotoxic effects on cells viability, they increased drug resistance. Therefore, this effect needs profound further research before the application of quantum dots in combined diagnosis and therapy in vivo.

The overall aim of the study is to identify the general rules for intracellular uptake and localisation of non-targeted nanoparticles by employing colloid quantum dots (QDs) as a model of biocompatible nanoparticle-based drug carriers. The investigation of intracellular uptake of non-targeted negatively charged QDs with fluorescence spectroscopy method revealed three time-related accumulation stages, which are characteristic for all investigated cell lines, but the stages were of different timing for each of the investigated cell line. The confocal fluorescence microscopy imaging showed four intracellular accumulation phases of QDs based on type and localisation of formed vesicles. The fluorescence lifetime imaging microscopy revealed the inner heterogeneity of intracellular vesicles: the endosomes at particular stage of maturity can be identified by different photoluminescence lifetimes of accumulated QDs. QDs do not penetrate plasma membranes through passive diffusion, but enter a cell through endocytosis. Negatively charged QDs without protein corona enter the cells through the single, caveolin-dependent endocytic pathway. Examination of the possibility to combine QDs, as model diagnostic probes, with anticancer agent in vitro revealed, that despite QDs alone had no cytotoxic effects on cells viability, they increased drug resistance. Therefore, this effect needs profound further research before the application of quantum dots in combined diagnosis and therapy in vivo. / Tyrimų tikslas – naudojant kvantinius taškus (KT), kaip tinkamų vaistų pernašai biosuderinamų nanodalelių modelį, in vitro nustatyti bendrus tikslingai nemodifikuotų nanodalelių patekimo į ląsteles ir lokalizacijos jose dėsningumus. Spektroskopiniais metodais ištyrus KT patekimo į ląsteles laikinę dinamiką nustatyta, kad neigiamo krūvio apvalkalo KT patekimo į ląsteles procesą galima suskirstyti į tris etapus, tačiau šie kaupimosi etapai skirtingose ląstelių kultūrose yra nevienodos trukmės. Konfokalinės fluorescencijos mikroskopijos metodu ištyrus neigiamo paviršiaus krūvio KT patekimo į ląsteles procesą, pagal viduląstelinį KT pasiskirstymą ir susiformavusių pūslelių tipus, galima suskirstyti į keturias fazes. Naudojant fluorescencijos gyvavimo trukmės vaizdinimo mikroskopijos metodą užregistruotas nuo endosomų brandos priklausantis viduląstelinių vezikulių vidinės struktūros heterogeniškumas. Skirtingos brandos endosomos gali būti apibūdinamos ir vaizdinamos remiantis jose sukauptų KT savitomis fotoliuminescencijos gyvavimo trukmėmis. Skirtingais fizikiniais ir biocheminiais metodais nustatyta, kad difuzijos būdu KT per ląstelės membraną neprasiskverbia, bet į ląsteles patenka endocitozės būdu. Nepadengti baltymais neigiamo paviršiaus krūvio KT į ląsteles patenka tik vienu nuo kaveolino priklausančiu endocitozės keliu. KT, kaip modelinių diagnostinių priemonių, ir antivėžinio preparato bendras panaudojimas in vitro atskleidė, kad KT, nesukeldami toksinio poveikio ląstelių... [toliau žr. visą tekstą]

Emerging evidence has shown that the capacity of a tumor to grow and propagate is dependent on a small subset of cells, termed “cancer stem cells“. Conventional treatments, however, may miss the cancer stem cells, which have been shown in several tumor types to be more resistant to standard chemotherapeutic agents, because the cancer stem cell survives and regenerates the neoplasm. The aim of this study was to investigate the applicability of quantum dots in detection and eradication of cancer stem cells. The properties of stem cells were inestigated in breast, pancreatic, ovarian cancer and melanoma cells. The accumulation and distribution of quantum dots was assessed by the means of laser scanning confocal and fluorescence lifetime imaging microscopy. It was shown, that anti-CD44 and quantum dot conjugates are internalized selectively inside CD44+ cells, while anti-CD44 and organic dye FITC conjugates remained attached to cell membrane for at least 24 hours. Moreover, the complex of quantum dot (QD) and photosensitizer chlorin e6 (Ce6) accumulates inside cells and initiate cell death upon QD-directed exposure of 470 nm irradiation. These results show the capability of quantum dots not only to detect and internalize stem-like cells but also to carry the therapeutic agent inside cells without losing its activity. / Pastaruoju metu vis gausėja įrodymų apie vėžyje esančią nedidelę subpopuliaciją, pavadintą „vėžio kamieninėmis ląstelėmis“. Teigiama, jog būtent vėžio kamieninės ląstelės yra atsakingos už naviko formavimą, atsparumą taikomai terapijai bei metastazių formavimą. Šio darbo tyrimo tikslas – ištirti nanodarinių pritaikymo galimybes vėžinių kamieninių ląstelių aptikimui ir sunaikinimui. Darbe buvo ištirtos krūties, kasos, kiaušidžių vėžio ir melanomos ląstelių savybės, pagal literatūroje nurodytą vėžio kamieninių ląstelių aptikimo metodiką. Panaudojant lazerinę skenuojančią konfokalinę ir gyvavimo trukmių vaizdinimo mikroskopiją buvo įvertintas kvantinių taškų, kaip galimų diagnostiką ir terapiją atliekančių nanodarinių kaupimosi ir lokalizacijos ląstelėse tyrimai. Buvo parodyta, jog antikūnais prieš paviršiaus antigeną CD44 padengti kvantiniai taškai selektyviai pateko tik į CD44+ fenotipo ląstelių vidų. Anti-CD44-FITC konjugatai taip pat selektyviai žymėjo norimas ląsteles, tačiau net po 24 valandų nepateko į ląstelių vidų. Taip pat buvo parodyta, jog kvantinio taško (KT) ir sensibilizatoriaus chlorino e6 (Ce6) nanodarinys lokalizuojasi ląstelių viduje pūslelėse ir sukelia ląstelių žūtį tik toms ląstelėms, kurioms pritaikytas apjungtas KT-Ce6 komplekso ir 470 nm spinduliuotės poveikis. Tokie rezultatai parodo, jog galima kvantinį tašką ne tik selektyviai nukreipti į norimas ląsteles, bet taip pat ir įnešti į jų vidų, neprarandant terapinės molekulės aktyvumo.

Pastaruoju metu vis gausėja įrodymų apie vėžyje esančią nedidelę subpopuliaciją, pavadintą „vėžio kamieninėmis ląstelėmis“. Teigiama, jog būtent vėžio kamieninės ląstelės yra atsakingos už naviko formavimą, atsparumą taikomai terapijai bei metastazių formavimą. Šio darbo tyrimo tikslas – ištirti nanodarinių pritaikymo galimybes vėžinių kamieninių ląstelių aptikimui ir sunaikinimui. Darbe buvo ištirtos krūties, kasos, kiaušidžių vėžio ir melanomos ląstelių savybės, pagal literatūroje nurodytą vėžio kamieninių ląstelių aptikimo metodiką. Panaudojant lazerinę skenuojančią konfokalinę ir gyvavimo trukmių vaizdinimo mikroskopiją buvo įvertintas kvantinių taškų, kaip galimų diagnostiką ir terapiją atliekančių nanodarinių kaupimosi ir lokalizacijos ląstelėse tyrimai. Buvo parodyta, jog antikūnais prieš paviršiaus antigeną CD44 padengti kvantiniai taškai selektyviai pateko tik į CD44+ fenotipo ląstelių vidų. Anti-CD44-FITC konjugatai taip pat selektyviai žymėjo norimas ląsteles, tačiau net po 24 valandų nepateko į ląstelių vidų. Taip pat buvo parodyta, jog kvantinio taško (KT) ir sensibilizatoriaus chlorino e6 (Ce6) nanodarinys lokalizuojasi ląstelių viduje pūslelėse ir sukelia ląstelių žūtį tik toms ląstelėms, kurioms pritaikytas apjungtas KT-Ce6 komplekso ir 470 nm spinduliuotės poveikis. Tokie rezultatai parodo, jog galima kvantinį tašką ne tik selektyviai nukreipti į norimas ląsteles, bet taip pat ir įnešti į jų vidų, neprarandant terapinės molekulės aktyvumo. / Emerging evidence has shown that the capacity of a tumor to grow and propagate is dependent on a small subset of cells, termed “cancer stem cells“. Conventional treatments, however, may miss the cancer stem cells, which have been shown in several tumor types to be more resistant to standard chemotherapeutic agents, because the cancer stem cell survives and regenerates the neoplasm. The aim of this study was to investigate the applicability of quantum dots in detection and eradication of cancer stem cells. The properties of stem cells were inestigated in breast, pancreatic, ovarian cancer and melanoma cells. The accumulation and distribution of quantum dots was assessed by the means of laser scanning confocal and fluorescence lifetime imaging microscopy. It was shown, that anti-CD44 and quantum dot conjugates are internalized selectively inside CD44+ cells, while anti-CD44 and organic dye FITC conjugates remained attached to cell membrane for at least 24 hours. Moreover, the complex of quantum dot (QD) and photosensitizer chlorin e6 (Ce6) accumulates inside cells and initiate cell death upon QD-directed exposure of 470 nm irradiation. These results show the capability of quantum dots not only to detect and internalize stem-like cells but also to carry the therapeutic agent inside cells without losing its activity.

Saviformuojantys puslaidininkiniai kvantiniai taškai (quantum dots, QDs), kurių charakteringos elektronų subjuostinių (intraband) šuolių energijos yra infraraudonajame spektriniame ruože (3–25 μm), sudaro daugelio fotojutiklių aktyviąją terpę ir yra aktualūs taikymams šiuolaikinėje optoelektronikoje. Disertacijoje nagrinėjami molekulinio pluoštelio epitaksijos būdu užauginti: -- InAs kvantiniai taškai, įterpti į GaAs matricą ir GaAs/AlAs supergardelę; -- InAs kvantiniai taškai be ir su įtempimus sumažinančiuoju InGaAs sluoksniu, įterpti į kompozitinę GaAs/AlAs kvantinę duobę; -- skirtingo aukščio koloniniai InGaAs kvantiniai taškai arba kvantiniai strypeliai (quantum rods, QRs), apsupti dvimačiu InGaAs sluoksniu, ir užauginti naudojant arba As2, arba As4 šaltinį. Taikant moduliacinę atspindžio spektroskopiją ir fotoliuminescenciją, buvo ištirtos šių darinių optinės savybės bei jų elektroninė sandara, o taip pat atskleista auginimo sąlygų įtaka darinių struktūrai. Eksperimentiniai tyrimai buvo interpretuojami atliekant teorinį modeliavimą skaitmeniniu (nextnano3 programa) bei analitiniu (sukurtas algoritmas) metodais. / Self-assembled InAs quantum dots (QDs), whose intersublevel transition energies lie in the mid- and far-infrared spectral range (3–25μm), have attracted particular interest as active elements of infrared photodetectors. This interest is mainly due to intriguing atomic-like quantum confinement and unique optical and electronic properties of QDs. Moreover, QD electronic structure can be adjusted by varying the dots size and shape or their environment. These features make QDs to be of importance in creation of photoelectronic devices with a desired spectral range. The dissertation is concerned specifically with molecular beam epitaxy grown InGaAs QD structures with: -- InAs QD stacks embedded in GaAs matrix and GaAs/AlAs superlattice (SL), or alternatively InAs/GaAs QD-SL structures with and without AlAs barriers between the dot layers; -- InAs QDs with and without InGaAs strain-reducing layers, embedded within GaAs/AlAs quantum wells; -- columnar InGaAs QDs, also referred to as quantum rods (QRs) or quantum posts, of different morphology. (The quantum confined structure consists of vertically oriented InGaAs QRs immersed in a two-dimensional InGaAs layer). These QD structures were studied by modulated reflectance and photo- luminescence spectroscopies to reveal their optical properties and the full- extent of electronic structure. Experimental data were interpreted by numerical (nextnano3 software) and analytical (algorithm developed) modelling.