From cells to tissues, microscopy to modeling: towards precise, data-driven photothermal therapy with gold nanorods

Abstract

Suspensions of gold nanorods (GNRs) are emerging as potential drugs to address some of the limitations in traditional biomedical sensing,imaging and therapy. They are inorganic nanoparticles with good biocompatibility, with established protocols for flexible surface functionalization, with scalable production methods and with tunable light absorption. Of particular relevance for this thesis work, GNRs turn into efficient nano-sources of heat when illuminated at the wavelength of their maximum absorption peak, which is due to their longitudinal surface plasmon resonance (LSPR). This property has been exploited, for instance, in plasmonic photothermal therapy (PPTT) to produce controllable and localized cellular death. Nevertheless, the introduction of PPTT in the clinics has been slow owing to the complexity of its implementation involving biochemistry and physics across multiple scales and disciplines. Therefore, this work aimed at developing a set of tools capable to study, control and optimize the different mechanisms involved in PPTT, ranging from experiments on cell cultures to small animal models. By carrying out a systematic study with ten different types of GNRs in suspension. I have delimited the optimal shape and surface chemistry of GNRs for PPTT in terms of heating generation efficiency, cellular internalization and cytotoxicity. I have measured their heat generation over time at different laser powers and concentrations, and compared it with simulations. I have studied their accumulation in vitro and in vivo by developing a protocol to use two-photon luminescence microscopy as a quantitative tool, validated it against the standard inductively coupled plasma mass spectroscopy, and observed their toxicity over time. Then, I have developed a hybrid platform to study different in vivo PPTT conditions with integrated therapeutic and monitoring modules. The therapeutic module controlled the irradiation area, power density and exposure time of the laser emitting at the LSPR of GNRs. The monitoring module combined thermal imaging and non-invasive diffuse optical spectroscopy, including diffuse correlation and diffuse reflectance spectroscopies. In the specific case of murine renal tumors, the results have shown the feasibility using the hybrid, diffuse optical hand-held system to monitor changes of in vivo physiology under different PPTT conditions. I have quantified and related the significant physiological changes to post-therapy tumor volume and histology measurements, which has been validated with Monte Carlo simulations of photon propagation in tissues coupled to the three-dimensional solutions of the bioheat equation. With this work, I have laid the foundations towards personalized plasmonic photothermal therapy research on animals and its potential translation to humans.

Les suspensions de nanocilindres d'or (GNRs, de gold nanorods en anglès) s'utilitzen en biomedicina com a fàrmac per ajudar a superar certes limitacions en els camp de la detecció, imatge i terapia. Els GNRs són nanopartícules inorgàniques dotades de bona compatibilitat biològica, amb protocols de funcionalització superficial establerts, de producció escalable i amb capacitat d'absorbir llum làser en un gran rang de longituds d'ona. En particular, els GNRs són magnífiques nano-fonts de calor quan s'irradien amb llum làser en la longitud d'ona amb màxima absorció, anomenada ressonància plasmònica (LSPR, de longitudinal surface plasmon resonance en anglès).Aquesta propietat s'ha utilitzat, per exemple, en teràpia plasmònica fototèrmica (PPTT, de plasmonic photothermal therapy en anglès) per produir mort cel·lular de forma controlada i localitzada. No obstant, la introducció de PPTT als hospitals ha sigut lenta degut a la seva complexitat a nivell bioquímic i fìsic, on hi ha implicades diferents escales i disciplines. En aquesta tesi s'explica com s'han desenvolupat un conjunt d'eines utilitzades per estudiar, optimitzar i controlar els diferents mecanismes de la PPTT, des del nivell cel·lular fins a petits animals de laboratori. A travèes d'un seguit d'estudis sistemàtics amb deu tipus de GNRs en suspensió, he delimitat la seva mida i química de superfície optima per la PPTT. He estudiat la generació de calor d'aquests GNRs sota diferents potències de làser i concentracions, i ho he comparat amb simulacions. Llavors, he estudiat la seva acumulació in vitro i in vivo tot desenvolupant un protocol per quanti_car imatges adquirides amb un microscopi de dos fotons, validat amb espectroscopia de massa de plasma induït, i quantificat la seva toxicitat en el temps. Llavors, he desenvolupat una plataforma híbrida que conté un mòdul terapèutic i un de monitorització per estudiar diferents condicions de PPTT in vivo. El mòdul terapèutic controla l'àrea d'irradiació, la densitat de potència i el temps d'exposició del làser terapèutic emetent en la LSPR dels GNRs. El mòdul de monitorització combina la imatge tèrmica amb l'espectroscopia no invasiva d'òptica difusa en un aparell en forma de bolígraf que inclou espectroscopia de correlacio difusa i espectroscopia de reectància difusa. En l'específic cas de ratolins amb xenografts ortotòpics de carcinoma de ronyó, els resultats mostren la utilitat del nostre sistema híbrid per monitoritzar els canvis fisiolòogics del tumor a diferents condicions de PPTT. He relacionat aquests canvis fisiològics durant la teràpia amb canvis post-teràpia, com són el volum tumoral i les mesures histològiques, i ho he validat amb simulacions 3D de Monte Carlo per determinar la propagació dels fotons en teixit, combinat amb l'equació de Penne per modelar els canvis fisiològics i el dany tissular. Amb aquesta tesi, he solidificat les bases cap a la teràpia plasmònica fototèrmica personalitzada en animals i he establert les bases per la seva translació en humans.