Nanosensors quantifying the role of labile zinc on metastasis

Abstract

This thesis focuses on developing surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS)-based nanosensors for real-time quantification of labile zinc in cancer cells and investigating the relationship between zinc dyshomeostasis and cancer metastasis. Zinc nanosensors were synthesized by modifying hollow plasmonic silica nanocapsules with a zinc-chelating Raman probe (2,2':6',2''-Terpyridine-4'-thiol), achieving ultrasensitive detection with a limit of detection as low as 10-12.77 M. The nanosensors were validated in various biological systems and Calibration curves were established using peak intensity ratios, area under the curve ratios, and partial least squares modelling, which ensured high accuracy and selectivity while minimizing interference from other cations. To enhance sensor performance, the plasmonic properties of the nanosensors were optimized by increasing the plasmonic surface area. Density functional theory was employed to interpret the nanosensor’s Raman signals, clarifying the interactions between zinc ions and 2,2':6',2''-Terpyridine-4'-thiol molecules and also confirming the bind ratio of complex (probe: zinc= 2:1). Chemometric analysis, particularly partial least squares modelling, further optimized nanosensor performance by analyzing the entire spectrum of Raman probe, we could distinguish zinc-specific interactions. This modelling was trained to recognize these unique features to improving accuracy and selectivity while minimizing interference from other cations. The optimized nanosensors, combined with partial least square modelling, quantified intracellular labile zinc levels in breast cancer cell lines with different metastatic potentials. The results indicated the intracellular zinc values of MDA 10-6.25, LM2 10-8.01 and BrM2 10-6.93 M were causing an increase in the cell proliferation, migration and invasiveness. These findings demonstrate that zinc dyshomeostasis plays a critical role in metastasis and highlight the potential of SERS-based nanosensors as precise diagnostic tools for real-time zinc monitoring in complex biological environments.

Esta tesis se centra en el desarrollo de nanosensores basados en espectroscopia Raman mejorada por superficie (SERS) para la cuantificación en tiempo real de zinc lábil en células cancerosas y la investigación de la relación entre la desregulación del zinc y la metástasis del cáncer. Se sintetizaron nanosensores de zinc modificando nanocápsulas de sílice plasmónica huecas con una sonda Raman quelante de zinc (2,2':6',2''-Terpiridina-4'-Tiol), logrando una detección ultrasensible con un límite de detección tan bajo como 10-12.77 M. Los nanosensores fueron validados en varios sistemas biológicos y se establecieron curvas de calibración utilizando las proporciones de intensidad de picos, las áreas bajo la curva y el modelado de mínimos cuadrados parciales (PLS, por sus siglas en inglés), lo que garantizó una alta precisión y selectividad mientras se minimizaba la interferencia de otros cationes. Para mejorar el rendimiento del sensor, se optimizaron las propiedades plasmónicas de los nanosensores incrementando el área de superficie plasmónica. Se empleó la teoría del funcional de la densidad para interpretar las señales Raman del nanosensor, aclarando las interacciones entre los iones de zinc y las moléculas de 2,2':6',2''-Terpiridina-4'-Tiol, y confirmando también la proporción de enlace del complejo (sonda:zinc = 2:1). El análisis quimiométrico, en particular el modelado de mínimos cuadrados parciales, optimizó aún más el rendimiento del nanosensor al analizar el espectro completo de la sonda Raman, lo que permitió distinguir interacciones específicas del zinc. Este modelo fue entrenado para reconocer estas características únicas, mejorando la precisión y selectividad mientras se minimizaba la interferencia de otros cationes. Los nanosensores optimizados, combinados con el modelado de mínimos cuadrados parciales, cuantificaron los niveles intracelulares de zinc lábil en líneas celulares de cáncer de mama con diferentes potenciales metastásicos. Los resultados indicaron que los valores intracelulares de zinc en células metastásicas MDA 10-6.25, LM2 10-8.01 y BrM2 10-6.93 M estaban provocando un aumento en la proliferación, migración e invasividad celular. Estos hallazgos demuestran que la desregulación del zinc desempeña un papel crítico en la metástasis y destacan el potencial de los nanosensores basados en SERS como herramientas de diagnóstico precisas para la monitorización en tiempo real del zinc en entornos biológicos complejos.