Puntos cuánticos como nanotermómetros luminiscentes: Hipertermia plasmónica controlada

Abstract

En la presente tesis doctoral se estudian puntos cuánticos de semiconductor como nanotermómetros, así como su aplicación en nanomedicina. Estas nanopartículas, como ya se mencionó anteriormente, han sido utilizadas ampliamente en la realización de bioimágenes.(Chan and Nie 1998, Michalet et al. 2005) Además, varios de los parámetros de su luminiscencia son sensibles a la temperatura en el rango fisiológico de temperaturas. Otra de sus características interesantes es su tamaño nanométrico, el cual permite una fácil incorporación en células. Asimismo, gracias a la intensa investigación en este campo en los últimos años, se han desarrollado tanto distintos tamaños como composiciones de estas nanopartículas, lo cual es altamente interesante para estudios comparativos. Cabe destacar que varios tipos de estas nanopartículas se encuentran de forma comercial. Para nuestro estudio hemos elegido puntos cuánticos de CdTe, ya que era posible disponer de una gran variedad de tamaños para realizar un estudio comparativo de sus propiedades. El otro material elegido para este estudio fue el CdSe, debido a que se trata de uno de los materiales constituyentes de puntos cuánticos de semiconductor más utilizado en aplicaciones biomédicas.(Alivisatos et al. 2005) En una segunda parte, se han probado los puntos cuánticos de semiconductor de CdSe como termómetros en células vivas sometidas a procesos de calentamiento celular por agentes externos. Seguidamente, en aras de conseguir un proceso de calentamiento celular controlado y más eficiente que el anteriormente utilizado, se estudia la eficiencia de calentamiento de distintas nanopartículas de oro. Estas nanopartículas, capaces de generar calor al ser iluminadas con luz, han sido ya utilizadas como agentes fototérmicos;(Jaque Garcia et al. 2014) Sin embargo, no existía un estudio comparativo de la dependencia geométrica de la eficiencia de calentamiento, como el que se realiza en esta tesis doctoral, en la que también se estudia la dependencia de la eficiencia de calentamiento de nano bastoncillos de oro con la longitud de onda de su plasmón de resonancia en la primera y en la segunda ventanas biológicas. Posteriormente, se estudiará la eficiencia de calentamiento de otro tipo de estructuras metálicas, los nanotubos de carbono, a diferentes longitudes de onda. Este tipo de nanoestructuras presentan tanto un coeficiente de absorción como una eficiencia de calentamiento prácticamente independientes de la longitud de onda. Tras ello, se comprobará la existencia de una longitud de onda óptima para conseguir una mayor selectividad y penetración en tejidos animales en terapias fototérmicas. Por último, se aplicarán tanto los nanotermómetros semiconductores de CdSe como los nano bastoncillos de oro en terapia fototérmica de células de cáncer de cuello de útero utilizando fuentes láser con longitudes de onda dentro de la primera ventana biológica.

In this thesis work, semiconductor quantum dots are studied as nanothermomethers for application in nanomedicine. These nanoparticles, as was discussed before, have been widely used in bioimaging(Chan and Nie 1998, Michalet et al. 2005) In addition, some of their luminescent properties are sensitive to temperature changes in the physiological temperature range. Another of their compelling features is their nanometric size, which allows for their intracellular incorporation. Besides, thanks to the intense research in this field in the past years, different sizes and compositions of these nanoparticles have been developed, which is really interesting for comparative studies. It is important to notice that some kinds of these nanoparticles are commercially available. For our study, we have chosen CdTe semiconductor quantum dots due to their great diversity of sizes, so that a comparative study of their properties could be performed. The other chosen material was CdSe, as it is the most widely used material in biomedical applications.(Alivisatos et al. 2005) In the second part of this thesis, CdSe quantum dots have been tested as intracellular nanothermometers during external heating processes. At that point, in order to accomplish a controlled and more efficient heating process, the heating efficiency of different gold nanoparticles is studied. This nanoparticles, capable of heat generation under illumination with light, have been extensively used as photothermal agents;(Jaque Garcia et al. 2014) Nevertheless, there was a lack of studies regarding the geometry dependence of the heating efficiency of different gold nanoparticles as the one carried out in this thesis. The dependence of the heating efficiency of gold nanorods with their plasmon resonance wavelength dependence in the first and second biological window is also studied. After that, the heating efficiency of another metallic structure, carbon nanotubes, is studied at different wavelengths. This kind of nanostructures presents a wavelength-independent absorption coefficient and also a wavelength-independent heating efficiency. Thereafter, the existence of an optimum wavelength to maximize selectivity and animal tissue penetration in photothermal therapies will be investigated. Finally, CdSe quantum dots nanothermometers and gold nanorods nanoheaters will be applied to photothermal therapy of cervical cancer cells using laser light at a wavelength lying in the first biological window