Photoluminescence-based characterization of bioengineered nanovesicles and erbium emitters

QC 2024-01-08

Abstract

Under de senaste årtiondena har fotoluminescens-egenskaper hos enskilda molekyler och joner öppnat nya möjligheter till studier på mindre storleksskalor, under ljusdiffraktionsgränsen. I den här avhandlingen utnyttjades och studerades fördelarna med sådana enskilda foton-källor främst inom biofysik, men också för undersökningar inom fasta tillståndets fotonik. Det första aspekten omfattade studier av extracellulära vesiklar (EVs) och nanovesiklar, genererade från röda blodkroppars (RBC) membran, och utformade för applikationer rörande leverans av läkemedel i kroppen. De RBC-genererade vesiklarna uppvisade hög biokompatibilitet och låg immunogenicitet och erbjöd en överlägsen uppskalbarhet för produktion jämfört med fysiologiska EVs. Emellertid måste noggranna fysiska karakteriseringar av sådana nanovesiklar ännu utvecklas. Sådana undersökningar är nödvändiga för att i förlängningen kunna använda denna typ av vesiklar klinikst, för terapeutiska och diagnostiska ändamål. Inledningsvis undersöktes morfologin och storleksstabiliteten hos vesiklarna genom atomkraftsmikroskopi och dynamisk ljusspridning. Dessa studier visade på storleksheterogenitet och agglomereringstendenser hos vesiklarna. Jämförande studier av fysiologiska EVs avslöjade deras förhållandevis högre storleksstabilitet, medan RBC-producerade vesiklar uppvisade reversibla agglomerationer i omkring 50 % av fallen. För det andra utvecklades en experimentell analysmetod med tvåfärgs-avläsning av sammanfallande fluorescens-signaler (DC-CFB). Metoden användes sedan för att karakterisera och profilera molekylupptaget hos de bioteknologiskt framtagna nanovesiklarna. Därmed var det möjligt att hantera vesiklarnas ringa storlek (under diffraktionsgränsen), deras inneboende heterogenitet och närvaron av fria, icke-inkapslade molekyler. Den utvecklade metoden tillämpades därefter för att utforska upptaget i vesiklarna av relativt små nukleotider (dUTP) såväl som av större antikroppsmolekyl (Ab), motiverat utifrån en möjlig framtida användning av sådana EVs och EV-mimetiska vesiklar som nanobärare av terapeutiska läkemedel. Studierna visade genomgående genomsnittliga upptag runt 14-20 % för båda molekyl-typerna (dUTP och Ab), i både EVs och i de RBC-tillverkade vesiklarna. Dessutom möjliggjorde DC-CFB-tekniken analyser på enstaka-vesikel och enstaka-molekylnivå, av antalet upptagna molekyler inuti varje vesikel i förhållande till dess storlek. I genomsnitt var detta antal större än två för de båda upptagna molekyl-typerna. Sammantaget gav de utvecklade teknikerna, baserade på detektion av enstaka fluorescens--fotoner, en omfattande bedömning av kapaciteten för läkemedelsupptag hos nanovesiklar. Bioteknologiska nanotransportörer av detta slag har en betydande potential för farmaceutiska tillämpningar. Den sista delen av avhandlingen undersöker området för fasta tillståndets on-chip-fotonemitterare. Mer specifikt undersöks integrationen av erbiumjoner, som uppvisar fotoluminescerande emission i telekommunikations-C-bandet, i tunnfilmer av litiumniobat (TFLN) vågledare. En Er-jonimplanteringsprocess som är kompatibel med integrerade optiska kretsar I x-delat TFLN utvecklades och erbiums fotoluminescensegenskaper undersöktes i förhållande till temperaturen. Dessa inledande studier utgör en grund för framtida integration av enskilda fotonemitterare av Er i TFLN-baserade fotoniska komponenter.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-341884