Please use this identifier to cite or link to this item:
Title: Gold nanoparticles as contrast agents in X-Ray imaging
Other Titles: Μελέτη νανοσωματιδίων χρυσού ως σκιαγραφικά μέσα σε απεικονίσεις με ακτίνες Χ
Authors: Κάιτατζη, Χριστίνα Συμίνα
Keywords: Contrast-agent
Keywords (translated): Σκιαγραφικό
Abstract: The goal of this study is to demonstrate in an analytical and complete way the theory, applications, limitations and broad potential, of gold nanoparticles (AuNPs) in diagnostic imaging with X-Rays, both on a theory and experimental approach. The x-ray attenuation of a contrast agent is dependent on the atomic number, bulk density, x-ray source energy spectrum and presence of x-ray absorption edges. Gold nanoparticles (AuNPs) have gained attention as an x-ray contrast agent because gold has a high density and a high atomic number. Generally, gold nanoparticles exhibiting a high x-ray attenuation, nontoxicity, biocompatibility, and facile synthesis and surface functionalization for colloidal stability and targeted drug delivery due to their physicochemical and optical properties. This study summarizes the current state of knowledge for AuNP x-ray contrast agents at preclinical level. Four experiments are presented here with commercial and experimental samples of gold nanoparticles, for quantification and for in vivo verification of the obtained results. A combination of computed tomography (CT), (X-CUBE™ Molecubes BE), and a prototype benchtop system for planar X-ray imaging is used. Commercial GNPs (AuroVist™ 15 nm Nanoprobes) of different concentrations (0.01-200 mg GNPs/ml) were studied and compared to standard iodine solutions at the preclinical level (30-80 kVp). The image contrast was quantified through Contrast to Noise Ratio (CNR) for planar imaging and through Hounsfield Units for CT imaging. It was found that CNR slightly increased with higher energies with the best contrast at 40 kVp, thus confirming the optimal energy for x-ray imaging of GNPs at preclinical energies. The quantification study with experimental GNPs was performed on CT with the aim to test their suitability for contrast induction in in vivo studies. The results confirmed that these candidate NPs induced an efficient CT contrast and appropriate dosages were established. The in vivo imaging study was performed on, computed tomography (CT) XCUBE™ system (Molecubes BE) and the images were quantified to provide the contrast-induced by the NPs in Hounsfield Units (HUs). Appropriate dosages were confirmed in vivo for both experimental and commercial GNPs. To sum up, this study demonstrates that gold nanoparticles can be used as an excellent X-ray contrast agent because of their properties that overcome some significant limitations of other contrast agents used at the clinical level. The cost remains a serious limitation for clinical use but the advantages of gold are many. In addition to conventional medical applications such as contrast enhancement, various novel research areas have been developed and are expected to be further developed through AuNP-based -technologies such as cancer therapy, sensing, and drug delivery.
Abstract (translated): Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των νανοσωματιδίων στην απεικόνιση με ακτίνες χ τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Στην εργασία παρουσιάζονται με αναλυτικό και ολοκληρωμένο τρόπο η θεωρία , οι εφαρμογές, οι περιορισμοί και οι ευρείες δυνατότητες των νανοσωματιδίων χρυσού (AuNPs). Η εξασθένιση των ακτίνων Χ ενός σκιαγραφικού μέσου αντίθεσης εξαρτάται από τον ατομικό του αριθμό, από την πυκνότητα του υλικού, την ενέργεια των φωτονίων και από τις κορυφές απορρόφησης (K-edge). Τα νανοσωματίδια χρυσού (AuNPs) έχουν κερδίσει την προσοχή των ερευνητών με σκοπό την χρήση τους ως σκιαγραφικά μέσα αντίθεσης ακτίνων Χ επειδή ο χρυσός έχει υψηλή πυκνότητα και υψηλό ατομικό αριθμό. Γενικά, τα νανοσωματίδια Χρυσού προκαλούν υψηλή εξασθένιση των ακτίνων Χ ενώ παράλληλα παρουσιάζουν μη τοξικότητα, βιοσυμβατότητα, εύκολη τροποποίηση-λειτουργικότητα επιφάνειας που παρέχει κολλοειδή σταθερότητα και στοχευμένη απελευθέρωση φαρμάκων λόγω των φυσικοχημικών και οπτικών τους ιδιοτήτων. Στην παρούσα εργασία συνοψίζεται η μέχρι τώρα γνώση των νανοσωματιδίων χρυσού ως σκιαγραφικά μέσα σε προ κλινικό επίπεδο. Διεξήχθησαν τέσσερα σε αριθμό πειράματα όπου χρησιμοποιήθηκαν εμπορικά και πειραματικά δείγματα νανοσωματιδίων χρυσού, με σκοπό την ποσοτικοποίηση και την in vivo επαλήθευση των ληφθέντων αποτελεσμάτων. Στις παραπάνω μελέτες χρησιμοποιήθηκε συνδυασμός τεχνικών απεικόνισης όπως η αξονική υπολογιστική τομογραφία (CT), (X-CUBE™ system (Molecubes BE), και ένα πρωτότυπο σύστημα για δισδιάστατη απεικόνιση. Τα εμπορικά νανοσωματίδια χρυσού (AuroVist ™ 15 nm Nanoprobes) μελετήθηκαν σε διαφορετικές συγκεντρώσεις (0,01-200 mg GNPs/ ml) και συγκρίθηκαν με πρότυπα διαλύματα ιωδίου σε προ κλινικό επίπεδο (30-80 kVp). Η αντίθεση της εικόνας ποσοτικοποιήθηκε μέσω του λόγου αντίθεσης προς θόρυβο (CNR) για την δισδιάστατη απεικόνιση και μέσω μονάδων Hounsfield για την CT απεικόνιση. Διαπιστώθηκε ότι το CNR αυξάνεται ελαφρώς με την αύξηση της ενέργειας με την καλύτερη αντίθεση να παρατηρείται στα 40 kVp, επιβεβαιώνοντας έτσι τη βέλτιστη ενέργεια για απεικόνιση ακτίνων Χ των νανοσωματιδίων χρυσού σε προ κλινικές ενέργειες. Η μελέτη ποσοτικοποίησης με πειραματικά δείγματα νανοσωματιδίων χρυσού πραγματοποιήθηκε σε CT και ο στόχος αυτής της μελέτης ήταν να ελεγχθεί η καταλληλότητά τους για in vivo μελέτες αντίθεσης. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν ότι αυτά τα υποψήφια NPs προκάλεσαν αποτελεσματική αντίθεση CT, και δημιουργήθηκαν κατάλληλες δοσολογίες. Η in vivo μελέτη απεικόνισης διεξήχθη σε σύστημα αξονικής τομογραφίας (CT), XCUBE ™ (Molecubes BE). Οι εικόνες ποσοτικοποιήθηκαν για να παρέχουν την iv προκαλούμενη αντίθεση από τα NPs σε μονάδες Hounsfield (HUs). Οι κατάλληλες δόσεις επιβεβαιώθηκαν in vivo τόσο για πειραματικά όσο και για εμπορικά νανοσωματίδια Χρυσού. Συνοψίζοντας, η μελέτη αυτή έδειξε ότι τα νανοσωματίδια χρυσού μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εξαιρετικά σκιαγραφικά μέσα αντίθεσης ακτίνων Χ εξαιτίας των ιδιοτήτων τους ξεπερνώντας ορισμένους σημαντικούς περιορισμούς άλλων σκιαγραφικών που χρησιμοποιούνται σε κλινικό επίπεδο. Το κόστος παραμένει ένας σοβαρός περιορισμός για κλινική χρήση, αλλά τα πλεονεκτήματα του χρυσού είναι πολλά. Για παράδειγμα, εκτός από τις συμβατικές ιατρικές εφαρμογές όπως η ενίσχυση της αντίθεσης, έχουν αναπτυχθεί διάφοροι νέοι ερευνητικοί τομείς και αναμένεται να αναπτυχθούν περαιτέρω μέσω τεχνολογιών βασισμένων στα νανοσωματίδια χρυσού όπως η θεραπεία του καρκίνου, η ανίχνευση και η στοχευμένη απελευθέρωση φαρμάκων.
Appears in Collections:Τμήμα Ιατρικής (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
MSc_Thesis.pdf3.17 MBAdobe PDFView/Open

This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons