Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Hydrogenated nanodiamonds“

Nanodiamonds of detonation origin are promising delivery agents of anti-cancer therapeutic compounds in a whole organism like mouse, owing to their versatile surface chemistry and ultra-small 5 nm average primary size compatible with natural elimination routes. However, to date, little is known about tissue distribution, elimination pathways and efficacy of nanodiamonds-based therapy in mice. In this report, we studied the capacity of cationic hydrogenated detonation nanodiamonds to carry active small interfering RNA (siRNA) in a mice model of Ewing sarcoma, a bone cancer of young adults due in the vast majority to the EWS-FLI1 junction oncogene. Replacing hydrogen gas by its radioactive analog tritium gas led to the formation of labeled nanodiamonds and allowed us to investigate their distribution throughout mouse organs and their excretion in urine and feces. We also demonstrated that siRNA directed against EWS-FLI1 inhibited this oncogene expression in tumor xenografted on mice. This work is a significant step to establish cationic hydrogenated detonation nanodiamond as an effective agent for in vivo delivery of active siRNA.

Hydrogenated detonation nanodiamonds are of great interest for emerging applications in areas from biology and medicine to lubrication. Here, we compare the two main hydrogenation techniques—annealing in hydrogen and plasma-assisted hydrogenation—for the creation of detonation nanodiamonds with a hydrogen terminated surface from the same starting material. Synchrotron-based soft X-ray spectroscopy, infrared absorption spectroscopy, and electron energy loss spectroscopy were employed to quantify diamond and non-diamond carbon contents and determine the surface chemistries of all samples. Dynamic light scattering was used to study the particles’ colloidal properties in water. For the first time, steady-state and time-resolved fluorescence spectroscopy analysis at temperatures from room temperature down to 10 K was performed to investigate the particles’ fluorescence properties. Our results show that both hydrogenation techniques produce hydrogenated detonation nanodiamonds with overall similar physico-chemical and fluorescence properties.

Apart from the frequently used high-temperature annealing of detonation nanodiamonds (DNDs) in an inert environment, laser irradiation of DNDs in a liquid can be effectively used for onion-like carbon (OLC) formation. Here, we used fully de-aggregated hydrogenated DNDs (H-DNDs) dispersed in ethanol, which were irradiated for up to 60 min using a 532 nm NdYAG laser with an energy of 150 mJ in a pulse (5 J/cm2) at a pulse duration of 10 ns and a repetition rate of 10 Hz. We investigated the DND surface chemistry, zeta potential, and structure as a function of laser irradiation time. Infrared spectroscopy revealed a monotonical decrease in the C–Hx band intensities and an increase of the C–O and C=O features. Transmission electron microscopy (TEM) revealed the formation of OLC, as well as a gradual loss of nanoparticle character, with increasing irradiation time. Surprisingly, for samples irradiated up to 40 min, the typical and unchanged DND Raman spectrum was recovered after their annealing in air at 450 °C for 300 min. This finding indicates the inhomogeneous sp3 to sp2 carbon transformation during laser irradiation, as well as the insensitivity of DND Raman spectra to surface chemistry, size, and transient structural changes.

Parmi tous les nanomatériaux carbonés, les nanodiamants de détonation (NDs) possèdent des propriétés physico-chimiques exceptionnelles faisant d’eux un matériau idéal pour les applications en biologie. Aujourd’hui, la production industrielle permet de synthétiser des NDs ayant une taille de 5 nm comportant un cœur diamant et une enveloppe de surface possédant différentes terminaisons. La chimie de surface des NDs peut être modifiée par recuit ou par plasma donnant des NDs négativement ou positivement chargés en suspension dans l’eau. Notre équipe a récemment démontré des propriétés radiosensibilisantes des NDs hydrogénés par plasma (H-NDs) sur des lignées cellulaires cancéreuses radiorésistantes. Ces résultats prouvent leur aptitude thérapeutique comme agents radiosensibilisants. Cependant, les mécanismes impliqués dans cet effet ne sont pas bien compris. L’objectif principal de ce travail de thèse est d’étudier le comportement des NDs en suspension dans l’eau sous irradiation (rayons X et gamma) et de mesurer la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) en particulier les radicaux hydroxyles HO. Des expériences complémentaires ont permis de détecter la production d’électrons solvatés (eaq). La détection des radicaux HO et des électrons solvatés (eaq) a été réalisée en utilisant une sonde fluorescence, la 7 OH-coumarine, dans des atmosphères différentes (air and N2O/O2). Différentes chimies de surface ont été comparées (oxydée, hydrogénée, graphitisée en surface) préparées à partir de la même source de NDs. En parallèle, les propriétés colloïdales et la stabilité de ces NDs dans l’eau ont été étudiées à court et à long terme en fonction de leur chimie de surface. Une surproduction de radicaux HO a été mesurée pour les H-NDs hydrogénés par les deux méthodes et pour les NDs recuites sous vide à 750°C. De plus, une surproduction d’électrons solvatés a été mise en évidence pour les H-NDs. Ces résultats sont discutés en fonction de la chimie de surface, la stabilité colloïdale et les interactions spécifiques des molécules d’eau avec les NDs
Among all nanocarbons, detonation nanodiamonds (NDs) possess outstanding chemical and physical properties suitable for bio-applications. Well-controlled mass production provides NDs with a primary size of 5 nm made of a diamond-core and a shell-coating containing various surface terminations. Surface chemistry of NDs can be tuned via thermal or plasma treatments providing either positively or negatively charged NDs in water suspension. Our group recently showed that plasma hydrogenated NDs (H-NDs) behave a radiosensitizing effect on radioresistant cancer cell lines providing potential therapeutic abilities as radiosensitizing agents. Nevertheless, the mechanisms involved behind this effect are not currently well understood. The main goal of this PhD is to study the behaviour of NDs suspended in water under ionizing radiations (X-ray and Gamma) and to investigate the production of reactive oxygen species (ROS), in particular hydroxyl radicals (HO). Additional experiments allow to detect also produced solvated electrons (eaq). The detection of HO radicals and solvated electrons was realized in the presence of a fluorescence probe, the 7 OH-coumarin, under various atmospheres (air and N2O/O2). Starting from the same source of NDs, different surface chemistries were compared (oxidized, hydrogenated and surface graphitized). In parallel, colloidal properties and stability of these modified NDs in water with respect to their surface chemistry were investigated at short and long term. An overproduction of HO was observed for H-NDs for both hydrogenation methods and vacuum annealed NDs at 750°C. In addition, the production of solvated electrons was confirmed for H-NDs. These results were discussed taking into account the surface chemistry, the colloidal stability and specific interactions of water molecules with NDs

Ce travail de thèse s’inscrit dans un contexte d’explosion des nanoparticules et de leur très grand potentiel pour des applications en cancérologie. Ainsi, deux classes de nanoparticules ont été étudiées afin de valider et de caractériser biologiquement ce potentiel. Premièrement les Nanodiamants hydrogénés (H-NDs) dont l’interaction avec les photons de l’irradiation comme générateur de stress oxidatif était au cœur du postulat physico-chimique. Nous avons non seulement validé cette hypothèse dans plusieurs lignées cellulaires de cancer du rein et du sein notamment, insensibles aux doses d’irradiation étudiées ; mais également identifié la sénescence comme étant la voie activée par le double traitement H-NDs et irradiation. Les Solides hybrides poreux sont également des matériaux prometteurs grâce à leur haut pouvoir d’encapsulation de molécules actives. Nous avons ainsi démontré l’absence de toxicité de ces composés seuls dans quatre lignées de cancer du poumon et du foie, élément essentiel avant d’envisager leur utilisation, chargés avec des principes actifs. Enfin, à l’heure où la réglementation internationale encourage le développement et l’utilisation de modèles alternatifs à l’expérimentation animale, nous avons mis au point un modèle de culture tridimensionnelle d’adénocarcinome mucosécrétant de poumon. Il est utilisé pour l’étude de la progression tumorale ainsi que pour la découverte de nouvelles molécules de chimiothérapie
The present work focuses on nanoparticles and their great skills for oncology therapies. Two kinds of nanoparticles have been studied in order to biologically validate and characterize their features. The use of hydrogenated Nanodiamonds (H-NDs) as radio sensitizer is based on a physic-chemical postulate where they act as oxidative stress generator through interaction with irradiation. Thus we validated this hypothesis in radio resistant kidney and breast cancer cell lines and identify senescence as the main pathway after co-treatment with H-NDs and irradiation. Metal organic frameworks are also of particular interest for drug delivery because of their very important loading capacities. Here we demonstrate the biocompatibility of the empty compounds in four lung and hepatic cancer cell lines, a main point before their involvement in drug delivery strategies. Finally, following international guidelines encouraging to make animal testing more ethic, we developed a new 3D cell culture mimicking mucinous lung adenocarcinoma. This well characterized model will be used for the study of cancer development and drug screening

Grâce à leurs propriétés physicochimiques spécifiques, telles qu'une grande stabilité colloïdale dans les suspensions aqueuses et une surface chargée et réactive, les nanodiamants (NDs) sont des nanoparticules à fort potentiel pour des applications biomédicales. En outre, les travaux récents du laboratoire sur les effets biologiques des ND de 5nm ont permis de démontrer leur faible toxicité in vitro sur plusieurs lignées cellulaires humaines et murines. Les ND offrent donc un support très avantageux pour des applications thérapeutiques. L'objectif de ma thèse était d'évaluer l'utilisation de ces NDs en tant qu'outils pour le diagnostic et la thérapie clinique. Pour éviter toute toxicité induite par des agents chimiques lors de la fonctionnalisation, nous avons imaginé une nouvelle fonctionnalisation de surface des ND, au travers d'une forme hydrogénée des ND (H-ND), permettant ainsi une attaque nucléophile spontanée des biomolécules. Nous démontrons ainsi, qu'il est possible de réaliser une fonctionnalisation des NDs directement en suspension aqueuse, avec des acides nucléiques (AN) ou des protéines, chacun disposant naturellement de groupements électrophiles. Sur cette base, nous avons expérimenté plusieurs applications en lien avec les thèmes de recherche du laboratoire. Afin d'utiliser ces H-NDs pour des applications biomédicales il est indispensable de pouvoir les quantifier précisément en suspensions aqueuses. Pour cela, nous avons développé une méthode de quantification des H-NDs au travers des interactions des molécules d'eau dans la suspension avec leur surface. Cette quantification est réalisée par la spectrométrie Raman en utilisant le diméthyle sulfoxyde (DMSO) en tant que sonde de quantification et de caractérisation. Ayant démontré la fonctionnalisation des ND par des biomolécules (à partir de ND-H), nous avons imaginé utiliser ces ND comme transporteurs de polypeptides, en particulier comme support de présentation de l'antigène pour la vaccination. Ainsi, nous avons mis en évidence que l'injection de H-ND fonctionnalisés par des peptides dont les séquences proviennent de protéines du papillomavirus humain (HPV), induit une réponse immunitaire positive et spécifique chez le modèle murin. Une application potentielle a portée sur la preuve de concept d'un test de diagnostic permettant l'isolement et la détection de cellules tumorales circulantes (CTC) dans le sang. Ce test se décompose en deux étapes successives, utilisant les ND-H comme support pour : -i) la capture d'éventuelles CTC à l'aide de pièges (ND-AC) issus du couplage ND-H et d'anticorps (AC) dirigés contre des marqueurs épithéliaux et -ii) la détermination de la présence des CTC par l'analyse de leur signature moléculaire. A travers les travaux de cette thèse, nous avons mis au point une méthode de quantification des H-NDs en suspensions aqueuses, démontré deux applications prometteuses des ND-H, tant pour les aspects diagnostiques que thérapeutiques
Due to their specific physicochemical properties, such as a great colloidal stability in aqueous suspensions and a charged and reactive surface, the nanodiamonds (ND) are nanoparticles with a strong potential for biomedical applications. Moreover, recent work of our laboratory colleagues on biological effects of 5nm NDs demonstrates their low toxicity in vitro on multiple human and murine cell lines. Therefore, the NDs offer an advantageous support for medical applications. The objective of my thesis was to evaluate the use of NDs as innovative tools, for diagnostics and clinical therapy. To avoid any toxicity induced by chemical agents during the functionalization, we have hypothesized a novel NDs' surface functionalization through their hydrogenated form (H-NDs), allowing a spontaneous nucleophile attack of biomolecules. We have therefore demonstrated, that it is possible to functionalize H-NDs directly in an aqueous suspension, by nucleic acids or proteins, each disposing naturally of electrophile groups. On this basis, we have experimented several applications in relation to the laboratory research subjects. In order to use the H-NDs for biomedical applications it is very important to be able to quantify them precisely in aqueous suspensions. For this reason, we have developed a quantification method through the interactions of water molecules in the suspensions and the H-NDs surface. This quantification is performed by the Raman spectrometry by the use of dimethyl sufoxide (DMSO) as a quantification and characterization probe. Having demonstrated the functionalization of NDs by biomolecules (using H-NDs), we have imagined the use of NDs as peptide carriers, particularly, as a support for antigen presentation in vaccines. Indeed, we have shown that the subcutaneous injection of H-NDs, functionalized by peptides designed from human papillomavirus (HPV) proteins, induces a positive and specific immune response in mice. A potential application has been initiated by the proof of concept of a diagnostic test, allowing the isolation and the detection of circular tumor cells (CTCs) in whole blood. This test is made of two successive steps, using H-NDs as support for: -i) capturing putative CTCs by the help of a trap (ND-AB) as a product of coupling H-NDs and the antibody (AB) against epithelial markers and -ii) the determination of CTCs presence by the analysis of their molecular signature. Through this thesis works, we have developed a method for H-NDs quantification in aqueous suspensions, as well as demonstrated two promising applications of H-NDs, both for diagnostic and therapeutic aspects

碩士
國立臺灣大學
化學研究所
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The peculiar IR emission features at 3.43 and 3.53 micron, aside from the well-known emission bands at 3.3, 6.2, 7.7, 8.6 and 11.2 micron, were taken as the evidence of the presence of diamonds in interstellar medium. I investigate the formation and size of interstellar diamonds by simulating interstellar IR spectra in the laboratory. Hot-filament assisted chemical vapor deposition (HF-CVD) was brought about to synthesize interstellar diamond analogs, and the interstellar diamond bands were successfully reproduced. Size analysis of IR spectra of synthetic diamond crystallites (from 700 nm down to 25 nm in diameter) revealed a drastic transition of the 3.53 micron feature, in which the peak emerges only with particle size bigger than 25 nm. My experiments suggested that the carrier of these anomalous emission bands could be nanodiamonds formed by CVD-like process with particle sizes bigger than 25 nm.