Skripka, Artiom (2020). Rare earth nanoparticles: building theranostic agents from the ground up. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 231 p.
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Résumé
L'arrivée de la nanotechnologie a révolutionné les sciences fondamentales et applicatives. En biomédecine, les concepts diagnostiques et thérapeutiques qui étaient auparavant de la science-fiction prennent graduellement vie sous forme de nanoparticules sophistiquées - mettant en œuvre la détection et le traitement des maladies. Les nanoparticules photoluminescentes, qui répondent au stimulus optique en émettant de la lumière utilisée pour l'imagerie, la détection et la thérapie, sont des agents théranostiques prometteurs, intégrant ensemble le diagnostic et la thérapie. Les nanoparticules préférées sont celles qui fonctionnent sous de longueurs d'onde proche infrarouge (NIR), qui transpercent plus profondément les tissus et ne se limitent pas à une application superficielle seule. Parmi celles-ci, les nanoparticules dopées aux terres rares, ou RENP, sous excitation NIR peuvent émettre à travers les gammes spectrales UV, visible et NIR. Grâce à la conversion ascendante des photons, les RENP ajoutent de multiples photons dans le proche infrarouge et émettent une lumière d'une énergie suffisamment élevée pour stimuler les processus thérapeutiques. De plus, l'excitation NIR est émise sous forme de lumière de longueurs d'onde encore plus grandes, ce qui est parfait pour l'imagerie et la détection des indices environnementaux, comme la température. En fait, les RENP sont d'excellents nanothermomètres, explorés pour la détection précoce des maladies et l'exécution contrôlée des thérapies basées sur la chaleur. Cette thèse explore les RENP en tant que futures nanomédicaments théranostiques, en se concentrant sur les RENP qui émettent à travers une large gamme spectrale, UV-NIR. Des propriétés photophysiques fondamentales de différents RENP sont signalées, nécessaires pour brosser un tableau réaliste du potentiel et des pièges de ces nanostructures. En outre, les premiers RENP du genre en tant que nanothermomètres fonctionnant au-delà de 1500 nm de longueurs d'onde sont introduits, pour l'imagerie des tissus profonds et la cartographie thermique avec le contraste optique le plus élevé. Enfin, une nouvelle idée de théranostic découplé avec RENP est développée. Les théranostiques découplés impliquent l'initiation à la demande d'une thérapie ou d'un diagnostic, mais pas des deux en même temps si cela n'est pas nécessaire. Par conséquent, le trajet de ces RENP vers la zone d'intérêt pourrait être suivi sans crainte de dommages indésirables aux tissus sains, et la thérapie est lancée lorsque seule la cible est acquise. De par leur conceptualisation, ces RENP sont méticuleusement optimisés, entraînant l'évolution d'agents théranostiques découplés nouveaux et améliorés.
The arrival of nanotechnology has revolutionized the way we approach fundamental and applicative sciences. In the medical framework, the diagnostic and therapeutic concepts that previously existed only in the creative minds of science fiction writers, are gradually coming to life in the form of sophisticated nanoparticles – enacting disease detection and treatment. Photoluminescent nanoparticles, that respond to optical stimulus by emitting light used for imaging, sensing, and therapy are promising theranostic agents – integrating diagnostics and therapy under one roof. Preference is also given to nanoparticles that operate under electromagnetic radiation of near-infrared (NIR) wavelengths, which pierce deeper inside tissues and are not limited to superficial application alone. Among such, rare earth doped nanoparticles, or RENPs, under NIR excitation can non-strenuously emit across UV, visible and NIR spectral ranges. By means of photon upconversion, RENPs add multiple impinging NIR photons and emit light of high-enough energy to drive photochemical reactions for therapy. At the same time, downshifting process converts NIR excitation to emission of even longer wavelengths, perfect for imaging and contactless sensing of environmental cues, like temperature. In fact, RENPs are excellent nanoscale temperature sensors – nanothermometers – explored for early stage disease detection and controlled execution of heat-based therapies. This thesis explores the RENPs as future theranostic nanomedicines starting from the very basics and moving towards new concepts in RENP synthesis, nanothermometry, and theranostics. Particularly, RENPs that simultaneously emit across a broad, UV-to-NIR, spectral range are scrutinized. Fundamental photophysical properties of different RENPs are reported, necessary to paint a realistic outlook on the potential and pitfalls of these nanostructures. Furthermore, first of their kind RENPs as nanothermometers operating beyond 1500 nm wavelengths are introduced, for deep-tissue imaging and thermal mapping with highest optical contrast. Finally, a novel idea of decoupled theranostics with RENPs is developed. Decoupled theranostics entail on-demand initiation of either therapy or diagnostics, but not both at the same time if it is not required. Consequently, the journey of such RENPs to the area of interest could be tracked without fear of undesired damage to healthy tissues, and therapy is initiated only when the target is acquired. From their conceptualization, these RENPs are meticulously optimized, resulting in the evolution of new and improved decoupled theranostic agents.
Type de document: | Thèse Thèse |
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Directeur de mémoire/thèse: | Vetrone, Fiorenzo |
Mots-clés libres: | théranostic; proche infrarouge; upconversion; nanothermométrie; terres rares; theranostics; near-infrared; upconversion; nanothermometry; rare earth nanoparticles |
Centre: | Centre Énergie Matériaux Télécommunications |
Date de dépôt: | 20 janv. 2021 19:38 |
Dernière modification: | 29 sept. 2021 18:31 |
URI: | https://espace.inrs.ca/id/eprint/11173 |
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