Requirements for designing an effective metallic nanoparticle (NP)-boosted radiation therapy (RT)

Many different tumor-targeted strategies are under development worldwide to limit the side effects and improve the effectiveness of cancer therapies. One promising method is to enhance the radiosensitization of the cancer cells while reducing or maintaining the normal tissue complica-tion probability during radiation therapy using metallic nanoparticles (NPs). Radiotherapy with MV photons is more commonly available and applied in cancer clinics than high LET particle radi-otherapy, so the addition of high-Z NPs has the potential to further increase the efficacy of photon radiotherapy in terms of NP radiosensitization. Generally, when using X-rays, mainly the inner electron shells are ionized, which creates cascades of both low and high energy Auger electrons. When using high LET particles, mainly the outer shells are ionized, which give electrons with lower energies than when using X-rays. The amount of the produced low energy electrons is higher when exposing NPs to heavy charged particles than when exposing them to X-rays. Since ions traverse the material along tracks, and therefore give rise to a much more inhomogeneous dose distributions than X-rays, there might be a need to introduce a higher number of NPs when using ions compared to when using X-rays to create enough primary and secondary electrons to get the desired dose escalations. This raises the questions of toxicity. This paper provides a review of the fundamental processes controlling the outcome of metallic NP-boosted photon beam and ion beam radiation therapy and presents some experimental procedures to study the biological effects of NPs’ radio-sensitization. The overview shows the need for more systematic studies of the behavior of NPs when exposed to different kinds of ionizing radiation before applying metallic-based NPs in clinical practice to improve the effect of IR therapy

Antibiotic diffusion through extracellular mucopolysaccharide ("slime") of coagulase - negative staphylococci

The extracellular mucopolysaccharide substance (slime), which is produced by certain strains of coagulase-negative staphylococci, has been recently recognized as an important virulence factor. Slime is responsible for infections caused by the above strains to patients with implanted foreign-bodies. Furthermore, it is accountable for antibiotic-treatment failures concerning device-related infections. This thesis investigated the influence of slime substance on the activity of all currently used antibiotics with antistaphylococcal spectrum. Two different in vitro semiquantitative methods were developed for this purpose. Twenty-six clinical and 2 standard isolates of slime-producing (according to Christensen’s method) as well as 14 clinical and 2 standard isolates of non-slime-producing coagulase-negative staphylococci were used in the first method. Forty μΙ of broth culture of each isolate were inoculated on sterile cellulose filter membranes placed on Staphylococcal No 110 agar plates. After a 24-hour incubation, filters were eluted in 3 consecutive tubes of Tryptic Soy Broth and placed on plates containing Mueller Hinton agar preseeded with Bacillus subtilis spores. Forty μΙ of the examined antimicrobial solution were inoculated on the surface of each filter. After a 24-hour incubation, inhibition zone diameters were measured and were compared to control (inhibition zone diameter produced by the diffusion of equal amount of antibiotic through a sterile filter). Results demonstrated that teicoplanin and vancomycin showed a remarkable reduction in effectiveness (29.6 and 73.5%, respectively) after diffusion through staphylococcal slime. All the other tested antibiotics showed a lower reduction in effectiveness (range: 2.5-11.8%). Diffusion through filters inoculated with non-slimeproducing strains produced a reduction in the effectiveness of rifampin, cotrimoxazole, ciprofloxacin, pefloxacin, gentamicin, erythromycin, tobramycin, amikacin, and teicoplanin (range: 0.3-3.6%). The second method, which is described for the first time in literature, was designed for the same purpose. Twenty-six clinical and 2 standard isolates of slime-producing coagulase-negative staphylococci were used. Sterile cellulose filter membranes placed on Staphylococcus No 110 agar plates were inoculated with 40 μΙ of broth culture of each isolate. After a 24-hour incubation, filters were eluted in 3 consecutive tubes of Tryptic Soy Broth and slime from each membrane was collected and dissolved in 40 μΙ of the examined antimicrobial solution. This suspension was inoculated in Mueller Hinton agar wells preseeded with Bacillus subtilis spores. After incubation, inhibition zones were measured and compared to control (inhibition zone produced by equal amount of antibiotic without slime). Comparison demonstrated that pefloxacin, teicoplanin and vancomycin showed a remarkable reduction in effectiveness (30, 51.7, and 66.8%, respectively). Conversely, rifampin, clindamycin and the macrolides showed the lowest reduction in effectiveness (0.8-2.3%). The presence of slime reduced the effectiveness of the other antimicrobial agents from 4 to 16.1 %. The results of the present study may help clinicians to rationally select the most effective antimicrobial agent for the eradication of infections of prosthetic devices caused by slime-producing strains of coagulase-negative staphylococci.Η εξωκυττάρια βλεννοπολυσακχαριδική ουσία (slime), που παράγεται από πολλά στελέχη κοαγκουλάοη-αρνητικών σταφυλόκοκκων, έχει αναγνωρισθεί τα τελευταία χρόνια ως σημαντικός λοιμογόνος παράγοντας, υπεύθυνος για την πρόκληση δυσίατων λοιμώξεων από τα μικρόβια αυτά σε ασθενείς που φέρουν ξένα σώματα. Η ουσία αυτή ενοχοποιείται για την συχνή αποτυχία της συντηρητικής αγωγής στη θεραπεία αυτού του είδους των λοιμώξεων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η μεταβολή της δραστικότητας όλων των αντιβιοτικών με αντισταφυλοκοκκικό φάσμα από την παρουσία της βλεννοπολυσακχαρίδης. Για το σκοπό αυτό εφαρμόσθηκαν δύο διαφορετικές in vitro ημιποσοτικές μέθοδοι. Στην πρώτη χρησιμοποιήθηκαν 26 κλινικά και 2 πρότυπα στελέχη κοαγκουλάοη-αρνητικών σταφυλόκοκκων που παρήγαγαν βλεννοπολυσακχαρίδη (σύμφωνα με τη μέθοδο του Christensen) και 14 κλινικά και 2 πρότυπα στελέχη που δεν παρήγαγαν την ουσία αυτή. Σαράντα μΙ καλλιεργήματος σε Tryptic Soy Broth από κάθε μικρόβιο ενοφθαλμίσθηκαν στην επιφάνεια στείρων φίλτρων κυτταρίνης που είχαν τοποθετηθεί σε τρυβλία με Staphylococcus άγαρ No 110. Μετά από 24ωρη επώαση τα φίλτρα ξεπλύθηκαν σε 3 διαδοχικά δοχεία με Tryptic Soy Broth και τοποθετήθηκαν σε τρυβλία με Mueller Hinton άγαρ που είχε αναμειχθεί με σπόρους Bacillus subtilis. Στην επιφάνεια κάθε φίλτρου τοποθετήθηκε διάλυμα του υπό εξέταση αντιβιοτικού (40μΙ) και μετά από 24ωρη επώαση μετρήθηκαν οι ζώνες αναστολής στο άγαρ και συγκρίθηκαν με τον αντίστοιχο μάρτυρα, δηλαδή τη ζώνη αναστολής που δημιουργήθηκε από τη διέλευση ίσης ποσότητας αντιβιοτικού μέσω στείρου φίλτρου. Διαπιστώθηκε ότι η τεϊκοπλανίνη και η βανκομυκίνη, όταν διηθούνται μέσω φίλτρου που έχει προεπωασθεί με στέλεχος σταφυλόκοκκου που παράγει βλεννοπολυσακχαρίδη, παρουσιάζουν μείωση δραστικότητας κατά 29,6 και 73,5%, αντίστοιχα ενώ όλα τα υπόλοιπα αντιβιοτικά παρουσιάζουν μείωση δραστικότητας από 2,5 ως 11,8%. Όταν τα αντιβιοτικά διηθούνται μέσω φίλτρου που έχει προεπωασθεί με στέλεχος που δεν παράγει βλεννοπολυσακχαρίδη διαπιστώνεται ότι μείωση δραστικότητας παρουσιάζουν μόνο η ριφαμπικίνη, η κοτριμοξαζόλη, η σιπροφλοξασίνη, η πεφλοξασίνη, η γενταμικίνη, η ερυθρομυκίνη, η τομπραμυκίνη, η αμικασίνη, και η τεϊκοπλανίνη από 0,3 ως 3,6%. Στη δεύτερη μέθοδο, που περιγράφεται για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία, χρησιμοποιήθηκαν τα 26 κλινικά και τα 2 πρότυπα στελέχη κοαγκουλάοη-αρνητικών σταφυλόκοκκων που παρήγαγαν βλεννοπολυσακχαρίδη. Στείρα φίλτρα κυτταρίνης, που είχαν τοποθετηθεί σε τρυβλία με Staphylococcus άγαρ No 110, ενοφθαλμίσθηκαν με 40 μΙ καλλιεργήματος κάθε στελέχους και επωάσθηκαν αεροβίως για 24 ώρες. Μετά από ξέπλυμα σε 3 διαδοχικά δοχεία με Tryptic Soy Broth, από την επιφάνεια κάθε φίλτρου συλλέχθηκε η βλεννοπολυσακχαρίδη και αναμείχθηκε με 40 μΙ διαλύματος του υπό εξέταση αντιβιοτικού. Το μείγμα αυτό τοποθετήθηκε σε οπές που είχαν διανοιχθεί σε τρυβλία με Mueller Hinton άγαρ, στο οποίο είχε ενσωματωθεί εναιώρημα Bacillus subtilis. Μετά από 24ωρη επώαση μετρήθηκαν οι ζώνες αναστολής και συγκρίθηκαν με τον μάρτυρα, δηλαδή τη ζώνη αναστολής που δημιουργήθηκε από ίση ποσότητα αντιβιοτικού χωρίς βλεννοπολυσακχαρίδη. Από τη σύγκριση προκύπτει ότι η πεφλοξασίνη, η τεϊκοπλανίνη και η βανκομυκίνη παρουσιάζουν αξιοσημείωτη μεταβολή της δραστικότητας τους από την παρουσία της εξωκυττάριας βλεννοπολυσακχαρίδης κατά 30, 51,7 και 66,8%, αντίστοιχα. Αντίθετα, η ριφαμπικίνη, η κλινδαμυκίνη και οι μακρολίδες παρουσιάζουν τη μικρότερη μείωση στη δραστικότητα τους (0,8-2,3%). Η παρουσία της βλεννοπολυσακχαρίδης μειώνει τη δραστικότητα των υπολοίπων αντιβιοτικών από 4 ως 16,1%. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης θα βοηθήσουν τον κλινικό ιατρό στην ορθολογική επιλογή των δραστικότερων αντιβιοτικών για τη θεραπεία των λοιμώξεων των ξένων σωμάτων από στελέχη κοαγκουλάση-αρνητικών σταφυλόκοκκων, που παράγουν εξωκυττάρια βλεννοπολυσακχαρίδη

Διηλεκτρικές μετρήσεις σε βιολογικούς ιστούς θηλαστικών

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Μικροσυστήματα και Νανοδιατάξεις

Molecular dynamics study of thermoresponsive styrenic copolymers and acrylic polymers in aqueous solutions

103 σ.Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν συμπολυμερή στυρενίου και θερμοαποκρινόμενων πολυμερών poly(N-isopropyl acrylamide) (PNIPAM) και poly(Methoxydiethylenglycol Acrylate) (PMDEGA) σε υδατικά διαλύματα διαφορετικών συγκεντρώσεων. Συγκεκριμένα, το P(S62-NIPAM115) με 75wt% περιεκτικότητα σε νερό και μικροδομή αστρόμορφων μικυλίων και το P(S18-MDEGA304-S18) με 80wt% και 50wt% νερό και δομή δικτύου ανθόμορφων μικυλίων. Η δομή των υπό μελέτη συστημάτων έχει διερευνηθεί από την ομάδα της κυρίας Papadakis με μεθόδους σκέδασης νετρονίων (SANS) και ακτινών Χ (SAXS) και τα αποτελέσματα της έρευνας αυτής είναι καθοριστικής σημασίας για το σχεδιασμό των πειραμάτων και την κατανόηση των αποτελεσμάτων της παρούσας εργασίας. Σκοπός είναι η καταγραφή της θερμοαπόκρισης με τις μεθόδους Διαφορικής Θερμιδομετρίας (DSC) και Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας Εναλλασσόμενου Πεδίου (DRS), η διερεύνηση της επίδρασης του πάχους του πυκνωτή και του ποσοστού υδάτωσης (όπου ήταν εφικτό) και η παρατήρηση των φαινομένων της πόλωσης των ηλεκτροδίων και των διεπιφανειών (μηχανισμός Maxwell-Wagner-Sillars). Στα πλαίσια αυτού του στόχου έγιναν μετρήσεις DSC, απλού τύπου μετρήσεις DRS σε θερμοκρασίες υπό του μηδενός και πλησίον της περιοχής της LCST-transition, καθώς επίσης και μετρήσεις θερμοκρασιακής ράμπας με διέγερση τεσσάρων διαφορετικών συχνοτήτων εύρους 103-106 Hz. Τα αποτελέσματα δίνουν το έναυσμα για περαιτέρω μελέτη των διηλεκτρικών ιδιοτήτων των υλικών αυτών, δεδομένου ότι τα θερμοαποκρινόμενα συμπολυμερή βρίσκονται στο επίκεντρο του επιστημονικού ενδιαφέροντος εξαιτίας των δυνητικών εφαρμογών στη βιοτεχνολογία, τη μικρο-ρευστομηχανική και την τεχνολογία αισθητήρων.The present diploma thesis is a study on copolymers consisted of styrene and thermoresponsive polymers poly(N-isopropyl acrylamide) (PNIPAM) and poly(Methoxydiethylenglycol Acrylate) (PMDEGA) in aqueous solutions of different concentration. Specifically, the samples examined are P(S62-NIPAM115) containing 75wt% water, star-like micellar nanostructure and P(S18-MDEGA304-S18) in 80wt% and 50wt% water in the form of flower-like micellar network. The structure of the systems under investigation have been studied by Papadakis et al. utilizing neutron scattering (SANS) and small-angle X-ray scattering (SAXS) methods. The results were of decisive importance for the design of the experiments and the interpretation of the current results. The aim, herein, is the observation of the materials’ thermoresponsiveness with Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dielectric Relaxation Spectroscopy (DRS) techniques. The effect of capacitor thickness on the dielectric spectra results, electrode and interface polarization are under investigation. Within this framework, DSC measurements and DRS measurements in below-zero temperatures and around LCST-transition temperature area took place. Furthermore, the materials’ response in the stimulation of four different frequencies (103-106 Hz) has been measured by applying thermal ramp DRS experiments. The results give rise to further studies of the dielectric properties of this kind of hydrogels, as the thermoresponsive copolymers have attracted considerable scientific interest due to their unique properties and potential applications in biotechnology, micro-fluidics and sensor development.Μαρία Π. Σούλ