Photodynamic cytotoxicity and antibacterial effects of graphene quantum dots in vitro

U ovoj doktorskoj disertaciji ispitivano je fotodinamičko citotoksično dejstvo grafenskih kvantnih tačaka (GKT) na ćelije humanog glioma, kao i njihov antibakterijski efekat na bakterije rezistentne na konvencionalnu antibiotsku terapiju. Iako odlične fotoluminiscentne karakteristike GKT omogućavaju njihovu široku primenu u biomedicini, njihova citotoksičnost, kao i antibakterijsko dejstvo do sada nisu ispitivani. Gliomi su najčešći i najletalniji tumori mozga otporni na konvencionalnu terapiju i često inoperabilni, pa su stoga neophodni novi terapijski pristupi u njihovom lečenju. GKT, ovalne ugljenične dvodimenzionalne nanočestice, sintetisane su elektrohemijskom oksidacijom grafita i karakterisane su metodama UV-Vis spektroskopije, mikroskopijom atomskih sila i transmisionom elektronskom mikroskopijom. Nakon fotoekscitacije plavom svetlošću (470 nm, 1 W) GKT su produkovale reaktivne kiseonične vrste, uključujući i singletni kiseonik (1O2), što je dovelo do oksidativnog stresa i smrti U251 ćelija humanog glioma. Ćelijska smrt indukovana fotoekscitiranim GKT pokazivala je morfološke i biohemijske karakteristike kako apoptoze (eksternalizacija fosfatidil-serina, aktivacija kaspaza, DNK fragmentacija), tako i autofagije (formiranje autofagnih vezikula, konverzija LC3-I u LC3-II, degradacija autofagnog kargo receptora SQSTM1/p62). Genetska inaktivacija ključnog autofagnog proteina LC3B smanjila je fotodinamičku citotoksičnost GKT. Otkrivanje novih, efikasnijih metoda lečenja bakterijskih infekcija postalo je neophodno usled porasta učestalosti infekcija uzrokovanih sojevima bakterija koje pokazuju rezistenciju na veliki broj antibiotika. Iz tih razloga je ispitivan uticaj fotoekscitiranih GKT na Gram-pozitivne i Gram-negativne bakterije, meticilinrezistentni Staphylococcus aureus i Escherichia coli, koje spadaju u grupu najznačajnijih nozokomijalnih patogena, ali se sa velikom učestalošću izoluju i kao izazivači infekcija u vanbolničkoj sredini...In this doctoral dissertation the photodynamic cytotoxic effect of graphene quantum dots (GQD) was investigated in human glioma cells and antibiotic-resistant bacteria. The excellent physicochemical properties of GQD make them suitable candidates for biomedical applications, but their cytotoxicity towards cancer cells or bacteria has not been extensively studied thus far. Gliomas are among the most frequent and letal brain tumors, often inoperable and highly refractive to the standard chemotherapy protocols, thus there is a pressing need for the development of new therapy approaches. GQD, the two-dimensional carbon nanoparticles, were synthesized by the electrochemical oxidation of graphite and characterized by UV-Vis, atomic force microscopy, and transmission electronic microscopy. It was shown that GQD irradiated with the blue light (470 nm, 1 W) produced reactive oxygen species, including singlet oxygen (1O2), which killed U251 human glioma cells by causing oxidative stress. The cell death induced by the photoexcited GQD displayed morphological and/or biochemical characteristics of both apoptosis (phosphatidylserine externalization, caspase activation, DNA fragmentation) and autophagy (formation of autophagic vesicles, LC3-I/LC3-II conversion, degradation of autophagic cargo receptor SQSTM1/p62). Moreover, genetic inactivation of autophagy-essential LC3B protein partly abrogated the photodynamic cytotoxicity of GQD. Searching for new treatments for bacterial infections has become necessary, because of a dramatic increase in the frequency of infections caused by drug-resistant bacteria. Therefore, we examined potential antimicrobial effect of photoexcited GQD on the Gram-positive and Gram-negative bacteria, methicillin-resistant Staphylococcus aureus and Escherichia coli, which are leading nosocomial pathogens..