Date of Award

6-2024

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Chemistry

Department

Chemistry

First Advisor

Yaser E. Greish

Second Advisor

Fathy Hassan

Abstract

The early detection of cancer plays a pivotal role in improving patient outcomes, emphasizing the urgent need for highly sensitive and selective biosensing platforms. Metal-Organic Frameworks (MOFs) have emerged as promising candidates in this domain due to their tunable properties, large surface area, and high porosity. Herein, the utilization of zinc-based MOF as a sophisticated biosensing platform tailored for the precise detection of the HER2 cancer biomarker is presented. HER2, a critical protein marker in breast cancer diagnostics and treatment, demands highly selective and accurate detection methods for effective patient management. Simple hydrothermal synthesis methodology has been adopted to synthetize zinc-based MOF while the structural properties of this MOF were thoroughly examined to elucidate its inherent advantages in biosensing applications. Based on the tunability of MOF, functionalization strategies and surface engineering were employed to enhance the specificity of zinc-based MOF towards HER2. Additionally, incorporating advanced fluorescent ligand provided a robust fluorescent-based assay for the sensitive detection of HER2. The Limit of detection was found to be 255 pg/mL. To comprehend the interaction between the protein and zinc-based MOF, a computational molecular docking was operated.

On the other hand, cancer treatment has long been a challenging endeavor, prompting researchers to explore innovative approaches. One promising avenue involves the use of organic-inorganic hybrid structures, which offer unique advantages in targeting cancer cells. Herein, investigating the efficacy of employing such hybrid structures in cancer treatment, particularly focusing on their performance in Fenton reaction and chemodynamic therapy (CDT) was implemented. Utilizing organic-inorganic hybrid nanostructures including MOFs, coordination polymers (CPs) and organic/inorganic complex as anticancer agents have shown high efficacy in combating cancer. The influence of small size on activity has been examined, elucidating how nano-scale dimensions enhance therapeutic outcomes by facilitating cellular uptake and targeted delivery. Furthermore, the selection of biocompatible inorganic elements such as gold and zinc has demonstrated significant efficacy in cancer treatment while ensuring safety towards normal cells.

On the other hand, the choice of organic ligands has been explored, highlighting its fundamental role in modulating the reactivity and selectivity of hybrid structures in cancer treatment. Through a comprehensive analysis of experimental data, valuable insights into optimizing the design of organic-inorganic hybrid structures for enhanced efficacy in cancer therapy have been revealed, thereby contributing to the advancement of precision medicine and personalized treatment approaches. The concentration required to inhibit cancer cells growth by 50% (IC50) was found to be 75, 41 and 48 μg/mL.

Arabic Abstract

تصميم وتصنيع وتوصيف هياكل عضوية معدنية شبكية قائمة على الزنك والذهب ومركباتهم للكشف عن السرطان وعلاجه

يُعتبر الاكتشاف المبّكر للسرطان عاملاً محوريًا في تحسين نتائج علاج المرضى، ممّا يؤكِد الحاجة الملحة لإكتشاف طرقٍ جديدةٍ للكَشف عن وجود السرطان في الجسم. و قد بَرزت المُستَشعرات الحَيويّة كأحد اهم الطرقِ للكشفِ عن السرطانِ و يُمكن استخدام الكثير من المواد النانويّة لتصميمها. و ابرز هذه المواد هي المواد المعدنيّة العضويّة الشبكية حيثُ تمتلك خصائصَ تُميّزها عن بقيةِ المواد و منها مساحةُ السطحِ الكبيرة و المسامّيةُ العالية التي تُتيحُ بناءَ مُستَشعر حيَوي عالي الحساسية و الانتقائيّة. هنا في هذا البحث تم تحقيق و دراسة المواد المعدنية العضوية الشبكيّة (MOF)  القائمةُ على معدن الزِنك كأحَدِ المستشعرات المتطورة للكشف الدقيق عن بروتين سرطان الثدي. و يُعتبر هذا البروتين احد ابرَز البروتينات التي يزيد تركيزها في حالات سرطان الثدي و يَتم الكشف عنه للتأكدِ من وجود السرطان. تمّ اعتماد منهجيّة بسيطة للإنتاج الحراري المائي لتصنيع الهياكل العضويّة المعدنيّة (MOF) القائمةِ على الزنك، بينما تطّلب فحْص الخصائِص الهيكليّة لهذه الهياكل المعدنيّة العضويّة بِدقة لتوضيح مزاياها الكامنة في تطبيقاتِ الاستشعار الحيويّ. استنادًا إلى إمكانيّة تعديل هذه الهياكل الشبكيّة، تمّ استخدام استراتيجيات التشغيل وهندسة تعديل للسطح لتعزيز خصوصيَتها تجاه البروتين المنشود. بالإضافةِ إلى ذلك، يوفر اختيار مادة عضوية مُشّعة (Fluorescent) لبناء هذهِ الهيَاكل عاملاً قويا للكشفِ الحسّاس المُعتَمد على قِياس تركيز البروين بِدقة. و اخيرا لتحقيق فهم ادق و اعمق للتفاعل الذي يحدث بين المستشعر الهيكليّ و البروتين استُخدِمت المُحاكاة الحاسوبيّة لتَوضيح عمل المستَشعر (Biosensor) .

لقد كان علاج السرطان منذ فترة طويلة مسعىً صعبا،ً ممّا دفع الباحثين إلى استكشاف أساليب مبتكرة بهدف التغلبِ عليه. و كانت احد هذه السبُل الواعدة في هذا المجال تنطوي على استخدام المواد النانويّة التي تعتمدُ على الاجزاءِ العضويّة و المعدنيّة معا حيثُ انها تُوف ر مزايا فريدة في استهداف الخلايا السرطانيّة. و مِن هذا المنطلق تمّ تصنيع مثل هذه المواد الهجينة (Hybrid) و اختبارها كعلاج فعّال للسرطان. و تم دراسة امكانيّة حدوثِ تفاعلات فنتون داخل الخلايا التي تعتمد على اطلاق الجذور الحرة السامة (ROS) داخل الخلايا و ذ لك تطبيقا لتقنية العلاج الكيميائيّ الديناميكي (Chemodynamic Therapy) . و اُختيرَت المواد النانويّة المُستخدمة كمُضادات للسرطان و تشتَمِل هذهِ المواد المُختارة على أطرٍ معدنية عضوية شبكية و بوليمرات تنسيقيّة و مُركباتِ الذهب المَحمُولَة في جُسيْمات نانويّة. و فُحِصَ تأثير الأبعاد الصغيرة النانويّة على نشاط هذهِ المركبات ممّا يُؤكد كيف تُؤثر تأثيراً بالغا على النتائج العلاجيَة من خلال تحسين الامتصاص الخلويّ والتوصيل المستهدف للخلايا السراطانيّة دون الخلايا الصحيحة. علاوةً على ذلك، فقد أثبت اختيار العناصر غير العضويّة المتوافقة و الآمنة للجسم حيويًا مثلَ الذهب والزنك و اثبتا فعاليةً كبيرةً في علاج السرطان مع ضمان السلامةِ تجاه الخلايا الطبيعيّة. من ناحيةٍ أخرى، تم استكشاف المركبات العضويّة المختارة في تصميم المواد النانويّة، وتسليط الضوءِ على دَورها الأساسي في تعديل تفاعل وانتقائيّة الهيَاكل الهَجينة في علاج السرطان. ومن خلال تحليل شامل للبيانات التجريبيّة، تمّ الكشف عن رؤى قيّمة لِتحسين تصميم الهياكل الهَجِينة العضويّة وغير العضويّة لتعزيز الفعاليّة في علاج السرطان، وبالتالي المُساهمةِ في تقدُّم الطب الدّقيق وأساليب العلاج .

Download

Included in

Chemistry Commons

Share

COinS