Redox biomolecules play vital roles in many biological processes, where their level relates to the occurrence and progression of various diseases. Inorganic fluorescent nanoprobes have been widely used for biomedical studies in the last decades due to their tunable optical properties and outstanding photostability. Furthermore, recent advances show their diagnostic potential for in vitro quantification or in vivo imaging of redox biomolecules, which can provide essential information to guide treatment. However, there are two recognized bottlenecks in this research field. On the one hand, many nanoprobes lack robustness in biologically relevant environments due to their sensitivity to temperature, humidity, or oxygen, which is unfavorable for their production and especially their application. On the other hand, all current research on nanoprobe-guided treatment remains at the stage of evaluating therapeutic efficiency, overlooking the impact of individual differences, such as tumor depth and microenvironment, which leads to significant under- and over-treatment. In this thesis, the robustness of inorganic fluorescent nanoprobes has been improved by designing a thermostable recognition group or developing a novel confined flash (conFlash) synthesis method. In addition, a customized phototherapeutic strategy has been devised to minimize the individual differences of for example tumor environment during treatment. In Chapter 2, I applied engineered enzymes to replace the traditional natural enzymes as recognition groups on inorganic fluorescent nanoprobes, which allows their storage at an elevated temperature of 37 °C for 10 days and maintains a serodiagnostic accuracy of >95% within this period. Moreover, I established the conFlash method to prepare stable nanofilm of perovskite quantum dots (PQD) under ambient conditions, combining perovskite synthesis, crystallization, and polymer protection in a single step within milliseconds. By marrying with thermostable engineered enzymes, for the first time, I could realize serodiagnosis by using PQD nanofilms. Next, in Chapter 3, aiming at the individual difference of intratumoral glutathione (GSH) level, I proposed a customized phototherapeutic strategy by using lanthanide-doped nanoprobes with multiple fluorescence channels. The orthogonal fluorescence channels indicate the distribution, intratumoral GSH level, and eigen temperature (E.T.) of the nanoprobe, respectively. This provides sufficient information to predict the photothermal heat generation by the nanoprobes, which accumulated in the tumors, under different laser prescriptions. By using customized laser prescriptions, the temperature could be precisely controlled in an efficacious range (42 – 45 °C), allowing photothermal-based therapy with both high efficiency and reduced risk of over-therapy. Finally, I expanded this customization strategy to regulate the tumor sensitivity to hyperthermia in Chapter 4. A specificially functionalized nanoprobe can load more hydrophilic heat shock protein (HSP) 90 inhibitor (~389.8 μg mg-1) than the traditional ones (~88.9 μg mg-1) by forming a hydrogen bond network with the surrounding environment through an encapsulated heteropolymetalate guest. With the assessment of tumor depth by fluorescence, an irradiation prescription can be customized to release sufficient HSP90 inhibitor and generate heat for sensitized photothermal treatment of tumors, which not only ensured therapeutic efficacy but also minimized damage to the surrounding tissues. In conclusion, the strategies proposed in this thesis provide practical solutions to the current challenges in robustness of nanoprobes and precise theranostics of diseases. Furthermore, the presented approaches will also guide future sustainable development of inorganic fluorescent nanoprobes for diagnostics and treatment.
Redox-Biomoleküle spielen eine wichtige Rolle in vielen biologischen Prozessen und ihr Gehalt steht im Zusammenhang mit der Entstehung und dem Fortschreiten verschiedener Krankheiten. Anorganische fluoreszierende Nanosonden wurden in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer einstellbaren optischen Eigenschaften und ihrer hervorragenden Photostabilität in großem Umfang für biomedizinische Studien eingesetzt. Jüngste Fortschritte zeigen zudem ihr diagnostisches Potenzial für die In-vitro-Quantifizierung oder die In-vivo-Darstellung von Redox-Biomolekülen, die wichtige Informationen zur Steuerung der Behandlung liefern können. Allerdings gibt es zwei bekannte Problemstellungen in diesem Forschungsbereich. Zum einen sind viele Nanosonden aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit oder Sauerstoff in biologisch relevanten Umgebungen nicht sehr robust, was sich ungünstig auf ihre Herstellung und vor allem ihre Anwendung auswirkt. Andererseits bleiben alle bisherigen Forschungsarbeiten zur Nanosonden-gesteuerten Behandlung auf der Ebene der Bewertung der therapeutischen Wirksamkeit stehen und vernachlässigen die Auswirkungen individueller Unterschiede wie Tumortiefe und Mikroumgebung, was zu erheblichen Unter- und Überbehandlungen führt. In dieser Arbeit wurde die Robustheit anorganischer fluoreszierender Nanosonden durch die Entwicklung einer thermostabilen Erkennungsgruppe oder einer neuartigen Synthesemethode mit lokal begrenzter Laser-Blitzsynthese (conFlash) verbessert. Darüber hinaus wurde eine maßgeschneiderte phototherapeutische Strategie entwickelt, um individuelle Unterschiede z.B. in der Tumorumgebung während der Behandlung zu minimieren. In Kapitel 2 habe ich gentechnisch veränderte Enzyme als Erkennungsgruppen auf anorganischen fluoreszierenden Nanosonden eingesetzt, die eine 10-tägige Lagerung bei erhöhter Temperatur von 37 °C ermöglichen und in diesem Zeitraum eine serodiagnostische Genauigkeit von >95 % gewährleisten. Darüber hinaus habe ich die conFlash-Methode zur Herstellung stabiler Nanofilme aus Perowskit-Quantenpunkten (PQD) unter Umgebungsbedingungen entwickelt, die Perowskit-Synthese, Kristallisation und Polymereinkapselung in einem einzigen Schritt innerhalb von Millisekunden kombiniert. Durch die Kombination mit thermostabilen Enzymen konnte ich erstmals eine Serodiagnostik mit PQD-Nanofilmen realisieren. In Kapitel 3 habe ich eine maßgeschneiderte phototherapeutische Strategie vorgeschlagen, die auf die individuelle Differenzierung des intratumoralen Glutathion (GSH)-Spiegels abzielt und mit Lanthanid-dotierten Nanosonden mit mehreren Fluoreszenzkanälen arbeitet. Die orthogonalen Fluoreszenzkanäle zeigen die Verteilung, den intratumoralen GSH-Spiegel bzw. die Eigentemperatur der Nanosonde an. Dies liefert ausreichende Informationen, um die photothermische Wärmeerzeugung durch die in den Tumoren akkumulierten Nanosonden unter verschiedenen Laserbestrahlungsbedingungen vorherzusagen. Durch den Einsatz maßgeschneiderter Laserbestrahlungsbedingungen konnte die Temperatur in einem wirksamen Bereich (42 - 45 °C) präzise gesteuert werden, was eine photothermische Therapie mit hoher Effizienz und geringerem Risiko einer Übertherapie ermöglicht. Schließlich habe ich diese Anpassungsstrategie erweitert, um die Empfindlichkeit des Tumors gegenüber der Hyperthermie zu regulieren (Kapitel 4). Eine spezifisch funktionalisierte Nanosonde kann mehr hydrophilen Hitzeschockprotein (HSP)-90-Inhibitor (~389,8 μg mg-1) als die herkömmlichen (~88,9 μg mg-1) laden, indem sie durch einen eingekapselten Heteropolymetallat-Gast ein Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk mit der Umgebung ausbildet. Durch die Beurteilung der Tumortiefe mittels Fluoreszenz kann ein Bestrahlungsrezept angepasst werden, um ausreichend HSP90-Inhibitor freizusetzen und Wärme für die sensibilisierte photothermische Behandlung von Tumoren zu erzeugen, was nicht nur die therapeutische Wirksamkeit sicherstellt, sondern auch die Schädigung des umliegenden Gewebes minimiert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Strategien praktische Lösungen für die aktuellen Herausforderungen der Robustheit von Nanosonden und der präzisen Theranostik von Krankheiten bieten. Darüber hinaus werden die vorgestellten Ansätze auch die künftige nachhaltige Entwicklung von anorganischen fluoreszierenden Nanosonden für die Diagnostik und Therapie leiten.
