Abstract

Nanomaterials are an essential part of modern life due to their extensive use in industrial and commercial products and future personalized medicine. In recent years, new nanoparticles (NPs) have been introduced in bioimaging, diagnostics, drug delivery, and therapy. Along with the production growth of NPs, concerns about NPs safety for human health have been raised. As blood is an inevitable target for NP-based pharmaceutics at systemic NP-based drug administration, the investigation of the poorly understood effects of NPs on blood properties is of high demand.

The present thesis focuses on the assessment of commercial and novel synthesized NPs towards the haemorheologica l properties of the main blood cellular component — red blood cells (RBCs). In the research for this thesis, RBC morphology, deformability and mutual interactions were examined at non-haemolytic concentrations of NPs. A revolutionary optical tweezers technique revealed subtle effects of indirect toxicity towards mutual RBCs interactions and deformability. Further, additional conventional optical microscopy analysis revealed the influence of NPs on RBC interactions on a multicellular level, while scanning electron microscopy (SEM) enabled high-resolution monitoring of RBCs surfaces and morphological alterations triggered by NPs. Another aim of the study addressed the unclear mechanism behind RBC interactions. Experimental evidence of the definitive role of the size and proportion of macromolecules in RBC interactions was provided. The mixture of natural polymer dextran mimicking plasma protein composition induced an RBC interaction mode similar to one observed in blood plasma. Thus, the new hybrid model combining “cross-bridges” and “depletion” effects was proposed.

The reported findings contribute to the fundamental understanding of RBC interactions and can help to facilitate the design and clinical validation of polymer-based plasma expanders and novel NPs for safe and beneficial use.

Tiivistelmä

Nanomateriaalit ovat olennainen osa nykyaikaista elämäntapaa, sillä niitä käytetään laajasti teollisissa ja kaupallisissa tuotteissa sekä tulevaisuuden yksilöllisessä lääketieteessä. Viime vuosina uusia nanopartikkeleita (NP) on otettu käyttöön biolääketieteellisessä kuvantamisessa ja diagnostiikassa sekä lääkkeiden antamisessa ja terapiassa. NP:iden tuotannon kasvun myötä on noussut esiin huoli niiden turvallisuudesta ihmisten terveydelle. Koska veri on väistämätön kohde NP-pohjaisille lääkkeille systeemisessä NP-pohjaisessa lääkkeen annossa, on nanopartikkelien vähän tutkittujen, veren ominaisuuksiin kohdistuvien vaikutusten selvittämiselle suuri tarve.

Kyseinen opinnäytetyö keskittyy kaupallisten ja uusien syntetisoitujen nanaopartikkelien arviointiin verisolujen pääkomponentin eli punasolujen (RBC) hemorheologisten ominaisuuksien osalta. Tämän työn tutkimuksessa tarkasteltiin punasolujen morfologiaa, muodonmuutoksia ja keskinäisiä vuorovaikutuksia ei-hemolyyttisissä NP-pitoisuuksissa. Vallankumouksellinen optinen pinsettitekniikka paljasti epäsuoran myrkyllisyyden hienovaraiset vaikutukset punasolujen keskinäiseen vuorovaikutukseen ja muodonmuutokseen. Lisäksi tavanomainen optinen mikroskopia-analyysi paljasti NP:iden ja RBC:n vuorovaikutukset monisoluisella tasolla, kun taas pyyhkäisyelektronimikroskopia (SEM) mahdollisti punasolujen pintojen ja NP:iden laukaisemien morfologisten muutosten korkearesoluutioisen seurannan. Tutkimuksen toisena tavoitteena oli selvittää punasolujen vuorovaikutuksen taustalla olevaa epäselvää mekanismia. Työssä esitettiin kokeellisia todisteita makromolekyylien koon ja osuuden lopullisesta roolista punasolujen vuorovaikutuksessa. Plasmaproteiinikoostumusta jäljittelevän luonnollisen polymeerin dekstraanin seos indusoi punasolujen vuorovaikutusmuodon, joka on samanlainen kuin veriplasmassa havaittu. Siten työssä ehdotettiin uutta "ristisiltoja" ja "tyhjennystä” yhdistävää hybridimallia.

Raportoidut löydökset auttavat ymmärtämään punasolujen vuorovaikutuksia ja voivat helpottaa polymeeripohjaisten plasmalaajenninten ja uusien nanopartikkelien suunnittelua sekä niiden kliinistä validointia turvallisen ja hyödyllisen käytön mahdollistamiseksi.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Avsievich, T., Zhu, R., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2022). Blood–nanomaterials interactions. In A. Denizli. T. Nguyen, R. Mariappan, M. Feroz Alam, & K. Khaliqur Rahman (Eds.), Nanotechnology for Hematology, Blood Transfusion, and Artificial Blood (pp. 1–40). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-823971-1.00002-7

2. Avsievich, T., Zhu, R., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2020). The advancement of blood cell research by optical tweezers. Reviews in Physics, 5, 100043. https://doi.org/10.1016/j.revip.2020.100043

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Avsievich, T., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2018). Mutual interaction of red blood cells assessed by optical tweezers and scanning electron microscopy imaging. Optics Letters, 43(16), 3921–3924. https://doi.org/10.1364/OL.43.003921

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Avsievich, T., Tarakanchikova, Y., Zhu, R., Popov, A., Bykov, A., Skovorodkin, I., Vainio, S., & Meglinski, I. (2019). Impact of nanocapsules on red blood cells interplay jointly assessed by optical tweezers and microscopy. Micromachines, 11(1), 19. https://doi.org/10.3390/mi11010019

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Avsievich, T., Tarakanchikova, Y. V., Popov, A., Karmenyan, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2019). Combined use of optical tweezers and scanning electron microscopy to reveal influence of nanoparticles on red blood cells interactions. In A. Amelink, & S. K. Nadkarni (Eds.), Novel Biophotonics Techniques and Applications V (110750F). Proceedings of SPIE, 11075. https://doi.org/10.1117/12.2526730

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

6. Avsievich, T., Popov, A., Bykov, A., & Meglinski, I. (2019). Mutual interaction of red blood cells influenced by nanoparticles. Scientific Reports, 9(1), 5147. https://doi.org/10.1038/s41598-019-41643-x

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

7. Avsievich, T., Zhu, R., Popov, A., Yatskovskiy, A., Popov, A. A., Tikhonowsky, G., Pastukhov, A., Klimentov, S., Bykov, A., Kabashin, A., & Meglinski, I. (2022). Hemorheological alterations of erythrocytes induced by plasmonic nanoparticles. Manuscript submitted for publication.