Role kyslílu v účinnosti fotodynamické terapie na buněčných modelech v přítomnosti senzitizérů

MUDr. RNDr. Martin POLA, MBA

Doctoral thesis

The Role of Oxygen in the Efficacy of Photodynamic Therapy in the Presence of Sensitizers on Cell Models

Abstract:

Princip fotodynamického efektu (PDE) je založen na kombinovaném působení fotosenzitizéru, molekulárního kyslíku a světla, při kterém vznikají různé reaktivní formy kyslíku, které jsou spojeny s významným buněčným poškozením. Fotodynamická terapie (PDT) založená na fotodynamickém efektu (PDE) se postupně stává alternativní metodou léčby mnoha onemocnění. Zkoumali jsme roli kyslíku v buňkách karcinomu děložního čípku (HeLa) podrobených fotodynamické terapii (PDT). Posuzovali jsme efekt PDT na HeLa buňky vystavením buněčných kultur disulfonovanému zinečnatému ftalocyaninu (ZnPcS2) a tetrasulfonovanému zinečnatému tetrafenylporfyrinu (ZnTPPS4). Fluorescenční mikroskopie znázornila jejich rozdílnou lokalizaci uvnitř buňky. ZnTPPS4 se zdá být většinou omezen na cytosol a lysosomy, zatím co ZnPcS2 je většinou převážně připojen k membránovým strukturám plasmalemě a mitochondriální membráně. Testy fototoxixity u PDT ošetřených buněk při různých parciálních tlacích kyslíku ukázaly účinek závislý na dávce. Je zajímavé, že ZnPcS2 byl také fotodynamicky účinný při minimálním parciálním tlaku kyslíku, v atmosféře čistého dusíku. Ačkoli oba senzitizéry způsobují signifikantní pokles mitochondriálního membránového potenciálu, ZnPcS2 má znatelně vyšší vliv na mitochondriální respiraci, která byla úplně zablokována po dvou krátkých světelných cyklech. Naše pozorování naznačují, že PDT může být účinná dokonce i v hypoxických podmínkách, pokud je vybrán vhodný senzitizér jako ZnPcS2, který je schopen inhibovat mitochondriální respiraci. Na druhé straně kyslíková hyperbarie nevedla k vyšší účinnosti fotosenzitizérů. Literární zdroje ukazují, že souběžná léčba hyperbarickým kyslíkem může efekt fotodynamické terapie (PDT) podpořit. Jedním z nejzávažnějších zástupců reaktivních forem kyslíku vznikajících při fotodynamickém efektu (PDE) je singletový kyslík, který se vyznačuje extrémně silnými oxidačními vlastnostmi. Naším cílem bylo porovnat produkci singletového kyslíku pro čtyři různé fotosenzitizéry v závislosti na koncentraci kyslíku. Čtyři různé fotosenzitizéry 5,10,15,20-tetrakis(1-methyl-4-pyridinio) porfyrin tetra(p-toluensulfonát), tetramethylthioninchlorid, 5,10,15,20-tetrakis(4-sulfonanofenyl) zinečnatý porfyrin a zinečnatý disulfonát byly zkoumány s cílem stanovení produkce singletového kyslíku v PBS fluorescenčnín agents pro singletový kyslík (singlet oxygen sensor green, SOSG) při různých koncentracích kyslíku (0,4 a 36 mg/l).Nebyly zaznamenány žádné znatelné posuny v excitačním a emisním spektru ve vazbě na koncentraci kyslíku. S ohledem na stejnou molární koncentraci fotosenzitizérů byla produkce singletového kyslíku nejvyšší u 5,10,15,20-tetrakis(4-sulfonanofenyl) zinečnatého porfyrinu, kde rychlost změny fluorescence byla více než 3krát vyšší než rychlost získaná pro 5,10,15,20-tetrakis(1-methyl-4-pyridinio) porfyrin tetra(p-toluensulfonát). Na druhé straně zinečnatý disulfonát vykazoval nejnižší produkci singletového kyslíku. Ukazuje se, že produkce singletového kyslíku v rozmezí koncentrací kyslíku dosažitelných v tkáních při normoxii nebo hyperoxii nezávisí na těchto koncentracích. Tvorba singletového kyslíku je však významně ovlivněna typem fotosenzitizéru, přičemž nejvyšší výtěžek patří 5,10,15,20-tetrakis(4-sulfonatofenyl) zinečnatému porfyrinu

Abstract:

The principle of photodynamic effect (PDE) is based on the combined action of photosensitiser,molecular oxygen and light, which produce various reactive oxygen species and are associated with significant cellular damage. Photodynamic therapy (PDT), based on photodynamic effect (PDE), is gradually becoming an alternative method in the treatment of several diseases. We investigated the role of oxygen in photodynamically treated cervical cancer cells (HeLa). The effect of PDT on HeLa cells was assessed by exposing cultured cells to disulphonated zinc phthalocyanine (ZnPcS2) and tetrasulphonated zinc tetraphenylporphyrin (ZnTPPS4). Fluorescence microscopy revealed their different localizations within the cells. ZnTPPS4 seems to be mostly limited to the cytosol and lysosomes, whereas ZnPcS2 is most likely predominantly attached to membrane structures, including plasmalemma and the mitochondrial membrane. Phototoxicity assays of PDT-treated cells carried out under different partial pressures of oxygen showed dose-dependent responses. Interestingly, ZnPcS2 was also photodynamically effective at a minimal level of oxygen, under a nitrogen atmosphere. Although both photosensitizers can induce a significant drop in mitochondrial membrane potential, ZnPcS2 has a markedly higher effect on mitochondrial respiration that was completely blocked after two short light cycles. In conclusion, our observations suggest that PDT can be effective even in hypoxic conditions if a suitable sensitizer is chosen, such as ZnPcS2, which can inhibit mitochondrial respiration. On the other hand, hyperbaric oxygenation did not lead to a higher PDT efficiency of either photosensitizer. Literary sources show that concomitant hyperbaric oxygen treatment can support these effects. Singlet oxygen is one of the most serious representatives, which is characterised by powerful oxidising properties. Therefore, the subject of our study was to compare the yields of singlet oxygen for four different photosensitizers in dependency on the oxygen concentration. Four different photosensitizers 5,10,15,20-tetrakis(1-methyl-4-pyridinio)porphyrin tetra(p-toluenesulfonate), tetramethylthionine chloride, 5,10,15,20-tetrakis(4-sulfonatophenyl)porphyrin zinc(II) and zinc phthalocyanine disulfonate were investigated to determine the yield of singlet oxygen in PBS by Singlet Oxygen Sensor Green reagent under different partial pressures of oxygen (0.4 and 36 mg/l). There were no noticeable shifts in the excitation and emission fluorescence spectra regarding the oxygen concentration. Concerning the same molar concentration of photosensitizers, the production of singlet oxygen was highest for 5,10,15,20-tetrakis(4-sulfonatophenyl)porphyrin zinc(II), where the rate of the fluorescence change was more than 3 times higher than that obtained for 5,10,15,20-tetrakis(1-methyl-4-pyridinio) porphyrin tetra(p-toluenesulfonate). On the other hand, zinc phthalocyanine disulfonate showed the lowest yield in singlet oxygen production. Singlet oxygen production, within the range of oxygen concentrations achievable in tissues under normoxia or hyperoxia, does not depend on these concentrations. However, the singlet oxygen generation is signifi cantly influenced by the type of photosensitizer, with the highest yield belonging to 5,10,15,20-tetrakis(4-sulfonatophenyl)porphyrin zinc(II).

Keywords

Fotosenzitizéry, Fotodynamická terapie, Hyperbarie, Hyperoxie, Singletový kyslík

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 1. 2023

Thesis defence

• Supervisor: MUDr. Mgr. Robert Bajgar, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Medicine and Dentistry

Doctoral programme / field:
Medical Biophysics / Medical Biophysics