New photosensitizers and nanomolecules for photodynamic therapy of cancer

Abstract

According to the WHO, over 14 million people suffer from cancer each year. One treatment option under intensive development is photodynamic therapy (PDT), which alongside standard treatments such as chemotherapy is being successfully applied in the oncology worldwide. PDT is a noninvasive method based on the light activation of a photoactive compound (photosensitizer, PS) that causes free radicals formation (ROS) and death of the target cells. In the past decade, phthalocyanines (Pc) have attracted much interest as promising PS- candidates, because they possess favourable properties e.g. high efficiency in free radical formation. Another interesting development in the field of PDT concerns the improvement of the energy transfer to PS and diagnostic imaging of the tumor tissue. In this respect, nanoparticles such as quantum dots (QDs) may qualify as energy donors and fluorophores for tumor monitoring. The goal of this thesis was to evaluate the photoactive potential of novel phthalocyanines as PS for PDT and to explore whether newly developed QDs are suitable for biomedical application. Newly synthesized phthalocyanines were incubated with a panel of gastrointestinal cancer cell lines and photoactivated (10 - 60 J/cm2). The in vitro studies focused on the inhibition of cell proliferation, cell cycle arrest, induction of apoptosis and free radical formation after PDT, as well as the uptake and safety of non- photoactivated Pcs. The in vivo studies emphasised the antiangiogenic and antitumor activity of Pc and its safety in the non-photoactivated state. A set of QDs was tested in vitro and in vivo with regard to biotolerability. The tetra-triethyleneoxysulfonyl substituted zinc phthalocyanine (ZnPc) displayed outstanding photodynamic potential among all tested Pcs. ZnPc was taken up by cancer cells in a dose- and time-dependent manner with homogenous cytoplasmic distribution. Photoactivated ZnPc caused a dramatic decrease in the number of cancer cells (>95%), G1-phase arrest in the cell cycle and induction of cytochrome c mediated apoptosis. The antiproliferative effect was based on ROS-induced cytotoxicity. In vivo investigations showed a strong, long-lasting antiangiogenic and antineoplastic effect of ZnPcPDT. Non-photoactivated ZnPc did not induce any toxicity in vitro as well as in vivo. Among all tested QDs, CdSe with ZnS shell and GSH capping appeared safe for biomedical use, showing high intracellular uptake and good bio-tolerability in vitro and in vivo. This study provides strong evidence that ZnPc possesses extraordinary photoactive potential as a future photosensitizer for PDT. Newly synthesized QD GSH- CdSe/ZnS, with its good biotolerability, appears to be a promising candidate for biomedical application.

Laut WHO leiden jährlich über 14 Millionen Menschen an Krebs. Die Photodynamische Therapie (PDT) ist eine sich in intensiver Entwicklung befindende onkologische Behandlungsalternative zu den bisherigen Standardbehandlungen. So konnte sie beispielsweise neben der gängigen Chemotherapie weltweit erfolgreich etabliert werden. Die auf Lichtaktivierung einer photoaktiven Verbindung (Photosensibilator, PS) basierende PDT ist eine non-invasive Methode, welche über Freie-Radikal-Entstehung (ROS) den Tod der Zielzelle induziert. In der letzten Dekade konnten Phthalocyanine (Pc) als vielversprechende photoaktive Substanzen ein hohes Maß an Interesse erzeugen. Sie besitzen verschiedene günstige Eigenschaften, wie etwa eine hohe Effizienz in der Erzeugung freier Radikale. Andere interessante Entwicklungen auf dem Feld der PDT ergeben sich zum einen in der Möglichkeit des Energietransfers auf den PS über Energiedonoren, und zum anderen in der Möglichkeit der diagnostischen Bildgebung des Tumorgewebes. Diesbezüglich könnten Nanopartikel wie Quantum Dots (QD) einerseits als Energiedonoren, sowie andererseits als Fluorophore für das Tumormonitoring dienen. Das Ziel dieser Dissertation war die Untersuchung des photoaktiven Potentials von neuen Phthalocyaninen als PS für die PDT, sowie der Eignung von neuentwickelten QDs für die biomedizinischen Anwendungen. Verschiedene Zelllinien gastrointestinaler Karzinome wurden mit den neu synthetisierten Phthalocyaninen inkubiert und im Anschluss photoaktiviert (10-60 J/cm2). Die in-vitro-Studien konzentrierten sich auf Zellproliferationsinhibition, Zellzyklusarrest, induktion von Apoptose und Freie-Radikal-Entstehung nach PDT. Gleichfalls waren die Aufnahme und Sicherheit der nichtphotoaktivierten Pc‘s von Interesse. Die in-vivo- Studien fokussierten sich auf die antiangiogene und antitumorale Aktivität der Pc‘s, sowie ihre Sicherheit im nicht photoaktivierten Zustand. Eine Gruppe von QDs wurde im Hinblick auf Biotolerabilität in-vivo und in-vitro getestet. Tetratriethyleneoxysulfonyl substituiertes Zink Phthalozyanin (ZnPc) zeigte unter allen getesteten Pc‘s das größte photodynamische Potential. ZnPc wurde von Krebszellen in einem Zeit/Dosisabhängigen Verhältnis mit einer homogenen zytoplasmatischen Verteilung aufgenommen. Photoaktiviertes ZnPc verursachte eine starke Proliferationsinhibition der Krebszellen (>95%), einen G1-Phase- Zellzyklusarrest und eine Induktion der Cytochrom C-vermittelten Apoptose. Der antiproliferative Effekt basierte auf einer ROS-vermittelten Zytotoxizität. Die In-VivoUntersuchungen zeigten einen starken, langanhaltenden antiangiogenen, sowie antineoplastischen Effekt nach ZnPc-PDT. Nicht- photoaktiviertes- ZnPc induzierte sowohl in-vivo, als auch in vitro keine Toxizität. Unter allen getesteten QDs scheint CdSe mit ZnS Schale und Glutathione (GSH) Capping für den biomedizinischen Gebrauch sicher zu sein. Dabei zeigte es neben einer guten intrazellulären Aufnahme eine gute in-vivo und in-vitro Biotolerabilität. Diese Studie konnte das außergewöhnliche photoaktive Potenzial von ZnPc als zukünftigen Photosensibilisator für die PDT aufzeigen. Das neu synthetisierte QD GSH-CdSe/ZnS erscheint hinsichtlich der guten Biotolerabilität als vielversprechnender Kandidat innerhalb der biomedizinischen Anwendungen.