Photodynamic therapy (PDT) is a versatile and minimally invasive therapy option for the treatment of malignant tumors such as gastrointestinal cholangiocarcinoma and esophageal carcinoma. Despite promising studies, PDT is rarely used in the treatment of these tumours, which is amongst other things due to the disadvantages of the previously clinically used photosensitizers. In this work two phthalocyanines, tetra-triethyleneoxysulfanyl-substituted zinc phthalocyanine (ZnPc) and tetra-triethyleneoxysulfanyl-substituted dihydroxy silicon phthalocyanine (Pc32) were evaluated as new photosensitizers for PDT of cholangio- and esophageal carcinoma. In vitro experiments were performed to decipher the molecular mechanisms of action of the novel phthalocyanines. Intracellular uptake and accumulation, dark toxicity, growth inhibition, cytotoxic effects and formation of reactive oxygen species (ROS) after ZnPc- and Pc32-PDT were investigated in two cholangiocarcinoma cell lines (EGI-1, TFK-1). In addition, the effect of ZnPc- PDT on apoptosis and cell cycle distribution in the cholangiocarcinoma cells was determined. ZnPc-experiments on uptake, ROS-formation and proliferation were also performed in two esophageal carcinoma cell lines (Kyse-140, OE-33). Chorio allantoic membrane assays focused on darktoxicity, antitumoral effects in esophageal carcinoma and anti-angiogenic effects of the ZnPc-PDT in vivo. Both photosensitizers accumulated predominantly in the cytoplasm. None of them was toxic without photoactivation and did thus not exhibit dark toxicity. After PDT, cytoplasmic and mitochondrial/nuclear ROS formation was observed. ZnPc-PDT induced a time- and dose- dependent growth inhibition of >90% in vitro. Moreover, ZnPc-PDT led to intrinsic/mitochondrial apoptosis. EGI-1 cells showed a G0/G1-phase arrest after ZnPc-PDT, while TFK-1 cells revealed a G2/M phase arrest. Absence of dark toxicity of ZnPc was confirmed in vivo. After ZnPc-PDT, esophageal tumor volume was reduced by >70% compared to control. ZnPc-PDT induced a sustained anti-angiogenic effect. Pc32-PDT showed a sustained antiproliferative effect of >80% only in EGI-1 cells, but did not show comparable effectiveness in TFK-1 cells. ROS-formation, direct cytotoxic and antiproliferative effects were also more pronounced after ZnPc-PDT. Moreover, Pc32-PDT showed no significant anti-angiogenic effect. ZnPc appears to be a promising photosensitizer for the PDT of the cholangio- and esophageal carcinoma due to its advantageous efficacy profile. EGI-1 cells showed a more sensitive reaction to ZnPc- and Pc32-PDT than TFK-1 cells. Kyse-140 cells reacted more sensitively to ZnPc-PDT than OE-33 cells. The different response of the cell lines illustrates the need for a cell-specific, individual PDT-protocol. The encouraging results of the study warrant further in vivo elucidation of ZnPc as a novel photosensitizer for PDT of cholangio- and esophageal carcinoma, which includes respective animal testing.
Die photodynamische Therapie (PDT) ist eine vielseitige, minimal-invasive Therapieoption zur Behandlung von malignen Tumoren wie dem gastrointestinalen Cholangio- und Ösophaguskarzinom. Trotz vielversprechender Studien wird die PDT in der Tumortherapie selten eingesetzt, was zum Teil auf Nachteile der bisher eingesetzten Photosensibilisatoren zurückzuführen ist. In dieser Arbeit wurden zwei Phthalocyanine, tetra-triethylenoxysulfonyl- substituiertes Zink- (ZnPc) und Dihydroxy-Siliziumphthalocyanin (Pc32) als neue Photosensibilisatoren für die PDT des Cholangio- und Ösophaguskarzinoms evaluiert. In vitro wurden die molekularen Wirkmechanismen der Phthalocyanine untersucht. Dafür wurden die intrazelluläre Aufnahme und Akkumulation, Dunkeltoxizität, Wachstumshemmung, zytotoxische Effekte und Bildung von reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) nach ZnPc- und Pc32- PDT in zwei Cholangiokarzinom-Zelllinien (EGI-1, TFK-1) analysiert. Außerdem wurde die Induktion von Apoptose und die Zellzyklusverteilung nach ZnPc-PDT in den Zellen untersucht. ZnPc-Experimente zur Aufnahme, ROS-Bildung und Proliferation wurden in zwei Ösophaguskarzinom-Zelllinien (Kyse-140, OE-33) durchgeführt. Chorioallantoismembran- Assays konzentrierten sich auf die Dunkeltoxizität, die antitumorale Wirkung auf das Ösophaguskarzinom und antiangiogene Effekte der ZnPc-PDT in vivo. ZnPc und Pc32 akkumulierten überwiegend im Zytoplasma und waren ohne Photoaktivierung nicht (dunkel-)toxisch. Nach der PDT mit ZnPc und Pc32 wurde eine zytoplasmatische sowie mitochondriale/nukleare ROS-Entstehung beobachtet. Die ZnPc-PDT induzierte eine zeit- und dosisabhängige Proliferationsinhibition von >90% in vitro. Zudem führte die ZnPc-PDT zu intrinsischer/mitochondrialer Apoptose. EGI-1-Zellen zeigten einen G0/G1-Zellzyklusarrest und TFK-1-Zellen einen G2/M-Arrest nach ZnPc-PDT. Die fehlende Dunkeltoxizität von ZnPc wurde in vivo bestätigt. Nach ZnPc-PDT wurde das Ösophagustumorvolumen um >70% im Vergleich zur Kontrolle reduziert. ZnPc-PDT induzierte eine anhaltende antiangiogene Wirkung. Die Pc32- PDT offenbarte eine antiproliferative Wirkung von >80% in EGI-1 Zellen, jedoch keine vergleichbare Wirkung in TFK-1 Zellen. ROS-Bildung sowie direkte zytotoxische und antiproliferative Effekte waren nach ZnPc-PDT ebenfalls stärker ausgeprägt. Überdies zeigte Pc32-PDT keine nennenswerte antiangiogene Wirkung. Insgesamt ergibt sich in ZnPc aufgrund des vorteilhaften Wirkungsprofils ein vielversprechender Photosensibilisator für die PDT des Cholangio- und Ösophaguskarzinoms. EGI-1-Zellen zeigten eine sensiblere Reaktion auf die ZnPc- und Pc32-PDT als TFK-1-Zellen. Kyse-140 Zellen reagierten empfindlicher auf die ZnPc-PDT als OE-33 Zellen. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit eines zellspezifischen PDT-Protokolls. Die Ergebnisse der Studie legen damit die weitere in vivo Untersuchung von ZnPc als neuen Photosensibilisator für die PDT des Cholangio- und Ösophaguskarzinoms, einschließlich entsprechender Tierversuche, nahe.
