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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-12936
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.12310
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 30 July 2009 |
| Referee: | Max (Prof. Dr.) Maier |
| Date of exam: | 25 September 2006 |
| Institutions: | Physics |
| Keywords: | Liposom , Polymere , Krebs <Medizin> , Therapie , Sauerstoff , Fluoreszenzanalyse , , liposome , polymer , cancer , therapy , oxygen |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 12310 |
Abstract (German)
Es wird ein Verfahren für die Tumortherapie vorgestellt, dessen Wirkungsprinzip auf der verzögerten Freisetzung von Singulett-Sauerstoff (1O2) durch den thermisch induzierten Zerfall von aromatischen Endoperoxiden basiert. Die Synthese der Endoperoxide erfolgt durch Laseranregung eines Photosensibilisators (ProtoporphyrinIX-Dimethylester, PPIX-DME), wodurch 1O2 generiert wird, der dann von einem ...
Abstract (German)
Es wird ein Verfahren für die Tumortherapie vorgestellt, dessen Wirkungsprinzip auf der verzögerten Freisetzung von Singulett-Sauerstoff (1O2) durch den thermisch induzierten Zerfall von aromatischen Endoperoxiden basiert. Die Synthese der Endoperoxide erfolgt durch Laseranregung eines Photosensibilisators (ProtoporphyrinIX-Dimethylester, PPIX-DME), wodurch 1O2 generiert wird, der dann von einem geeigneten aromatischen Molekül eingefangen wird, wodurch Endoperoxid entsteht, das beim Zerfall 1O2 verzögert freisetzt. Es wurden auch spezielle Farbstoffmoleküle untersucht, die selbst als Sensibilisator wirken und durch Laserbestrahlung über Autoperoxidation (self-sensitized peroxidation) Endoperoxide bilden. Als Ausgangssubstanzen wurden die aromatischen Moleküle in ein pharmazeutisches Trägermaterial wie z.B. Liposomen eingebaut und anschließend durch Laserbestrahlung in Endoperoxide umgewandelt. Die Endoperoxidausbeute in der gewählten Matrix konnte jeweils durch die zeitlichen Abnahme der Fluoreszenzintensität ermittelt werden, da die Endoperoxide bei der Detektionswellenlänge des entsprechend zu Grunde liegenden Aromaten nicht mehr fluoreszieren. Ebenso erlaubt das Wiederauftauchen der Fluoreszenzintensität des ursprünglichen aromatischen Moleküls quantitative Aussagen über den Zerfall der Endoperoxide. Um den thermisch induzierten Zerfall der Endoperoxide nachzuweisen, wurde jeweils nach Auflösen in Methanol die Fluoreszenz der aromatischen Moleküle gemessen. Ein wichtiger Aspekt für die therapeutische Anwendung ist die Zerfallszeit der Endoperoxide bei Körpertemperatur und somit die Freisetzungszeit des 1O2, festgelegt durch den Einbau in die jeweilige supramolekulare Funktionseinheit, bestehend aus Endoperoxid und unmittelbarer Umgebung. Für 1,4-Dimethylnaphthalin (DMN) konnte in Polymeren im Vergleich zu Liposomen eine Verzögerung der Freisetzungszeit von 1O2 um ca. einen Faktor 2 demonstriert werden.
Im Falle von Liposomen die mit einem Naphthalin-Derivat und zusätzlich mit einem Photosensibilisator dotiert waren, konnte durch Mikroskopaufnahmen gezeigt werden, dass die laserbestrahlten Liposomen gegenüber den nicht bestrahlten Liposomen bei 37 °C eine signifikante zytotoxische Wirkung an Mammakarzinomzellen haben. Dieser Nachweis erfolgte durch das Auszählen von lebenden und toten Tumorzellen. Durch Applikation von dotierten und laserbestrahlten Liposomen, die durch Autoperoxidation die entsprechenden Endoperoxide enthalten, konnte sowohl an Mammakarzinomzellen als auch an Kolonkarzinomzellen eine zytostatische Wirkung nachgewiesen werden. Dieser Nachweis erfolgte durch Wachstumskurven mit Hilfe des sogenannten Kristallviolett-Tests.
Hinsichtlich der Präparation der Liposomen wurden zwei unterschiedliche Verfahren, die sich in der Größe und in der Größenverteilung der Liposomen unterscheiden, untersucht. Dabei zeigten Liposomen, die mit einem Extrusionsverfahren hergestellt wurden und eine enge Größenverteilung um etwa 100 nm Durchmesser aufweisen, einen stärkeren Einfluss auf das Wachstumsverhalten von Tumorzellen als solche, die durch die bisher verwendete Ultraschallmethode erzeugt wurden und eine sehr inhomogene Größenverteilung mit Durchmessern zwischen 100 nm und 1000 nm besitzen. Zellversuche an Mammakarzinomzellen ergaben, dass bei der Anwendung von Liposomen, die mit der Extrusionsmethode hergestellt wurden, eine dreifach geringere Konzentration an Wirksubstanz ausreicht, um den gleichen Effekt zu erzielen wie bei der Anwendung von solchen, die mit Ultraschall erzeugt wurden. Dieser Effekt wurde unter Heranziehung der Ergebnisse einer kürzlich erschienenen Untersuchung der Endozytose von Tumorzellen erklärt, nach der spezielle Polymer-Nanopartikel nur bis zu Durchmessern von etwa 200 nm von Zellen effektiv aufgenommen werden.
In Liposomen und im Polymer Polyvinylbutyral (PVB) wurde die Zerfallskinetik der Endoperoxide bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht. Dabei wurde an 1,4-Dimethylnaphthalin-Endoperoxiden in PVB bei 25 °C eine etwa doppelt so hohe Zerfallshalbwertszeit gemessen, wie in organischen Lösungsmitteln. Da die Liposomen für die Endoperoxide eine sehr ähnliche lokale Umgebung wie in einem Lösungsmittel darstellen, kann mit der Wahl einer Polymermatrix somit eine Erhöhung der Stabilität der Endoperoxide und damit eine Verzögerung der Freisetzung des Singulett-Sauerstoffs erzielt werden.
Für anwendungsorientierte Aspekte ist bei der laserinduzierten Synthese solcher Endoperoxide die photochemische Quantenausbeute,  wichtig, die aus der Verringerung der Fluoreszenzintensität mit der Dauer der Lasereinstrahlung abgeschätzt werden kann. Für das System PPIX-DME/DMN in Liposomen wurde  = 5�10-3 gemessen, wobei die Konzentrationen bei c(PPIX-DME) = 2,9�10-3 mol/l und c(DMN) = 2,9�10-2 mol/l bezogen auf das Lipidmaterial lagen. In PVB wurde mit  = 7�10-4 ein deutlich geringerer Wert bei ähnlichen Konzentrationen ermittelt.
Translation of the abstract (English)
A new method for cancer treatment based on the delayed release of singlet oxygen (1O2) by the thermally induced decay of aromatic endoperoxides is presented. The endoperoxides were synthesised by laser excitation of a sensitizer (protoporphyrin IX-dimethylester, PPIX-DME), generating 1O2 which was captured in an aromatic molecule forming an endoperoxide, which enabled through decay a delayed ...
Translation of the abstract (English)
A new method for cancer treatment based on the delayed release of singlet oxygen (1O2) by the thermally induced decay of aromatic endoperoxides is presented. The endoperoxides were synthesised by laser excitation of a sensitizer (protoporphyrin IX-dimethylester, PPIX-DME), generating 1O2 which was captured in an aromatic molecule forming an endoperoxide, which enabled through decay a delayed release of 1O2 . In addition, a research of specific dye molecules operating as sensitizers and forming endoperoxides by autoperoxidation (self-sensitized peroxidation) was made. The aromatic molecules were embedded in a pharmaceutical carrier, e. g. liposomes and by laser irradiation endoperoxide forms of these molecules were produced. The yield of the endoperoxide formation in the selected matrix could have been determined by the time-dependent decrease of fluorescence intensity in the course of laser irradiation, because the endoperoxides are not fluorescent at the detection wavelength of the original aromatic molecule. Moreover, the reappearance of the fluorescence intensity of the original aromatic molecule provides quantitative information about the decay of the endoperoxides. In order to verify thermally induced decay of the endoperoxides, the aromatic molecules fluorescence was measured after dissolving liposomes suspension in methanol, respectively. An important aspect for the therapeutical application of endoperoxides is the decay-time at body temperature (T=37°C) and thus release-time of 1O2, which was determined by assembling of particular supramolecular entity consisting of an endoperoxide and its proximate surrounding. In the case of 1,4-dimethylnaphthalene (DMN) in polymer comparing to liposomes surrounding, an approx. twice as long release-time of 1O2 was exhibited.
For the example of liposomes doped with naphthalene derivative and additionally with a sensitizer it was shown using a microscopy that these laser-irradiated liposomes have a significant cytotoxic effect on breast cancer cells (MDA-MB 231) at 37 °C, in comparison to non-irradiated liposomes. Applying doped and laser-irradiated liposomes, which formed endoperoxides by self-sensitized peroxidation, a cytostatic effect on both, breast cancer cells and colon cancer cells (HT-29) was demonstrated by the crystal violet tests for growth curves.
Two different methods of liposome production resulting in different liposome size and size-distribution were examined. Liposomes which have been produced using an extrusion method featured narrow size-distribution around 100 nm in diameter and a stronger influence on cancer cell growth behaviour than liposomes produced using an ultra-sound method, which also featured a very inhomogeneous size-distribution with diameters between 100 nm and 1000 nm. Breast cancer cell experiments showed that application of liposomes produced with the extrusion method has the same effect as applying liposomes produced with ultra-sound method but with 3 times greater concentration of last mentioned liposomes. This effect was explained using results of a recently published research of the endocytosis of cancer cells, according to which special polymer-nanoparticles (used as a sensor) only with a diameter under about 200 nm can be embedded in the cell.
The kinetics of endoperoxide decay at different temperatures was examined in both, liposomes and in the polymer polyvinylbutyral (PVB). For dimethylnaphthalene-endoperoxides in PVB at 25°C the measured decay half-life time was about twice longer than in organic solvents. As the liposomes present for endoperoxides a very similar local environment as a solvent, it is possible to choose the polymer matrix in order to increase the endoperoxide stability resulting in an enhanced delay of the singlet oxygen release.
For laser-induced endoperoxide synthesis in respect to application, the photochemical quantum yield is important, which can be estimated from the decrease of the fluorescence intensity in the course of the laser irradiation time. In the system PPIX-DME/DMN in liposomes η was measured to be 5�10-3, where the concentrations in the lipid material were c(PPIX-DME) = 2.9�10-3 mol/l and c(DMN) = 2.9�10-2 mol/l. In PVB with similar concentrations η exhibited a noticeable lower value of 7�10-4.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 11:01
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