| License: Publishing license for publications including print on demand (5MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-173121
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.17312
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 18 April 2011 |
| Referee: | Prof. Dr. Günther Bernhardt and Prof. Dr. Günther Knör |
| Date of exam: | 10 November 2010 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institute of Pharmacy > Pharmaceutical/Medicinal Chemistry II (Prof. Buschauer) |
| Interdisciplinary Subject Network: | Not selected |
| Keywords: | singlet oxygen, endoperoxides, decay kinetics adjustment, pharmaceutical carriers, polymer nanoparticles, liposomes, medical applications, multichromophore systems |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 17312 |
Abstract (English)
The decay kinetics of aromatic endoperoxide molecules embedded in carrier matrices (liposomes, polymer films and nanoparticles) was studied to provide a method for the adjustment of the thermally induced release time of singlet oxygen (1O2) to the requirements of possible pharmaceutical applications. Excitation of a sensitizer with a laser or LED generated 1O2, which reacted with aromatic ...
Abstract (English)
The decay kinetics of aromatic endoperoxide molecules embedded in carrier matrices (liposomes, polymer films and nanoparticles) was studied to provide a method for the adjustment of the thermally induced release time of singlet oxygen (1O2) to the requirements of possible pharmaceutical applications.
Excitation of a sensitizer with a laser or LED generated 1O2, which reacted with aromatic molecules (1,4-dimethylnaphthalene and its derivatives) forming endoperoxides. The decay of these photoproducts enabled the delayed release of 1O2. Some of the endoperoxide-forming molecules, such as 1-(1,4-dimethyl-naphthalen-2-yl)-ethanol (N4), di-1-(1,4-dimethylnaphthene-2-yl)-ethylether (N5), and poly(1,4-dimethyl-2-vinylnaphthalene (N7), were synthesized and characterized, while others were commercially available: 1,4-dimethylnaphthalene (N1) and 1,4,5-trimethylnaphthalene (N2). In addition, multichromophore molecules such as 5,10,15,20-tetrakis-(4-methylnaphthyl)porphyrin) (P1) and (5,10,15,20-tetrakis-(4-methyl-naphthyl)porphyrinato-zinc(II) (P2), acting as sensitizers and forming endoperoxides in their peripheral naphthyl subunits (N1 derivatives) by autoperoxidation, were synthesized and characterized. 1O2 generation and endoperoxide decay by the compounds P1 and P2 were also studied.
The N1 derivatives were embedded in several different carrier systems: biocompatible liposomes or polymer materials such as nanoparticles of ethyl cellulose (EC) and polyvinyl butyrale (PVB) and PVB films. The sensitizer (porphyrin derivatives) was embedded in the carrier, as well. Only one sensitizer (methylene blue) was separately dissolved in aqueous carrier suspension, thus composing in both cases multichromophore systems. The average diameter of nanoparticles, as determined by dynamic light scattering and/or transmission electron microscopy, was in the 50-150 nm range.
Endoperoxide formation in the selected matrix could be determined by the time-dependent decrease of fluorescence intensity in the course of the irradiation, because the endoperoxides are non-absorbing at the excitation wavelength of the original aromatic molecule. Moreover, the reappearance of the fluorescence signal (of the “parent molecule”) enabled the measurement of the decay of the endoperoxides. The decay kinetics of the endoperoxides (N1E, N2E, N4E, N5E, N7E) was examined at different temperatures (with emphasis on the human body temperature of 37°C) in the various carrier materials.
For the experiments with cancer therapy application the decay time had to be adjusted to be significantly longer than the average time period of cellular uptake tu, (determined with confocal microscopy) for the particular carrier. The basis for the adjustment of the decay kinetics is the structural change by reverting of the bent 1,4-cyclohexadiene moiety of the endoperoxide to the planar, “parent molecule”. The decay kinetics is generally determined by the distribution of the (supramolecular) functional structures consisting of the endoperoxide molecule and the immediate neighbourhood of the surrounding carrier matrix. The endoperoxide decay time, t1/2, was adjusted by chemical and/or physical modifications of the functional structure. Chemical changes were the introduction of various substituents (e.g. 1-hydroxyethyl), whereby the endoperoxide mobility was reduced (e.g. by H-bonding to the matrix). Physical changes, in particular a reduction of the large local free volume regions in the functional structures, were obtained for both types of sample preparation (i. e. polymer films and nanoparticles). These large local free volume regions occur in both types due to a common feature in the sample preparation procedures. This reduction was obtained by letting an endoperoxide decay process occur as a part of the sample preparation procedure. The reduction of the local free volume was performed either
• by stepwise separate processes of endoperoxide formation and subsequent (thermally induced) decay during the preparation, or
• by a continuous process of the formation and superimposed decay during a very long irradiation time.
A prolongation of the decay time up to a factor of 30 (in comparison to t1/2 in organic solvents) could be achieved in both cases.
The kinetic crystal violet assay was used to determine the in vitro cytotoxicity of the endoperoxides in above mentioned carriers against human breast cancer cells (MDA-MB-231) at 37 °C. On the basis of the results obtained with N4E and N5E it can be concluded that a ca. 15 µM concentration of endoperoxide groups results in a cytostatic effect on MDA-MB-231 cells growth.
The role of the decay adjustment for various possible applications such as cancer therapy or anti-microbial treatment is discussed.
Translation of the abstract (German)
Die Zerfallkinetik von aromatischen Endoperoxiden eingebaut in Trägermatrizen (Liposomen, Polymer-Filme und -Nanopartikel) wurde untersucht, um ein Verfahren zur Anpassung der thermisch induzierten Freisetzung von Singulett-Sauerstoff (1O2) an die Anforderungen möglicher pharmazeutischer Anwendungen zu erzielen. Die Sensibilisatoranregung mit einem Laser oder LED erzeugt 1O2, der dann mit ...
Translation of the abstract (German)
Die Zerfallkinetik von aromatischen Endoperoxiden eingebaut in Trägermatrizen (Liposomen, Polymer-Filme und -Nanopartikel) wurde untersucht, um ein Verfahren zur Anpassung der thermisch induzierten Freisetzung von Singulett-Sauerstoff (1O2) an die Anforderungen möglicher pharmazeutischer Anwendungen zu erzielen.
Die Sensibilisatoranregung mit einem Laser oder LED erzeugt 1O2, der dann mit aromatischen Molekülen (1,4-Dimethylnaphthalin und seinen Derivaten) Endoperoxide bildet. Der Zerfall dieser Photoprodukte ermöglicht die verzögerte Freisetzung von 1O2. Einige der Endoperoxidbildenden Moleküle wie 1-(1,4-Dimethyl-naphthalin-2-yl)-ethanol (N4), Di-1-(1,4-dimethylnaphthene-2-yl)-Ethylether (N5) und Poly(1,4-Dimethyl-2-Vinylnaphthalin (N7), wurden synthetisiert und charakterisiert, während andere [1,4-Dimethylnaphthalin (N1) und 1,4,5-Trimethylnaphthalin (N2)] kommerziell verfügbar waren. Außerdem wurden Multichromophormoleküle wie 5,10,15,20-Tetrakis-(4-Methylnaphthyl)porphyrin) (P1) und (5,10,15,20-Tetrakis-(4-Methylnaphthyl) porphyrinato-Zink(II) (P2), die als Sensibilisatoren wirken und Endoperoxide in ihren peripheren Naphthyl Untereinheiten (N1 Derivaten) durch Autoperoxidation bilden, synthetisiert und charakterisiert. Mit den Verbindungen P1 und P2 wurde die 1O2 Erzeugung untersucht.
Die N1-Derivate wurden in verschiedene Trägersysteme [biokompatible Liposomen oder Polymer-Materialien wie Nanopartikel aus Ethylcellulose (EC) und Polyvinylbutyral (PVB) und PVB-Filme] eingebaut. Die Sensibilisatoren (Porphyrinderivate) wurden ebenfalls in den Träger eingebaut. Nur ein Sensibilisator, nämlich Methylenblau, wurde getrennt in wässriger Trägersuspension gelöst, die damit auch ein Multichromophorsystem darstellt. Der durchschnittliche Durchmesser der Nanopartikel wurde mit dynamischer Lichtstreuung und / oder Transmissionselektronenmikroskopie bestimmt und lag in Bereich 50-150 nm.
Die Endoperoxidbildung konnte durch die Abnahme der Fluoreszenzintensität im Laufe der Bestrahlung bestimmt werden, weil die Endoperoxide bei der Anregungswellenlänge des ursprünglichen aromatisches Molekül nicht absorbieren. Außerdem ermöglichte das Wiederauftreten des Fluoreszenzsignals (des ürsprunglichen Moleküls) den Zerfall der Endoperoxide zu messen. Die Zerfallkinetik der Endoperoxide (N1E, N2E, N4E, N5E, N7E) wurde bei unterschiedlichen Temperaturen (mit Schwerpunkt bei der Körpertemperatur von 37 °C) im verschiedenen Trägermaterialien untersucht.
Bei Untersuchungen für die mögliche Krebstherapie musste die Zerfallszeit so eingestellt werden, dass sie deutlich länger ist als die durchschnittliche Zeit tu, für die zelluläre Aufnahme (bestimmt mit der konfokalen Mikroskopie) der jeweiligen Nanopartikel. Die Grundlage für die Anpassung der Zerfallkinetik ist die strukturelle Veränderung durch Zurückklappen des geknickten 1,4-Cyclohexadien Teils des Endoperoxides zum ursprünglichen, planaren aromatischen Molekül. Die Zerfallskinetik wird durch die Verteilung der (supramolekularen) Funktionsstrukturen, bestehend aus dem Endoperoxid und der unmittelbaren Nachbarschaft der Trägermatrix, bestimmt. Die Endoperoxid-Zerfallszeit t1/2, wurde jeweils durch chemische und/oder physikalische Veränderungen der Funktionsstruktur angepasst. Chemische Veränderungen waren die Einführung verschiedener Substituenten (z. B. 1-hydroxyethyl), wobei die Mobilität des Endoperoxids reduziert wurde (z.B. durch H-Bindung an die Matrix). Physikalische Veränderungen, insbesondere eine Reduzierung des großen lokalen freien Volumens in der Funktionsstruktur konnte für beide Typen der Probenherstellung (nämlich für Polymer-Filme und –Nanopartikel) realisiert werden, da dieses große lokale freie Volumen bei beiden Typen herstellungsbedingt auftritt. Diese Reduktion wurde mit der Durchführung von Endoperoxid Zerfallsprozessen als Teil der Probenpräparation auf zwei Arten erreicht entweder
• stufenweise als separate Prozesse der Endoperoxidbildung und des (thermisch induzierten) Zerfalls während der Präparation, oder
• als ein kontinuierlicher Prozess der Bildung und des überlagerten Zerfalls während sehr langer Bestrahlungszeit.
Eine Verlängerung der Zerfallszeit bis zu einem Faktor von 30 (im Vergleich zu t1/2 in organischen Lösungsmitteln) konnte in beiden Fällen erreicht werden.
Der kinetische Kristallviolett-Assay wurde verwendet, um die in vitro Zytotoxizität der Endoperoxide in den oben genannten Trägern an menschlichen Brustkrebszellen (MDA-MB-231) bei 37 °C zu bestimmen. Auf der Grundlage der erhaltenen Ergebnisse mit N4E und N5E kann man schließen, dass jeweils eine ca. 15 µM Konzentration der Endoperoxidgruppen ausreicht eine zytostatische Wirkung auf die MDA-MB-231 Zellen zu erzeugen.
Die Rolle der Zerfallsanpassung für verschiedene mögliche Anwendungen (z.B. Krebs-Therapie oder antimikrobielle Behandlung) wurde diskutiert.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 08:12
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