La thérapie photodynamique avec Blended polymère conducteur / Fullerene nanoparticules photosensibilisants
Summary
This protocol describes a method for the fabrication of conducting polymer nanoparticles blended with fullerene. These nanoparticles were investigated for their potential use as a next generation photosensitizers for Photodynamic Therapy (PDT).
Abstract
In this article a method for the fabrication and reproducible in-vitro evaluation of conducting polymer nanoparticles blended with fullerene as the next generation photosensitizers for Photodynamic Therapy (PDT) is reported. The nanoparticles are formed by hydrophobic interaction of the semiconducting polymer MEH-PPV (poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]) with the fullerene PCBM (phenyl-C61-butyric acid methyl ester) in the presence of a non-compatible solvent. MEH-PPV has a high extinction coefficient that leads to high rates of triplet formation, and efficient charge and energy transfer to the fullerene PCBM. The latter processes enhance the efficiency of the PDT system through fullerene assisted triplet and radical formation, and ultrafast deactivation of MEH-PPV excited stated. The results reported here show that this nanoparticle PDT sensitizing system is highly effective and shows unexpected specificity to cancer cell lines.
Introduction
En thérapie photodynamique (PDT) photosensibilisants sont administrés à un tissu cible, et lors de l'exposition à la lumière du photosensibilisant génère Reactive Oxygen Species (ROS). ROS espèces tels que l'oxygène singlet et superoxyde peuvent induire un stress oxydatif et les dommages structurels à la suite de cellules et de tissus 1-4. En raison de sa facilité d'application de cette méthode a été activement étudiée et des essais cliniques ont eu lieu de 5,6. Cependant, des problèmes importants tels que la toxicité dans l'obscurité des sensibilisateurs, la sensibilité du patient à la lumière (en raison de la distribution non-sélective de l'agent de sensibilisation), et le caractère hydrophobe des sensibilisateurs (ce qui conduit à une biodisponibilité réduite et le potentiel de toxicité aiguë) restent.
Nous rapportons ici un procédé pour la fabrication et l'évaluation in vitro de la conduite nanoparticules de polymère mélangé avec les photosensibilisateurs fullerène en tant que nouvelle génération de PDT. Les nanoparticules sont formées par auto-agrégation desle polymère semi-conductrice MEH-PPV (poly [2-méthoxy-5- (2-éthylhexyloxy) -1,4-phénylènevinylène]) avec le PCBM de fullerène (C 61 phényl-butyrique ester méthylique d'acide) lorsque ces matériaux dissous dans un compatible solvant sont rapidement injectés dans un solvant non compatible (figure 1A). Le choix de MEH-PPV que le polymère hôte est motivé par son coefficient d'extinction élevé qui conduit à des taux élevés de formation de triplet, et à la fois la charge et le transfert d'énergie efficace et ultrarapide pour le fullerène PCBM 7. Ces propriétés sont idéales pour la sensibilisation de l'oxygène singulet et la formation de superoxyde dans la PDT.
Fullerène a en fait été appliquée dans la PDT dans la forme moléculaire et nanoparticule 8-13. Cependant, la cytotoxicité sévère a entravé le développement 12. Ici, nous montrons que l'encapsulation du fullerène dans une matrice hôte de MEH-PPV donné composites nanoparticules MEH-PPV / PCBM résultats dans un matériau sensibiliser PDT que jeest pas cytotoxique intrinsèque, montre spécificité envers les cellules cancéreuses en raison de la taille des nanoparticules et de la charge de surface, et les rendements de traitement PDT très efficace à des doses de faible luminosité due aux propriétés photophysiques susmentionnés.
Protocol
Representative Results
Discussion
Pour atteindre nanoparticule absorption, il était nécessaire de maintenir certaines mesures critiques tout en fabrication des nanoparticules. Une solution IM 10 -6 MEH-PPV (mélangé avec 50% en poids PCBM) dans du THF a été préparé pour l'injection dans de l'eau DI, comme il a été observé que la concentration de cette solution joue un rôle important dans la détermination de la taille des nanoparticules est formée. La concentration a été vérifiée par spectroscopie UV-vis. Notez que dan…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors gratefully acknowledge the National Science Foundation (NSF) for financial support of this work through a CAREER award (CBET-0746210) and through award CBET-1159500. We would like to thank Dr. Turkson (Univ. of Hawaii Cancer Center) and Dr. Altomare (Univ. of Central Florida College of Medicine) for assistance with cell culture.
Materials
| Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene] (MEH-PPV) | Sigma Aidrich | 536512-1G | average Mn 150,000-250,000 |
| [6,6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) | Sigma Aidrich | 684449-500MG | > 99.5% |
| Tetrahydrofuran (THF) | EMD | TX0284-6 | Drisolv |
| 1 ml syringe | National Scientific Company | 37510-1 | For filtration of MEH-PPV solution |
| Syringe filter | VWR | 28145-495 | 25 mm, 0.2 µm, PTFE |
| 1 ml syringe | Hamilton Company | 81320 | For injection of MEH-PPV solution into water to make nanoparticles |
| Dulbecco's Modification of Eagle's Medium/Ham's F-12 50/50 Mix (DMEM) | Corning (VWR) | 45000-350 | |
| Hank's Balanced Salt Solution without phenol red (HBSS) | Quality Biological (VWR) | 10128-740 | |
| Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline, 1X without calcium and magnesium (DPBS) | Corning (VWR) | 45000-436 | |
| Fetal Bovine Serum, Regular (Heat Inactivated) (FBS) | Corning (VWR) | 45000-736 | |
| Trypsin EDTA 1X 0.25% | Corning (VWR) | 45000-664 | Trypsin/2.21 mM EDTA in HBSS without sodium bicarbonate, calcium and magnesium Porcine Parvovirus Tested |
| 16% Paraformaldehyde | Electron Microscopy Sciences | 15710 | 16% paraformaldehyde is diluted to 4% by adding PBS |
| DAPI | Biotium VWR | 89139-054 | Nuclear stain |
| 5 ml pipettes | VWR | 82050-478 | |
| 75 cm2 culture flask | VWR | 82050-856 | for culturing cells |
| 96-well plates | VWR | 82050-771 | for MTT assays |
| Tissue Culture Dishes with Vents | Greiner Bio-One (VWR) | 82050-538 | |
| Propidium iodide | Molecular probes | P3566 | |
| Annexin V FITC | Invitrogen | A13199 | dye for apoptosis |
| Celltiter 96 non-R 1000 assays | Promega (VWR) | PAG4000 | MTT |
| CellROX Green Reagent, for oxidative stress detection | Invitrogen | C10444 | For ROS detection |
| UV-vis spectrometer | Agilent 8453 | ||
| Fluorescence spectrometer | NanoLog HoribaJobin Yvon | ||
| Dynamic light scattering | PD2000DLS, Precision detector | ||
| Incubator | NuAir DH Autoflow | ||
| Confocal microscope | Zeiss Axioskop2 | 63X oil immersion objective lens | |
| Epiluminescence microscope | Olympus IX71 | 60X water immersion objective lens, Andor Zyla sCMOS camera | |
| Solar Simulator | Newport 67005 Oriel Instruments | ||
| Reference solar cell | Oriel | VLSI Standards Incorporated | |
| Microplate reader | BioTek Ex808 | ||
| Hemocytometer | Hausser Scientific Partnership | 3200 | For counting cells |
References
- Dolmans, D., Fukumura, D., Jain, R. K. Photodynamic therapy for cancer. Nat Rev Cancer. 3 (5), 380-387 (2003).
- Dougherty, T. J., et al. Photodynamic therapy. J Natl Cancer Inst. 90 (12), 889-905 (1998).
- Ferrari, M. Cancer nanotechnology: Opportunities and challenges. Nat Rev Cancer. 5 (3), 161-171 (2005).
- Oleinick, N. L., Morris, R. L., Belichenko, T. The role of apoptosis in response to photodynamic therapy: what, where, why, and how. Photochem Photobiol Sci. 1 (1), 1-21 (2002).
- Ormond, A., Freeman, H. Dye Sensitizers for Photodynamic Therapy. Materials. 6 (3), 817-840 (2013).
- Pass, H. I. Photodynamic Therapy in Oncology – Mechanisms and Clinical Use. J Natl Cancer Inst. 85 (6), 443-456 (1993).
- Sariciftci, N. S., Smilowitz, L., Heeger, A. J., Wudl, F. Photoinduced electron transfer from a conducting polymer to buckminsterfullerene. Science. 258 (5087), 1474-1476 (1992).
- Sperandio, F. F., et al. Photoinduced electron-transfer mechanisms for radical-enhanced photodynamic therapy mediated by water-soluble decacationic C-70 and C84O2 Fullerene Derivatives. Nanomed-Nanotechnol. 9 (4), 570-579 (2013).
- Fan, J. Q., Fang, G., Zeng, F., Wang, X. D., Wu, S. Z. Water-Dispersible Fullerene Aggregates as a Targeted Anticancer Prodrug with both Chemo- and Photodynamic Therapeutic Actions. Small. 9 (4), 613-621 (2013).
- Grynyuk, I., et al. Photoexcited fullerene C-60 disturbs prooxidant-antioxidant balance in leukemic L1210 cells. Materialwiss Werkstofftech. 44 (2-3), 139-143 (2013).
- Liu, X. M., et al. Separately doped upconversion-C-60 nanoplatform for NIR imaging-guided photodynamic therapy of cancer cells. Chem Commun. 49 (31), 3224-3226 (2013).
- Trpkovic, A., Todorovic-Markovic, B., Trajkovic, V. Toxicity of pristine versus functionalized fullerenes: mechanisms of cell damage and the role of oxidative stress. Arch Toxicol. 86 (12), 1809-1827 (2012).
- Chen, Z. Y., MA, L. J., Liu, Y., Chen, C. Y. Applications of Functionalized Fullerenes in Tumor Theranostics. Theranostics. 2 (3), 238-250 (2012).
- Park, S. H., et al. Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%. Nat Photonics. 3 (5), 297-302 (2009).
