Summary

Fotodynamisk terapi med Blended ledende polymer / fulleren Nanopartikel Fotosensibilisatorer

Published: October 28, 2015
doi:

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

I Fotodynamisk terapi (PDT) fotosensibilisatorer indgives til målvæv, og ved udsættelse for lys fotosensibilisatoren genererer reaktive oxygenarter (ROS). ROS arter såsom singlet oxygen og superoxid kan inducere oxidativt stress og efterfølgende strukturel skade på celler og væv 1-4. På grund af sin lette anvendelsen af denne metode har været aktivt undersøgt og kliniske forsøg har fundet sted 5,6. Der er dog væsentlige emner som mørketoksicitet af sensibilisatorer, patientens følsomhed over for lys (som følge af ikke-selektiv fordeling af sensibilisator), og hydrofobicitet sensibilisatorer (som fører til nedsat biotilgængelighed og potentiel akut toksicitet) forbliver.

Her rapporterer vi en fremgangsmåde til fremstilling og in vitro evaluering af ledende polymer nanopartikler blandet med fulleren som den næste generation fotosensibilisatorer til PDT. Nanopartiklerne dannes ved selvaggregering afhalvledende polymer MEH-PPV (poly [2-methoxy-5- (2-ethylhexyloxy) -1,4-phenylenevinylene]) med fulleren PCBM (phenyl-C 61 -smørsyremethylester), når disse materialer opløses i en kompatibel Opløsningsmidlet hurtigt injiceres i et ikke-kompatibelt opløsningsmiddel (figur 1A). Valget af MEH-PPV som vært polymer er motiveret af sin høje ekstinktionskoefficient, der fører til høje triplet dannelse, og både effektiv og ultrahurtig ladning og energi overførsel til fulleren PCBM 7. Disse egenskaber er ideelle til sensibilisering af singlet oxygen og superoxid dannelse i PDT.

Fulleren faktisk er blevet anvendt i PDT i både molekylære og nanopartikel formular 8-13. Imidlertid har alvorlige cytotoksicitet hæmmet videreudvikling 12. Her viser vi, at indkapsle fulleren i et væld matrix af MEH-PPV at give sammensatte MEH-PPV / PCBM nanopartikler resulterer i en PDT sensibiliserende materiale, som jeger ikke uløseligt cytotoksisk, viser specificitet mod kræftceller grund nanopartikel størrelse og overfladeladning, og udbyttet meget effektiv PDT behandling ved doser svagt lys på grund af de førnævnte fotofysiske egenskaber.

Protocol

1. Kulturcenter cellelinier Thaw TE 71 (mus thymusepitelceller), MDA-MB-231 (human brystcancer-celler), A549 (human lunge kræftceller) og OVCAR3 (humanovarie tumorceller) ved at holde det kryogene hætteglas i varmt vand i mindre end 2 min . Der tilsættes 10 ml DMEM-medium suppleret med 10% FBS til hver cellelinie og centrifugeres i 6 minutter ved 106 x g. Aspirere suspensionen og tilføj 3 ml medier til pelleten. Bland cellerne ordentligt ved pipettering flere gange. Tilføj denne celle løsning …

Representative Results

Optagelse og iboende cytotoksicitet af nanopartikler De 50 vægt-% blandede MEH-PPV / PCBM nanopartikler blev inkuberet med TE 71, MDA-MB-231, A549 og OVCAR3 cellelinier. Den PCBM blanding niveau blev valgt som 50 vægt% PCBM, som har vist sig at give ideelle ladning og energi overføre egenskaber mellem konjugerede polymerer og fullerener 14. Fluorescensbilleder af nanopartikel optagelse er vist i figur 1B. Cellerne blev inkuberet i 24 timer med …

Discussion

For at opnå nanopartikel optagelse var det nødvendigt at opretholde nogle kritiske foranstaltninger samtidig fremstilling af nanopartikler. En 10 -6 M MEH-PPV løsning (blandet med 50 vægt-% PCBM) i THF var indstillet på at tilføre DI vand, da det blev observeret, at koncentrationen af denne løsning spiller en vigtig rolle i fastsættelsen af størrelsen af nanopartikler dannes. Koncentration blev kontrolleret ved UV-vis spektroskopi. Bemærk, at i protokol trin 2.1.3 det var nødvendigt at fortynde det…

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

  1. Dolmans, D., Fukumura, D., Jain, R. K. Photodynamic therapy for cancer. Nat Rev Cancer. 3 (5), 380-387 (2003).
  2. Dougherty, T. J., et al. Photodynamic therapy. J Natl Cancer Inst. 90 (12), 889-905 (1998).
  3. Ferrari, M. Cancer nanotechnology: Opportunities and challenges. Nat Rev Cancer. 5 (3), 161-171 (2005).
  4. 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).
  5. Ormond, A., Freeman, H. Dye Sensitizers for Photodynamic Therapy. Materials. 6 (3), 817-840 (2013).
  6. Pass, H. I. Photodynamic Therapy in Oncology – Mechanisms and Clinical Use. J Natl Cancer Inst. 85 (6), 443-456 (1993).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Grynyuk, I., et al. Photoexcited fullerene C-60 disturbs prooxidant-antioxidant balance in leukemic L1210 cells. Materialwiss Werkstofftech. 44 (2-3), 139-143 (2013).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Chen, Z. Y., MA, L. J., Liu, Y., Chen, C. Y. Applications of Functionalized Fullerenes in Tumor Theranostics. Theranostics. 2 (3), 238-250 (2012).
  14. Park, S. H., et al. Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%. Nat Photonics. 3 (5), 297-302 (2009).

Play Video

Cite This Article
Doshi, M., Gesquiere, A. J. Photodynamic Therapy with Blended Conducting Polymer/Fullerene Nanoparticle Photosensitizers. J. Vis. Exp. (104), e53038, doi:10.3791/53038 (2015).

View Video