Summary

العلاج الضوئي مع المخلوطة إجراء البوليمر / الفوليرين الجسيمات النانوية الضيائية

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

في العلاج الضوئي تدار (PDT) الضيائية لاستهداف الأنسجة، وعند التعرض للضوء الضيائي يولد أنواع الاكسجين التفاعلية (ROS). يمكن الأنواع ROS مثل الأكسجين القميص والفائق لحث الاكسدة وأضرار هيكلية لاحقة إلى الخلايا والأنسجة 1-4. نظرا لسهولة تطبيقه قد حققت هذه الطريقة بنشاط واتخذت التجارب السريرية مكان 5،6. ومع ذلك، لا تزال هناك قضايا هامة مثل سمية المظلمة للمحسسات، وحساسية المريض للضوء (بسبب التوزيع غير انتقائية المادة المحسسة)، وللا مائية من المحسسات (الأمر الذي يؤدي إلى انخفاض التوافر البيولوجي والسمية الحادة المحتملة).

نحن هنا الإبلاغ عن طريقة لتصنيع وفي المختبر تقييم إجراء النانوية البوليمر المخلوطة مع فوليرين كما الضيائية الجيل القادم لPDT. تتشكل جزيئات طريق التجميع الذاتي للوشبه الموصلة البوليمر MEH-PPV (بولي [2-ميثوكسي-5- (2-ethylhexyloxy) -1،4-phenylenevinylene]) مع PCBM فوليرين (فينيل-C 61 حمض -butyric استر الميثيل) عندما تكون هذه المواد المذابة في متوافق مذيب يتم حقن بسرعة إلى مذيب غير متوافق (الشكل 1A). والدافع وراء اختيار مه PPV-كما البوليمر المضيف عن طريق معامل لانقراض العالية التي تؤدي إلى ارتفاع معدلات تشكيل الثلاثي، وكلاهما فعال وفائق السرعة تهمة ونقل الطاقة إلى PCBM فوليرين 7. هذه الخصائص هي مثالية للتوعية الأكسجين القميص وتشكيل الفائق في PDT.

وفي الواقع تم تطبيق فوليرين في PDT في كل من الشكل الجزيئي وجسيمات متناهية الصغر 13/08. ومع ذلك، سمية الخلايا الشديدة أعاقت مزيد من التطوير 12. نحن هنا تبين أن التغليف الفوليرين في مصفوفة كبيرة من MEH-PPV لانتاج مركب النتائج النانوية MEH-PPV / PCBM في مادة توعية PDT أننيليست السامة للخلايا في جوهرها، ويظهر خصوصية نحو الخلايا السرطانية بسبب حجم جسيمات متناهية الصغر وتهمة السطحية، وعوائد العلاج PDT فعالة للغاية في جرعات الإضاءة الخافتة وذلك بسبب خصائص بالفوتونات المذكورة آنفا.

Protocol

1. التثقيف خطوط الخليوي ذوبان الجليد TE 71 (ماوس الخلايا الظهارية الغدة الصعترية)، MDA-MB-231 (خلايا سرطان الثدي البشرية)، A549 (خلايا سرطان الرئة البشرية) وOVCAR3 (الخلايا السرطانية في المبيض الإنسان) من خلال عقد قارورة كريوجين في…

Representative Results

امتصاص والسمية الخلوية الجوهرية النانوية حضنت 50٪ بالوزن المخلوطة النانوية مه-PPV / PCBM مع TE 71، MDA-MB-231، A549 وخطوط الخلايا OVCAR3. وقد تم اختيار مستوى PCBM مزج إلى 50٪ بالوزن PCBM، وهو ما ثبت لتوفير مثالية تهمة ونقل الطاقة بين خصائص البوليمرات و…

Discussion

لتحقيق امتصاص جسيمات متناهية الصغر من الضروري للحفاظ على بعض التدابير الحاسمة في حين افتعال النانوية. وكان 10 -6 M حل MEH-PPV (المخلوطة مع 50٪ بالوزن PCBM) في THF استعداد لضخ المياه إلى DI، كما لوحظ أن تركيز هذا الحل يلعب دورا هاما في تحديد حجم الجسيمات النانوية التي يجري تش…

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