Design of novel sensitizers and investigation of tumor targeting carrier systems for their applications in photodynamic therapy

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Epe
• Fachliche Zuordnung: Pharmakologie
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 119930158

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projektes war es, neue Kassen von Photosensibilisatoren für die Photodynamische Therapie (PDT) maligner Tumore zu entwickeln. Neben der Optimierung der zytotoxischen und DNA-schädigenden Wirkungen der Verbindungen sollten insbesondere Möglichkeiten untersucht werden, die Photosensibilisatoren über Folatrezeptor-vermittelte Aufnahme gezielt und selektiv in abzutötende Zielzellen (Krebszellen) zu transportieren. Diverse Squarain-Derivate, die im Labor unseres Kooperationspartners Dr. D. Ramaiah (Trivandrum, Indien) synthetisiert wurden, wiesen sehr günstige photophysikalische und photochemische Eigenschaften auf und zeigten eine hohe Phototoxizität bei geringer Zytotoxizität ohne Licht. Da die Verbindungen außerdem stark an Albumin binden, wurde zunächst untersucht, ob sich mit nicht-kovalenten Albumin-Konjugaten eine selektive Abtötung von Krebszellen, die den Folatrezeptor FRα exprimieren, erreichen lässt. Als Trägersystem wurde dazu ein mit Folatresten substituiertes Albumin hergestellt. Es zeigte sich jedoch, dass eine relativ schnelle Umverteilung des nicht-kovalent gebundenen Squarains vom Albumin in die Zellmembranen der Krebszellen erfolgt, die eine rezeptorvermittelte (und damit Tumorzell-spezifische) Aufnahme des Squarains umgeht. Eine kovalente Bindung von Squarainen an Albumin gelang ebenfalls. Mit den Addukten konnte jedoch ebenfalls keine von der Expression des FRα-Rezeptors abhängige und damit Tumorzell-spezifische Phototoxizität erzielt werden, unter anderem weil sich die erreichbare kovalente Beladung des Albumins mit Squarainen als zu gering erwies. Als alternative Transportsysteme wurden DNA-Polypropylenoxid- und DNA-Polyisopren Copolymer-Nanopartikel untersucht, an die durch Hybridisierung Oligonukleotide gebunden wurden, die kovalent mit Folat- und Photosensibilisator- Bausteinen verknüpft wurden. Mit den bisher untersuchten Kombinationen ließ sich allerdings keine ausreichend hohe Phototoxizität der beladenen Partikel erreichen. Eine Folatrezeptor-vermittelte Aufnahme konnte jedoch für kovalente Addukte von polaren Photosensibilisatoren mit β-Carbolin-Struktur an Folat-substituiertes Albumin gezeigt werden. Die erzielten methodischen Ergebnisse werden zur Zeit auf andere, für eine PDT besser geeignete Chromophore übertragen. In den Untersuchungen mit Folat-Transportsystemen für Photosensibilisatoren wurde als Nebenbefund eine erhebliche Phototoxizität und Photogenotoxizität der Folsäure selbst beobachtet. Bei Bestrahlung von Zellen in Gegenwart von Folat wird sie überwiegend durch extrazellulär angeregtes Folat und dabei entstehende reaktive Sauerstoffspezies vermittelt. Eine DNA-schädigende und damit potentiell krebserregende Wirkung von intrazellulärem, über die Folatrezeptoren aufgenommenem Folat wurde nur dann nachgewiesen, wenn dessen Reduktion durch die zelluläre Folat-Reduktase verlangsamt ist, zum Beispiel in Gegenwart von Methotrexat.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Photoinduced DNA Cleavage Efficiency and Cytotoxicity of Novel Viologen Linked Pyrene Conjugates. Chem Commun., 46, 2064-2066 (2010)
  Hariharan, M., Ramaiah, D., Schulz, I. and Epe, B.
  
• DNA damage spectra induced by photosensitization. Photochem. Photobiol. Sci., 11, 98-106 (2012)
  Epe, B.
  
• Photosensitization of DNA by β-carbolines: kinetic analysis and photoproducts characterization. Org. Biomol. Chem., 10, 1807-19 (2012)
  Gonzalez, M.M., Vignoni, M., Pellon-Maison, M., Alés-Gandolfo, M.A., Gonzalez-Baro, M.R., Erra-Balsells, R., Epe, B. and Cabrerizo, F.M.
  
• Mechanisms of DNA damage by photoexcited 9-methyl-βcarbolines. Org. Biomol. Chem., 11, 5300-5309 (2013)
  Vignoni, M., Rasse-Suriani, F.A., Butzbach, K., Erra-Balsells, R., Epe, B. and Cabrerizo, F.M.
  
• Photogenotoxicity of folic acid. Free Radical Biol. Med., 65, 821-827 (2013)
  Butzbach, K. and Epe, B.
  
• Study of the mode and efficiency of DNA Binding in the damage induced by photoactivated water soluble porphyrins. Photochem. Photobiol. 89, 1100-1105 (2013)
  Karunakaran, S.C., Ramaiah, D. Schulz, I. and Epe, B.
  
• Intra and extra-cellular DNA damage by harmine and 9-methyl-harmine. J. Photochem. Photobiol. B: Volume 132, 5 March 2014, Pages 66-71
  Vignoni, M., Erra-Balsells, R., Epe, B. and Cabrerizo, F.M.