Project

Discipline

drug delivery; NMR-spectroscopy; photosensitizers; cells; biocompatible nanoparticles; chlorin; photodynamic therapy; Magic angle spinning; photosensitizers

Lead
Porphyrine werden als Photosensibilisatoren in der Photodynamischen Therapie (PDT) von Krebs und anderen Erkrankungen eingesetzt. Da die Porphyrine erst im Zusammenwirken mit Licht und Sauerstoff zelltoxisch wirken, bilden sie eine selektive, vielversprechende Alternative zur herkömmlichen Krebstherapie. Aufgrund ihrer Struktur weisen viele Porphyrine jedoch nur eine verminderte Löslichkeit und damit auch eine verminderte Phototoxizität auf, und die Zahl der zugelassenen Präparate ist bis heute nur sehr gering. Daher wird zur Zeit nach Wegen gesucht, die Effektivität von Porphyrinen für die PDT zu verbessern, z.B. durch den Einsatz von Nanopartikeln als Trägermaterial.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts Ziel dieses Projektes ist es, geeignete Nanopartikel zu finden, welche die Eigenschaften bestimmter Porphyrinderivate bezüglich Löslichkeit, Zellaufnahme und Phototoxizität verbessern. Dazu sollen im Detail folgende Punkte bearbeitet werden: (i) Herstellung von geeigneten biokompatiblen Nanopartikeln und Einlagerung der Porphyrine, welche sich mittels NMR-Spektroskopie sehr gut verfolgen lässt. (ii) Mit Hilfe von Fluoreszenz-technischen Methoden werden die photophysikalischen Eigenschaften sowie die Zellaufnahme des Porphyrin-Nanopartikel-Komplexes untersucht. (iii) Mit HR-MAS NMR Spektroskopie an lebenden Zellen wird die metabolische Response auf den Komplex erprobt sowie die phototoxische Reaktion nach Bestrahlung mit Licht verfolgt. Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts Das Projekt soll dazu beitragen, effizientere Formulierungen für Porphyrin-basierte PDT Medikamente entwickeln zu können. Die Kombination von NMR- und Fluoreszenz-spektroskopischen Methoden sowie die Anwendung von HR-MAS NMR auf lebende Zellen ermöglichen es, viele verschiedene Aspekte simultan zu beleuchten, um ein besseres Verständnis zu erlangen, wie entsprechende Nanopartikel konzipiert sein sollten.

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Last update: 06.05.2014

Active participation

Number	Title	Start	Funding scheme

BackgroundPhotodynamic Therapy (PDT) is based on the light triggered toxicity of photosensitizers (PSs), mainly porphyrinic compounds, accumulating in diseased tissue. PDT is thus a highly selective, minimally invasive treatment modality and as such recognized as promising alternative to conventional cancer therapy. Following the early success of Hematoporphyrin and Photofrin® numerous differently structured 2nd generation porphyrinic PSs have been designed. However, poor water solubility and self-association of porphyrinic PSs under physiologic conditions are still the main limitations of PDT and the reason for the yet small number of clinically approved PDT drugs. Therefore, the development of suitable carrier systems for the most promising PSs like amino acid conjugates of chlorin e6 will allow overcoming these problems thereby making a big step towards successful PDT applications. In particular, the use of biocompatible nanoparticles (NPs) has become a focus of current research in the field of PDT. To date, the number of such 3rd generation PSs associated with NPs is still very limited as is the understanding of NP uptake and interactions with cells. Nevertheless, the entry of PDT into nanomedicine is currently considered the most promising approach towards clinical approval of PDT drugs. Objective The proposed research project is designed as continuation of our previous NMR spectroscopic studies characterizing aggregation behavior and membrane interactions of porphyrinic compounds including amino acid conjugates of chlorin e6. The main goals of this proposal are: A) Preparation of nanoparticles composed of biocompatible block copolymers as carrier systems tailored for encapsulation of amino acid derivatives of chlorin e6. The NP formulation is aimed at preventing self-association of the chlorin compounds, enhancing their stability, cell uptake and intracellular phototoxicity which ultimately will lead to increased PDT efficacy and prospect of clinical approval. Liquid state NMR spectroscopy will be applied as powerful tool providing both, structural and dynamic information, to monitor the encapsulation process and determine the most relevant properties like payload or release rate of the chlorin-carrier systems.B) Application of fluorescence techniques as complementary tool to monitor cell uptake, intracellular localization and photophysical properties of internalized PSs which will help to estimate the synergic effect of the carrier system.C) As new approach in the field of PDT research, High Resolution Magic angle spinning (HR-MAS) NMR spectroscopy will be employed to study the cellular metabolic response to the treatment with pure and NP-encapsulated PS. Moreover, HR-MAS will be applied to monitor the phototoxic reaction following light irradiation.Importance and impactThe design of optimized biocompatible NPs for amino acid conjugates of chlorin e6 will leverage the prospect of clinical approval of these promising PDT drugs. The systems will likewise be transferrable to structurally related PSs thus contributing to improved drug design and better prediction of the treatment outcome. Combining NMR spectroscopy which provides insights into submolecular structural and dynamic properties with fluorescence techniques for photophysical characterization will provide a comprehensive picture of the newly developed PS-NP systems. In particular, the novel approach of HR-MAS NMR applied to living cells will contribute to a better understanding of the mechanisms involved in NP assisted PDT including interactions with cells and cellular uptake.