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Dandler, Jörg (2008): Bakteriochlorophyll-Derivate mit Relevanz für die photodynamische Tumortherapie: Lokalisation, Stabilität und Photobiochemie in humanem Blutplasma. Dissertation, LMU München: Faculty of Biology
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Abstract

Die photodynamische Krebstherapie (PDT) hat sich in den letzten Jahren zu einer etablierten Routinebehandlung im klinischen Alltag entwickelt. Die wichtigste Komponente der PDT ist der dabei verwendete Photosensibilisator, dessen physiko-chemische Eigenschaften den Erfolg der Therapie maßgeblich bestimmen. Die detaillierte Kenntnis der in einem natürlichen System auftretenden Wechselwirkungen und Reaktionen zwischen dem Photosensibilisator und biologischen Molekülen ist daher ein wichtiger Schritt in Richtung einer effektiveren und sichereren Anwendung der PDT. Ausgehend von der Entwicklung neuartiger, BChl-basierter PDT-Sensibilisatoren wurden die folgenden Untersuchungen durchgeführt. Es wurden zwei Methoden zur Fraktionierung von humanem Blutplasma etabliert, mittels derer umfangreiche Studien zur Pigmentverteilung von Tetrapyrrolen auf die wichtigsten Blutplasma-Fraktionen durchgeführt werden konnten. Die Pigmentverteilung konnte mit einer Reihe von chemischen Eigenschaften dieser Pigmente korreliert werden. Die hier vorliegende Studie mit insgesamt 22 untersuchten Pigmenten ist die erste systematische Arbeit zu diesem Thema, das für die PDT von zentraler Bedeutung ist. Die Stabilität und Art der Pigmentbindung an die Lipoproteine, sowie diesbezügliche Veränderungen über die Zeit wurden näher charakterisiert. Ebenso konnte die Aggregation und Deaggregation von Pigmenten in Blutplasma, in Detergens-Umgebung, und in FSM verfolgt werden. Die Photostabilität von Tetrapyrrolen in Lipoproteinen, in Detergentien, und in wässrigen Lösungen wurde bestimmt, besonders in Abhängigkeit von der vorherrschenden Sauerstoff-Konzentration. Der bei Belichtung feststellbare Sauerstoff-Verbrauch konnte mittels einer Clark-Elektrode quantifiziert werden. Durch Verwendung von ROS-Quenchern konnte gezeigt werden, dass in Lipoproteinen und in organischen Lösungsmitteln überwiegend Photoreaktionen des Typs II, d. h. unter Beteiligung von Singulett-Sauerstoff stattfinden. Dies konnte in den Lipoproteinen durch HPTLC-Analysen der Oxidationsprodukte des endogenen Cholesterins der Lipoproteine verifiziert werden, in organischen Lösungsmitteln durch Zugabe von Cholesterin. Es konnten photoinduzierte Veränderungen der Oberflächenladung von Lipoproteinen, sowie photoinduzierte Quervernetzungen und Fragmentierungen des Apolipoproteins A-I nachgewiesen werden. Die photoinduzierten Hydro- und Endoperoxide wurden durch zwei fluoreszenzspektroskopische Testverfahren quantifiziert. Durch HPLC-Analysen belichteter Lipoproteine konnten sowohl Oxidationsprodukten der ROS-generierenden Tetrapyrrole selbst, als auch der endogenen Carotinoide der Lipoproteine identifiziert werden. Vergleichende Studien in organischen Lösungsmitteln zeigten eine zum Teil unerklärliche Abhängigkeit der Photostabilität der Tetrapyrrole von der Art des verwendeten Lösungsmittels. Es konnte erstmals ein Photoprodukt isoliert und spektroskopisch charakterisiert werden, bei dem es photoinduziert zu einer kovalenten Bindung eines Lösungsmittelmoleküls (Aceton) an ein Tetrapyrrolmolekül (BChl a) kam.

Abstract

The Photodynamic Therapy (PDT) of cancer has evolved into an established treatment in clinical routine. Key component of PDT is the photosensitizer; its physical, chemical and physiological properties strongly influence the success of the therapy. Detailed knowledge of the interactions und reactions between the photosensitizer and biological molecules in the native environment are important steps towards a more effective and reliable application of PDT. The following investigations have been made based on the development of new photosensitizers derived from bacteriochlorophyll. Two methods for the fractionation of human blood plasma have been established, which allowed comprehensive studies concerning the distribution of tetrapyrroles on the major fractions of blood plasma, and their exchange dynamics. The tetrapyrrole distribution has been correlated with several chemical properties of these pigments. The survey of 22 bacteriochlorophyllous pigments represents the first systematic work on this subject, which is of central importance for PDT. The stability and nature of pigment binding, as well as structure-related variations have been characterized over time. The aggregation und de-aggregation of pigments in blood plasma, in detergent environment, and in FSM (folded-sheet mesoporous materials) have been followed spectroscopically. The photostability of tetrapyrroles has been determined in lipoproteins, in detergents, and in aqueous solutions, especially in relation to oxygen concentration. The photo-induced oxygen consumption has been quantified via a Clark-type electrode. The usage of selective quenchers of reactive oxygen species (ROS) indicated a predominant occurrence of type II photoreactions (participation of singlet oxygen) in lipoproteins and organic solvents. This finding has been verified in lipoproteins by high performance thin-layer chromatography (HPTLC) of oxidation products of endogenous cholesterol; in the case of organic solvents cholesterol has been added externally. Photo-induced modifications of the lipoprotein surface charge, as well as photo-induced crosslinking of the apolipoprotein A-I have been detected. Photo-induced hydro- and endoperoxides have been quantified by two fluorometric assays. Several photo-oxidation products of exogenous tetrapyrroles and endogenous lipoprotein carotenoids have been identified by high performance liquid chromatography (HPLC). Comparative investigations in organic solvents showed a partly unexplainable dependence of tetrapyrrole photo-stability on the nature of the used solvent. A photo-product has been isolated and spectroscopically characterized, which exhibits a covalent bond between a solvent molecule (acetone) and a tetrapyrrole molecule (BChl a).