Untersuchung der physikalischen Grundlagen der Generierung von Singulett-Sauerstoff (1g) bei der photodynamischen Therapie von Tumoren und anderer Hautkrankheiten

Leitung: Prof. Dr. Max Maier

Mitarbeiter: Jürgen Baier und Katrin Pindl



(1) Was ist Singulett-Sauerstoff?

Singulett-Sauerstoff ist der niedrigste elektronische Anregungszustand des molekularen Sauerstoffs. Die geringe Anregungsenergie von 0,98 eV reicht jedoch als Aktivierungsenergie für verschiedene oxidative Prozesse aus, mit welchen eine (erkrankte) Zelle geschädigt werden kann. Spektroskopisch wirkt sich diese geringe Anregungsenergie durch eine Lumineszenz im nahen infraroten Spektralbereich aus, im Falle des 1g-Zustands bei 1,27 µm.

(2) Prinzip der photodynamischen Therapie

In der folgenden Grafik sei der Ablauf der photodynamischen Therapie skizziert:

Photodynamische Tumortherapie

(3) Beispiele für Anwendungsgebiete photodynamischer Therapien

(a) bestimmte Hauttumore (PDT - Photodynamische Tumortherapie)

PDT Bild 2 PDT Bild 3

klinisches Bild  (links) und Fluoreszenzaufnahme (rechts) eines Basalzellenkarzinoms der Haut

(b) Schuppenflechte (PUVA - Psoralen + UVA-Therapie)

PDT Bild 4

 klinisches Bild einer chronischen Psoriasis vulgaris

(4) VerwendetePhotosensibilisatoren und deren subzelluläre Lokalisation

Für die Behandlung der oben genannten Erkrankungen existieren verschiedene Photosensibilisatoren, welche sich sowohl durch deren subzellulärer Lokalisation  wie auch deren Singulett(1g)-Sauerstoff-Quantenausbeute unterscheiden. Die subzelluläre Lokalisation des jeweiligen Photosensibilisators ist insofern entscheidend, als der Ort der Entstehung des Singulett-Sauerstoffs gleichbedeutend mit dem Ort der zellulären Schädigung durch oxidative Prozesse ist. Die Menge an produziertem Singulett- Sauerstoff ist abhängig von der Singulett-Sauerstoff-Quantenausbeute des verwendeten Sensibilisators. Hier ist entweder eine große Quantenausbeute erwünscht, um erkrankte Zellen effektiv zu töten, oder aber eine kleine, um eventuelle Nebenwirkungen möglichst gering zu halten. Die beiden wichtigsten Photosensibilisatoren, deren Singulett-Sauerstoff-Generation momentan am LSt. Maier untersucht wird, seien herausgegriffen:

(a) Photofrin

Photofrin ist ein in Deutschland zugelassener klinischer Photosensibilisator zur Photodynamischen Tumortherapie (PDT). Es ist ein Oligomerengemisch aus veresterten und veretherten Hämatoporphyrinen. Das folgende Bild zeigt die chemische Struktur von Photofrin:

Photophrin

Die subzelluläre Lokalisation zum Zeitpunkt der Therapie ist im Falle des Photofrin die Plasmamenbran der inkubierten Zelle. Somit wird bei der PDT mit Photofrin vorwiegend die Plasmamembran geschädigt, was zu einer Nekrose des behandelten und bestrahlten Gewebes führt. Das folgende Bild zeigt die subzelluläre Lokalisation von Photofrin innerhalb einer menschlichen HT29- (Darmkrebs-) Zelle:

Pdt Bild 6

Lokalisation von Photofrin  (rot) in der Plasmamembran einer HT29-Zelle
der Zellkern ist blau,
die Mitochondrien sind grün gegengefärbt

Photofrin  besitzt eine relativ hohe Singulett-Sauerstoff-Quantenausbeute von Phi_Delta  = 0,33, was es zu einem sehr potenten Photosensibilisator macht.

(b) 8-Methoxypsoralen(8-MOP)

Bei 8-Methoxypsoralen  handelt es sich um ein Psoralenderivat, welches sich in der Zelle an Lipide und Proteine bindet wie auch in den DNA-Doppelstrang interkaliert und unter UVA-Bestrahlung beide Einzelstränge miteinander verbindet. Letzterem wird die Fähigkeit zugeschrieben, die exzessive Zellteilung, welche die Schuppenflechte auszeichnet, zu unterbinden. Die Produktion von Singulett- Sauerstoff bewirkt hier u.a. eine oxidative Schädigung der DNA, was möglicherweise eine der Ursachen der Langzeitnebenwirkung der PUVA- Therapie, nämlich der Induzierung von Hautkrebs, ist. Die folgenden Grafiken zeigen das 8-Methoxypsoralen-Molekül sowie dessen Interkalation zwischen die beiden Einzelstränge der DNA:

Pdt Bild 7

8-Methoxypsoralen

Pdt Bild 8

Interkalation des 8-Methoxypsoralen-Moleküls zwischen
die beiden Einzelstränge der DNA:
rot: 8-Methoxypsoralen
grün: chem. Bindung

8-Methoxypsoralen besitzt eine geringe Singulett-Sauerstoff-Quantenausbeute von  Phi_Delta = 0,02. Dieser geringe Wert ist durchaus wünschenwert, da das Ausmaß der o.g. oxidativen Schädigung der DNA so gering wie möglich zu halten ist.

(5) Modellfür die Entstehung und Relaxation von Singulett-Sauerstoff

Die nachfolgende Grafik gibt die Modellvorstellung für die Entstehung von Singulett- Sauerstoff in Lösungen durch Energieübertrag vom Triplett(T1)-Zustand eines Photosensibilisators und dessen Relaxation wieder. Dargestellt sind der Grundzustand und die beiden untersten Anregungszustände des Sensibilisators, der Grundzustand und der 1g-Zustand des Sauerstoffs sowie sämtliche Möglichkeiten einer Relaxation der relevanten Zustände durch das Lösungsmittel und durch zusätzliche Quencher wie auch der Energieübertrag vom Sensibilisator auf den Sauerstoff und ein möglicher Rücktransfer von Energie.

Pdt Bild 9

(6) Beobachtung der Entstehung und Relaxation von Singulett-Sauerstoff mit Hilfe der zeitaufgelösten Lumineszenzspektroskopie

Mit Hilfe der zeitaufgelösten Lumineszenzspektroskopie bei 1,27 µm wird der zeitliche Verlauf der Intensität der Singulett-Sauerstoff-Lumineszenz gemessen. Die Anregung des Singulett-Sauerstoffs geschieht indirekt durch Anregung eines Photosensibilisators mit Laserstrahlung entsprechender Wellenlänge und anschließendem Energieübertrag auf den Sauerstoff. Der Photosensibilisator befindet sich hierbei entweder in reinem Lösungsmittel (H2O oder D2O), in Suspension von Lipid in Lösungsmittel oder in Suspension von inkubierten Zellen in H2O oder D2O. Desweiteren werden in Fällen, wo die dem obigen Modell entsprechenden Differentialgleichungen keine numerische Lösung erlauben, noch numerische Simulationen durchgeführt. Die folgende Abbildung zeigt zwei exemplarische Einzelmessungen des Lumineszenzsignals von Singulett-Sauerstoff bei 1,27 µm generiert durch 8-Methoxypsoralen ohne Zusatz eines sog. Quenchers (schwarz) und mit Zusatz des spezifischen Singulett-Sauerstoff-Quenchers Natriumazid (NaN3).

Pdt Bild 10

(7) Fragestellungen und Ziele

(8) Bemerkungen

Das gesamte Projekt findet in Zusammenarbeit mit der Klinik und Poliklinik für Dermatologie des Klinikums der Universität Regensburg wie auch mit dem Institut für analytische Chemie der Universität Regensburg statt.



webmaster, letzte Änderung am 26.06.2003