Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54277 Общая биофизика General biophysics Общая биофизика MONITORING OF INTRACELLULAR VISCOSITY OF CANCER CELLS UNDER PHOTODYNAMIC TREATMENT WITH A PORPHYRAZINE PHOTOSENSITIZER МОНИТОРИНГ ВНУТРИКЛЕТОЧНОЙ ВЯЗКОСТИ ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК ПРИ ОТВЕТЕ НА ФОТОДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ С ПОМОЩЬЮ ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОРА ПОРФИРАЗИНОВОЙ ПРИРОДЫ Шилягина Н Ю Shilyagina N Yu nat-lekanova@yandex.ru Коныгин К А Konygin K A Костюк А Б Kostyuk A B Лермонтова С А Lermontova S A Клапшина Л Г Klapshina L G Балалаева И В Balalaeva I V Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского ru Lobachevsky University ru Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского ru Lobachevsky University ru Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского ru Lobachevsky University ru Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского; Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева РАН ru Lobachevsky University; G.A. Razuvaev Institute of Organometallic Chemistry of the RAS ru Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского; Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева РАН ru Lobachevsky University; G.A. Razuvaev Institute of Organometallic Chemistry of the RAS ru Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского ru Lobachevsky University ru 25 06 2018 25 06 2018 3 2 261 267 20 06 2018 20 06 2018 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54277/view

В работе продемонстрирована возможность мониторинга ответа опухолевых клеток на фотодинамическое воздействие с помощью фотосенсибилизатора порфиразиновой природы со свойствами вязкостного сенсора. Исследование выполнено с использованием тетрапиррольного красителя - тетра(4-бензилоксифенил)тетрацианопорфиразина. Показано, что порфиразин эффективно поглощает и флуоресцирует в области «окна прозрачности» биологических тканей и демонстрирует свойства флуоресцентного молекулярного ротора, проявляя высокую чувствительность параметров флуоресценции к изменениям вязкости среды. Установлено, что основными местами внутриклеточной локализации порфиразина являются околоядерная область клетки и ядерная оболочка или непосредственно примыкающие к ней структуры. Продемонстрирована высокая фотодинамическая активность порфиразина в отношении клеток эпидермоидной карциномы кожи человека. В экспериментах in vitro зарегистрировано увеличение времени жизни возбужденного состояния порфиразина в клетках после фотодинамического воздействия, свидетельствующее об увеличении локальной внутриклеточной вязкости и начавшихся необратимых дегенеративных процессах, влекущих за собой гибель опухолевых клеток.

The possibility of monitoring of cancer cells response to photodynamic treatment by the use of porphyrazine photosensitizer as a viscosity sensor is shown. The research was done with tetrapyrrole dye - tetra(4- benzyloxyphenyl)tetracyanoporphyrazine. The dye was shown to demonstrate effective absorption and fluorescence in biological transparent window. In addition, the dye has a molecular rotor properties showing high sensitivity of fluorescence parameters to media viscosity changes. Pre-nuclear region and nuclear membrane or its environment are shown to be the primary space of intracellular accumulation of the dye. The high photodynamic activity of the porphyrazine was detected in relation to epidermoid carcinoma cells of human skin. The significant increase of fluorescence life-time of the dye inside the cells was registered after the photodynamic therapy. It may be concerned as an evidence of the local intracellular viscosity increase and a verification of irreversible degenerative processes onset, leading to the death of cancer cells.

 порфиразин фотосенсибилизатор фотодинамическая терапия флуоресцентный молекулярный ротор внутриклеточная вязкость porphyrazine photosensitizer photodynamic therapy fluorescent molecular rotor intracellular viscosity

Ужинов Б.М., Иванов В.Л., Мельников М.Я. Молекулярные роторы - люминесцентные сенсоры локальной вязкости и вязкого течения в растворах и биологических системах. Успехи химии, 2011. т. 80, № 12, с. 1231-1243. [Uzhinov B.M., Ivanov V.L., Melnikov M.Ya. Molecular rotors as luminescence sensors of local viscosity and viscous flow in solutions and organized systems. RUSS CHEM REV, 2011, vol. 80, no. 12, pp.1179-1190. (In Russ.)] Uzhinov B.M., Ivanov V.L., Mel'nikov M.Ya. Molekulyarnye rotory - lyuminescentnye sensory lokal'noy vyazkosti i vyazkogo techeniya v rastvorah i biologicheskih sistemah. Uspehi himii, 2011. t. 80, № 12, s. 1231-1243. [Uzhinov B.M., Ivanov V.L., Melnikov M.Ya. Molecular rotors as luminescence sensors of local viscosity and viscous flow in solutions and organized systems. RUSS CHEM REV, 2011, vol. 80, no. 12, pp.1179-1190. (In Russ.)] Шилягина Н.Ю., Плеханов В.И., Шкунов И.В. Светодиодный излучатель для исследования in vitro световой активности препаратов для фотодинамической терапии. Современные технологии в медицине, 2014, т. 6, № 2, с. 15-24. [Shilyagina N.Y., Plekhanov, V.I., Shkunov I.V., Shilyagin P.A., Dubasova L.V., Brilkina A.A., Sokolova E.A., Turchin I.V., Balalaeva I.V. Sovremennye Tehnologii v Medicine, 2014, vol. 6, no. 2, pp. 15-22. (In Russ.)] Shilyagina N.Yu., Plehanov V.I., Shkunov I.V. Svetodiodnyy izluchatel' dlya issledovaniya in vitro svetovoy aktivnosti preparatov dlya fotodinamicheskoy terapii. Sovremennye tehnologii v medicine, 2014, t. 6, № 2, s. 15-24. [Shilyagina N.Y., Plekhanov, V.I., Shkunov I.V., Shilyagin P.A., Dubasova L.V., Brilkina A.A., Sokolova E.A., Turchin I.V., Balalaeva I.V. Sovremennye Tehnologii v Medicine, 2014, vol. 6, no. 2, pp. 15-22. (In Russ.)] DeRosa M.C., Crutchley R.J. Photosensitized singlet oxygen and its applications. Coordination Chemistry Reviews, 2002, vol. 233, pp. 351-371. DeRosa M.C., Crutchley R.J. Photosensitized singlet oxygen and its applications. Coordination Chemistry Reviews, 2002, vol. 233, pp. 351-371. Förster T., Hoffmann G. Die Viskositatsäbhängigkeit der Fluoreszenzquantenausbeuten einiger Farbstoffsysteme. Z Phys Chem, 1971, vol. 75, p. 6376. Förster T., Hoffmann G. Die Viskositatsäbhängigkeit der Fluoreszenzquantenausbeuten einiger Farbstoffsysteme. Z Phys Chem, 1971, vol. 75, p. 6376. Haidekker M., Brady T., Wen K., Okada C., Stevens H., Snell J., Frangos J., Theodorakis E. Effects of solvent polarity and solvent viscosity on the fluorescent properties of molecular rotors and related probes. Bioorganic Chemistry, 2005, vol. 33, no. 6, pp. 415-425. Haidekker M., Brady T., Wen K., Okada C., Stevens H., Snell J., Frangos J., Theodorakis E. Effects of solvent polarity and solvent viscosity on the fluorescent properties of molecular rotors and related probes. Bioorganic Chemistry, 2005, vol. 33, no. 6, pp. 415-425. Hamblin M.R., Mroz P. History of PDT: The first hundred years. In: Advances in Photodynamic Therapy: Basic, Translational and Clinical. Norwood, MA: Artech House, Inc, 2008. Hamblin M.R., Mroz P. History of PDT: The first hundred years. In: Advances in Photodynamic Therapy: Basic, Translational and Clinical. Norwood, MA: Artech House, Inc, 2008. Izquierdo M. Angeles, Vyšniauskas Aurimas, Lermontova S.A., Grigoryev I.S., Shilyagina N.Y., Balalaeva I.V., Klapshina L.G., Kuimova M.K. Dual use of porphyrazines as sensitizers and viscosity markers during photodynamic therapy. Journal of Materials Chemistry B, 2015, no. 3, pp.1089-1096. Izquierdo M. Angeles, Vyšniauskas Aurimas, Lermontova S.A., Grigoryev I.S., Shilyagina N.Y., Balalaeva I.V., Klapshina L.G., Kuimova M.K. Dual use of porphyrazines as sensitizers and viscosity markers during photodynamic therapy. Journal of Materials Chemistry B, 2015, no. 3, pp.1089-1096. Klapshina L.G., Douglas W.E., Grigoryev I.S., Ladilina E.Yu, Shirmanova М.V., Mysyagin S.A., Balalaeva I.V., Zagaynova E.V. Novel PEG-organized biocompatible fluorescent nanoparticles doped with an ytterbium cyanoporphyrazine complex for biophotonic applications. Chem. Commun., 2010, no. 44, pp. 8398-8400. Klapshina L.G., Douglas W.E., Grigoryev I.S., Ladilina E.Yu, Shirmanova M.V., Mysyagin S.A., Balalaeva I.V., Zagaynova E.V. Novel PEG-organized biocompatible fluorescent nanoparticles doped with an ytterbium cyanoporphyrazine complex for biophotonic applications. Chem. Commun., 2010, no. 44, pp. 8398-8400. Krasnovskii A.A. Photodynamic activity and singlet oxygen. Biofizika, 2004, vol. 49, no. 2, pp. 305-21. Krasnovskii A.A. Photodynamic activity and singlet oxygen. Biofizika, 2004, vol. 49, no. 2, pp. 305-21. Kuimova M.K., Botchway S.W., Parker A.W., Balaz M., Collins H.A., Anderson H.L., Suhling K., Ogilby P.R. Imaging intracellular viscosity of a single cell during photoinduced cell death. Nat Chem, 2009, vol. 1, pp. 69-73. Kuimova M.K., Botchway S.W., Parker A.W., Balaz M., Collins H.A., Anderson H.L., Suhling K., Ogilby P.R. Imaging intracellular viscosity of a single cell during photoinduced cell death. Nat Chem, 2009, vol. 1, pp. 69-73. Kuimova M.K. Mapping viscosity in cells using molecular rotors. Physical Chemistry Chemical Physics, 2012, vol. 14, no. 37, pp. 12671-12686. Kuimova M.K. Mapping viscosity in cells using molecular rotors. Physical Chemistry Chemical Physics, 2012, vol. 14, no. 37, pp. 12671-12686. Lermontova S., Grigorev I. , Shilyagina N., Peskova N., Balalaeva I., Shirmanova M., Klapshina L. New Porphyrazine Macrocycles with High Viscosity-Sensitive Fluorescence Parameters. Russian Journal of General Chemistry, 2016, vol. 86, no. 6, pp. 1011-1018. Lermontova S., Grigorev I. , Shilyagina N., Peskova N., Balalaeva I., Shirmanova M., Klapshina L. New Porphyrazine Macrocycles with High Viscosity-Sensitive Fluorescence Parameters. Russian Journal of General Chemistry, 2016, vol. 86, no. 6, pp. 1011-1018. Lermontova S.A., Grigor’ev I.S., Ladilina E.Y., Balalaeva I.V., Shilyagina N.Y., Klapshina L.G. Porphyrazine Structures with Electron-Withdrawing Substituents as the Base for Materials for Photonics and Biomedicine. Russian Journal of Coordination Chemistry, 2018, vol. 44, no. 4, pp. 301-315. Lermontova S.A., Grigor’ev I.S., Ladilina E.Y., Balalaeva I.V., Shilyagina N.Y., Klapshina L.G. Porphyrazine Structures with Electron-Withdrawing Substituents as the Base for Materials for Photonics and Biomedicine. Russian Journal of Coordination Chemistry, 2018, vol. 44, no. 4, pp. 301-315. Makarov D.A., Yuzhakova O.A., Slivka L.K., Kuznetsova N.A., Negrimovsky V.M., Kaliya O.L., Lukyanets E.A. Cationic Zn and Al phthalocyanines: synthesis, spectroscopy and photosensitizing properties. Journal of Porhyrins and Phthalocyanines, 2007, vol. 11, no. 8, pp. 586-595. Makarov D.A., Yuzhakova O.A., Slivka L.K., Kuznetsova N.A., Negrimovsky V.M., Kaliya O.L., Lukyanets E.A. Cationic Zn and Al phthalocyanines: synthesis, spectroscopy and photosensitizing properties. Journal of Porhyrins and Phthalocyanines, 2007, vol. 11, no. 8, pp. 586-595. Shilyagina N.Yu., Peskova NN, Lermontova SA, Brilkina AA, Vodeneev VA, Yakimansky AV, Klapshina LG, Balalaeva IV. Effective delivery of porphyrazine photosensitizers to cancer cells by polymer brush nanocontainers. Journal of Biophotonics, 2017, vol. 10, no. 9, pp. 1189-1197. Shilyagina N.Yu., Peskova NN, Lermontova SA, Brilkina AA, Vodeneev VA, Yakimansky AV, Klapshina LG, Balalaeva IV. Effective delivery of porphyrazine photosensitizers to cancer cells by polymer brush nanocontainers. Journal of Biophotonics, 2017, vol. 10, no. 9, pp. 1189-1197. Yoon H., Dakanali M., Lichlyter D., Chang W., Nguyen K,.Nipper M., Haidekker M., Theodorakis E. Synthesis and evaluation of self-calibrating ratiometric viscosity sensors. Org. Biomol. Chem., 2011, vol. 9, no. 9, pp. 3530-3540. Yoon H., Dakanali M., Lichlyter D., Chang W., Nguyen K,.Nipper M., Haidekker M., Theodorakis E. Synthesis and evaluation of self-calibrating ratiometric viscosity sensors. Org. Biomol. Chem., 2011, vol. 9, no. 9, pp. 3530-3540.