Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54374 МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ MEDICAL BIOPHYSICS AND BIOPHYSICAL CHEMISTRY МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ REAL-TIME MONITORING OF HYDROGEN PEROXIDE PRODUCTION IN PHOTODYNAMICALLY TREATED CANCER CELLS МОНИТОРИНГ ПРОДУКЦИИ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА В ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТКАХ В ОТВЕТ НА ФОТОДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ Горохова А А Gorokhova A A anastasiya-dosaeva@yandex.ru Пескова Н Н Peskova N N Брилкина А А Brilkina A A Шилягина Н Ю Shilyagina N Y Балалаева И В Balalaeva I V Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского ru N.I. Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod ru Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского ru N.I. Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod ru Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского ru N.I. Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod ru Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского ru N.I. Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod ru Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского ru N.I. Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod ru 25 12 2018 25 12 2018 3 4 831 839 20 12 2018 20 12 2018 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54374/view

Интерес к пероксиду водорода обусловлен его двоякой ролью - участием в развитии свободно-радикального окисления и выполнением функции сигнальной молекулы, принимающей участие в регуляции множества клеточных процессов. HyPer является флуоресцентным сенсором белковой природы, который позволяет регистрировать динамику изменения внутриклеточной концентрации Н2О2. В ходе работы нами была получена стабильно трансфицированная линия эпидермоидной карциномы человека A431-HyPer. Было экспериментально показано, что проведенная трансфекция не оказала существенного влияния на устойчивость к фотодинамическому воздействию с препаратом Фотодитазин®. С использованием полученной линии A431-HyPer зарегистрировано монотонное увеличение содержания H2O2 в цитоплазме клеток, предынкубированных с фотодитазином, в течение получаса после облучения в дозе 50 Дж/см2. Увеличение содержания Н2О2 в течение сравнительно длительного времени после облучения позволяет говорить о его продукции в ходе вторичных процессов, развивающихся вследствие фотодинамического воздействия.

Hydrogen peroxide plays a dual role in the cell: it participates in the development of free radical oxidation and functions as a signal molecule that takes part in the regulation of a variety of cellular processes. This causes a particular interest to hydrogen peroxide. HyPer is a fluorescent sensor of protein nature, which allows monitoring of the dynamic of intracellular H2O2 concentration. We create a stably transfected cell line of human epidermoid carcinoma A431-HyPer. It was experimentally proved that the performed transfection had no significant effect on the resistance of the cells to photodynamic treatment with Fotoditazin®. Using the obtained A431-HyPer cell line, a monotonous increase in the H2O2 content in the cytoplasm of the cells pre-incubated with Photoditazine was registered for half an hour after irradiation at a dose of 50 J/cm2. An increase in the H2O2 content for a relatively long time after light irradiation allows to conclude that it produced in the secondary processes developing as a result of photodynamic treatment.

 фотодинамическая терапия (ФДТ) пероксид водорода белковый сенсор HyPer фотодитазин photodynamic therapy (PDT) hydrogen peroxide protein sensor HyPer Fotoditazin

Странадко Е.Ф. Исторический очерк развития фотодинамической терапии. Лазерная медицина, 2002, т. 6, № 1, с. 4-8. [Stranadko E.F. Historical outline of the development of photodynamic therapy action. Lazernaja medicina, 2002, vol. 6, no. 1, pp. 4-8. (In Russ.)] Stranadko E.F. Istoricheskiy ocherk razvitiya fotodinamicheskoy terapii. Lazernaya medicina, 2002, t. 6, № 1, s. 4-8. [Stranadko E.F. Historical outline of the development of photodynamic therapy action. Lazernaja medicina, 2002, vol. 6, no. 1, pp. 4-8. (In Russ.)] Гейниц А.В., Сорокатый А.Е., Ягудаев Д.М., Трухманов Р.С. [и др.] Фотодинамическая терапия. История создания метода и ее механизмы. Лазерная медицина, 2007, т. 11, № 3, с. 42-46. [Geinitz A.V., Sorokaty A.E., Yagudajev D.M., Trukhmanov R.S. Photodynamic therapy. The history and mechanisms of its action. Lazernaja medicina, 2007, vol. 11, no. 3, pp. 42-46. (In Russ.)] Geynic A.V., Sorokatyy A.E., Yagudaev D.M., Truhmanov R.S. [i dr.] Fotodinamicheskaya terapiya. Istoriya sozdaniya metoda i ee mehanizmy. Lazernaya medicina, 2007, t. 11, № 3, s. 42-46. [Geinitz A.V., Sorokaty A.E., Yagudajev D.M., Trukhmanov R.S. Photodynamic therapy. The history and mechanisms of its action. Lazernaja medicina, 2007, vol. 11, no. 3, pp. 42-46. (In Russ.)] Узденский А.Б. Клеточно-молекулярные механизмы фотодинамической терапии. СПб.: Наука, 2010, 327 с. [Uzdensky A.B. Cellular and molecular mechanisms of photodynamic therapy. Saint Peterburg: Nauka, 2010, 327 p. (In Russ.)] Uzdenskiy A.B. Kletochno-molekulyarnye mehanizmy fotodinamicheskoy terapii. SPb.: Nauka, 2010, 327 s. [Uzdensky A.B. Cellular and molecular mechanisms of photodynamic therapy. Saint Peterburg: Nauka, 2010, 327 p. (In Russ.)] Allison R.R., Downie G.H., Cuenca R., Hu X.H., Childs C.J., Sibata C.H. Photosensitizers in clinical PDT. Photodiagnosis and photodynamic therapy, 2004, vol. 1, no. 1, pp. 27-42. Allison R.R., Downie G.H., Cuenca R., Hu X.H., Childs C.J., Sibata C.H. Photosensitizers in clinical PDT. Photodiagnosis and photodynamic therapy, 2004, vol. 1, no. 1, pp. 27-42. Донцов В.И., Крутько В.Н., Мрикаев Б.М., Уханов С.В. Активные формы кислорода как система: значение в физиологии, патологии и естественном старении. Труды института системного анализа российской академии наук, 2006, т. 19, с. 50-69. [Dontsov V.I., Krut’ko V.N., Mrikaev B.M., Ukhanov S.V. Reactive oxygen species as a system: significance in physiology, pathology and natural ageing. Proceedings SAI RAS, 2006, vol. 19, pp. 50-69. (In Russ.)] Doncov V.I., Krut'ko V.N., Mrikaev B.M., Uhanov S.V. Aktivnye formy kisloroda kak sistema: znachenie v fiziologii, patologii i estestvennom starenii. Trudy instituta sistemnogo analiza rossiyskoy akademii nauk, 2006, t. 19, s. 50-69. [Dontsov V.I., Krut’ko V.N., Mrikaev B.M., Ukhanov S.V. Reactive oxygen species as a system: significance in physiology, pathology and natural ageing. Proceedings SAI RAS, 2006, vol. 19, pp. 50-69. (In Russ.)] Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. М.: Дрофа, 2006. [Vladimirov Yu.A., Potapenko A.Ya. Fiziko-khimicheskie osnovy fotobiologicheskikh protsessov: uchebnik dlya vuzov , Moscow: Drofa, 2006. (In Russ.)] Vladimirov Yu.A., Potapenko A.Ya. Fiziko-himicheskie osnovy fotobiologicheskih processov. M.: Drofa, 2006. [Vladimirov Yu.A., Potapenko A.Ya. Fiziko-khimicheskie osnovy fotobiologicheskikh protsessov: uchebnik dlya vuzov , Moscow: Drofa, 2006. (In Russ.)] Красновский А.А. Первичные механизмы фотоактивации молекулярного кислорода. История развития и современное состояние исследований (обзор). Биохимия, 2007, т. 72, № 10, с. 1311-1329. [Krasnovsky A.A. Primary mechanisms of photoactivation of molecular oxygen. History of development and the modern status of research. Biochemistry (Moscow), 2007, vol. 72, no. 10, pp. 1065-1080. (In Russ.)] Krasnovskiy A.A. Pervichnye mehanizmy fotoaktivacii molekulyarnogo kisloroda. Istoriya razvitiya i sovremennoe sostoyanie issledovaniy (obzor). Biohimiya, 2007, t. 72, № 10, s. 1311-1329. [Krasnovsky A.A. Primary mechanisms of photoactivation of molecular oxygen. History of development and the modern status of research. Biochemistry (Moscow), 2007, vol. 72, no. 10, pp. 1065-1080. (In Russ.)] Chen H., Tian J., He W., Guo Z. H2O2-activatable and O2-evolving nanoparticles for highly efficient and selective photodynamic therapy against hypoxic tumor cells. Journal of the American Chemical Society, 2015, vol. 137, no. 4, pp. 1539-1547. Chen H., Tian J., He W., Guo Z. H2O2-activatable and O2-evolving nanoparticles for highly efficient and selective photodynamic therapy against hypoxic tumor cells. Journal of the American Chemical Society, 2015, vol. 137, no. 4, pp. 1539-1547. Price M., Reiners J.J., Santiago A.M., Kessel D. Monitoring singlet oxygen and hydroxyl radical formation with fluorescent probes during photodynamic therapy. Photochemistry and photobiology, 2009, vol. 85, no. 5, pp. 1177-1181. Price M., Reiners J.J., Santiago A.M., Kessel D. Monitoring singlet oxygen and hydroxyl radical formation with fluorescent probes during photodynamic therapy. Photochemistry and photobiology, 2009, vol. 85, no. 5, pp. 1177-1181. Halliwell B. Biochemistry of oxidative stress, 2007. Halliwell B. Biochemistry of oxidative stress, 2007. Storz G., Tartaglia L.A., Ames B.N. Transcriptional regulator of oxidative stress-inducible genes: direct activation by oxidation. Science, 1990, vol. 248, no. 4952, pp. 189-194. Storz G., Tartaglia L.A., Ames B.N. Transcriptional regulator of oxidative stress-inducible genes: direct activation by oxidation. Science, 1990, vol. 248, no. 4952, pp. 189-194. Rhee S.G. [et al.] Methods for detection and measurement of hydrogen peroxide inside and outside of cells. Molecules and cells, 2010, vol. 29, no. 6, pp. 539-549. Rhee S.G. [et al.] Methods for detection and measurement of hydrogen peroxide inside and outside of cells. Molecules and cells, 2010, vol. 29, no. 6, pp. 539-549. Belousov V.V. Fradkov A.F., Lukyanov K.A., Staroverov D.B., Shakhbazov K.S., Terskikh A.V., Lukyanov S. Genetically encoded fluorescent indicator for intracellular hydrogen peroxide. Nature methods, 2006, vol. 3, no. 4, p. 281. Belousov V.V. Fradkov A.F., Lukyanov K.A., Staroverov D.B., Shakhbazov K.S., Terskikh A.V., Lukyanov S. Genetically encoded fluorescent indicator for intracellular hydrogen peroxide. Nature methods, 2006, vol. 3, no. 4, p. 281. Билан Д.С. Генетически кодируемые флуоресцентные сенсоры окислительно-восстановительных процессов в живых системах. Биоорганическая химия, 2015, т. 41, № 3, с. 259-274. [Bilan D.S., Lukyanov S.A., Belousov V.V. Genetically encoded fluorescent sensors for redox processes. Russian Journal of Bioorganic Chemistry, 2015, vol. 41, no. 3, pp. 231-244. (In Russ.)] Bilan D.S. Geneticheski kodiruemye fluorescentnye sensory okislitel'no-vosstanovitel'nyh processov v zhivyh sistemah. Bioorganicheskaya himiya, 2015, t. 41, № 3, s. 259-274. [Bilan D.S., Lukyanov S.A., Belousov V.V. Genetically encoded fluorescent sensors for redox processes. Russian Journal of Bioorganic Chemistry, 2015, vol. 41, no. 3, pp. 231-244. (In Russ.)] Lukyanov K.A., Belousov V.V. Genetically encoded fluorescent redox sensors. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-General Subjects, 2014, vol. 1840, no. 2, pp. 745-756. Lukyanov K.A., Belousov V.V. Genetically encoded fluorescent redox sensors. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-General Subjects, 2014, vol. 1840, no. 2, pp. 745-756. Фрешни Р.Я. Культура животных клеток. Практическое руководство. М.: Бином, 2010, т. 2. [Freshney R.J. Culture of Animal Cells: A Manual of Basic Technique. Wiley-Liss, 1987, p. 397.] Freshni R.Ya. Kul'tura zhivotnyh kletok. Prakticheskoe rukovodstvo. M.: Binom, 2010, t. 2. [Freshney R.J. Culture of Animal Cells: A Manual of Basic Technique. Wiley-Liss, 1987, p. 397.] Шилягина Н.Ю., Плеханов В.И., Шкунов И.В., Шилягин П.А., Дубасова Л.В., Брилкина А.А., Соколова Е.А., Турчин И.В., Балалаева И.В. Светодиодный излучатель для исследования in vitro световой активности препаратов для фотодинамической терапии. Современные технологии в медицине, 2014, т. 6, № 2. [Shilyagina N.Y., Plekhanov V.I., Shkunov I.V., Shilyagin P.А., Dubasova L.V., Brilkina А.А., Sokolova E.A., Turchin I.V., Balalaeva I.V. LED light source for in vitro study of photosensitizing agents for photodynamic therapy. Modern Techologies in Medicine, 2014, vol. 6, no. 2. (In Russ.)] Shilyagina N.Yu., Plehanov V.I., Shkunov I.V., Shilyagin P.A., Dubasova L.V., Brilkina A.A., Sokolova E.A., Turchin I.V., Balalaeva I.V. Svetodiodnyy izluchatel' dlya issledovaniya in vitro svetovoy aktivnosti preparatov dlya fotodinamicheskoy terapii. Sovremennye tehnologii v medicine, 2014, t. 6, № 2. [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. LED light source for in vitro study of photosensitizing agents for photodynamic therapy. Modern Techologies in Medicine, 2014, vol. 6, no. 2. (In Russ.)] Белый Ю.А., Терещенко А.В., Володин П.Л., Каплан М.А. [и др.] Лечение меланом сосудистой оболочки глаза малого размера методом фотодинамической терапии с препаратом фотодитазин. Российский биотерапевтический журнал, 2008, т. 7, № 4. [Belyy Yu.A, Tereschenko A.V., Volodin P.L., Kaplan M.A. Photodynamic therapy with photodytazin for the treatment of the small choroidal melanomas. Rossiiskii bioterapevticheskii zhurnal, 2008, vol. 7, no. 4. (In Russ.)] Belyy Yu.A., Tereschenko A.V., Volodin P.L., Kaplan M.A. [i dr.] Lechenie melanom sosudistoy obolochki glaza malogo razmera metodom fotodinamicheskoy terapii s preparatom fotoditazin. Rossiyskiy bioterapevticheskiy zhurnal, 2008, t. 7, № 4. [Belyy Yu.A, Tereschenko A.V., Volodin P.L., Kaplan M.A. Photodynamic therapy with photodytazin for the treatment of the small choroidal melanomas. Rossiiskii bioterapevticheskii zhurnal, 2008, vol. 7, no. 4. (In Russ.)] Волгин В.Н., Странадко Е.Ф. Изучение фармакокинетики фотодитазина при базально-клеточном раке кожи. Лазерная медицина, 2011, т. 15, № 1, с. 33-37. [Volgin V.N., Stranadko Ye.F. Studies of Photoditazin pharmacokinetics in basal-cell skin cancer. Lazernaja medicinа, 2011, vol. 15, no. 1, pp. 33-37. (In Russ.)] Volgin V.N., Stranadko E.F. Izuchenie farmakokinetiki fotoditazina pri bazal'no-kletochnom rake kozhi. Lazernaya medicina, 2011, t. 15, № 1, s. 33-37. [Volgin V.N., Stranadko Ye.F. Studies of Photoditazin pharmacokinetics in basal-cell skin cancer. Lazernaja medicina, 2011, vol. 15, no. 1, pp. 33-37. (In Russ.)] Брилкина А.А., Дубасова Л.В., Балалаева И.В., Орлова А.Г., Сергеева Е.А., Катичев А.Р., Шахова Н.М. Исследование внутриклеточного распределения фотосенсибилизаторов трех типов в опухолевых клетках человека методом лазерной сканирующей микроскопии. Технологии живых систем, 2011, т. 8, № 8, с. 32-39. [Brilkina A.A., Dubasova L.V., Balalaeva I.V., Orlova A.G., Sergeeva E.A., Katichev A.R., Shakhova N.M. The study of subcellular distribution of three types of photosensitizers in human cancer cells by laser scanning microscopy. Technologies of Living Systems, 2011, vol. 8, no. 8, pp. 32-39. (In Russ.)] Brilkina A.A., Dubasova L.V., Balalaeva I.V., Orlova A.G., Sergeeva E.A., Katichev A.R., Shahova N.M. Issledovanie vnutrikletochnogo raspredeleniya fotosensibilizatorov treh tipov v opuholevyh kletkah cheloveka metodom lazernoy skaniruyuschey mikroskopii. Tehnologii zhivyh sistem, 2011, t. 8, № 8, s. 32-39. [Brilkina A.A., Dubasova L.V., Balalaeva I.V., Orlova A.G., Sergeeva E.A., Katichev A.R., Shakhova N.M. The study of subcellular distribution of three types of photosensitizers in human cancer cells by laser scanning microscopy. Technologies of Living Systems, 2011, vol. 8, no. 8, pp. 32-39. (In Russ.)] Brilkina A.A., Peskova N.N., Dudenkova V.V., Gorokhova A.A., Sokolova E.A., Balalaeva I.V. Monitoring of hydrogen peroxide production under photodynamic treatment using protein sensor HyPer. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 2018, vol. 178, pp. 296-301. Brilkina A.A., Peskova N.N., Dudenkova V.V., Gorokhova A.A., Sokolova E.A., Balalaeva I.V. Monitoring of hydrogen peroxide production under photodynamic treatment using protein sensor HyPer. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 2018, vol. 178, pp. 296-301. 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. Yu Z., Sun Q., Pan W., Li N., Tang B. A near-infrared triggered nanophotosensitizer inducing domino effect on mitochondrial reactive oxygen species burst for cancer therapy. Acs Nano, 2015, vol. 9, no. 11, pp. 11064-11074. Yu Z., Sun Q., Pan W., Li N., Tang B. A near-infrared triggered nanophotosensitizer inducing domino effect on mitochondrial reactive oxygen species burst for cancer therapy. Acs Nano, 2015, vol. 9, no. 11, pp. 11064-11074. Chernyak B.V., Izyumov D.S., Lyamzaev K.G., Pashkovskaya A.A., Pletjushkina O.Y., Antonenko Y.N., Sakharov D.V., Wirtz K.W.A., Skulachev V.P. Production of reactive oxygen species in mitochondria of HeLa cells under oxidative stress. Biochimica et Biophysica Acta, 2006, vol. 1757, pp. 525-534. Chernyak B.V., Izyumov D.S., Lyamzaev K.G., Pashkovskaya A.A., Pletjushkina O.Y., Antonenko Y.N., Sakharov D.V., Wirtz K.W.A., Skulachev V.P. Production of reactive oxygen species in mitochondria of HeLa cells under oxidative stress. Biochimica et Biophysica Acta, 2006, vol. 1757, pp. 525-534. Zhao H., Xing D., Chen Q. New insights of mitochondria reactive oxygen species generation and cell apoptosis induced by low dose photodynamic therapy. European Journal of Cancer, 2011, vol. 47, no. 18, pp. 2750-2761. Zhao H., Xing D., Chen Q. New insights of mitochondria reactive oxygen species generation and cell apoptosis induced by low dose photodynamic therapy. European Journal of Cancer, 2011, vol. 47, no. 18, pp. 2750-2761. Luo J., Li L., Zhang Y., Spitz D.R., Buettner G.R., Oberley L.W., Domann F.E. Inactivation of primary antioxidant enzymes in mouse keratinocytes by photodynamically generated singlet oxygen. Antioxid Redox Signal, 2006, no. 8, pp. 1307-1314. Luo J., Li L., Zhang Y., Spitz D.R., Buettner G.R., Oberley L.W., Domann F.E. Inactivation of primary antioxidant enzymes in mouse keratinocytes by photodynamically generated singlet oxygen. Antioxid Redox Signal, 2006, no. 8, pp. 1307-1314.