Singlet oxygen luminescence as an in vivo photodynamic therapy dose metric: validation in normal mouse skin with topical amino-levulinic acid

Although singlet oxygen (1O2) has long been proposed as the primary reactive oxygen species in photodynamic therapy (PDT), it has only recently been possible to detect it in biological systems by its luminescence at 1270 nm. Having previously demonstrated this in vitro and in vivo, we showed that cell survival was strongly correlated to the 1O2 luminescence in cell suspensions over a wide range of treatment parameters. Here, we extend this to test the hypothesis that the photobiological response in vivo is also correlated with 1O2 generation, independent of individual treatment parameters. The normal skin of SKH1-HR hairless mice was sensitised with 20% amino-levulinic acid-induced protoporophyrin IX and exposed to 5, 11, 22 or 50 J cm−2 of pulsed 523 nm light at 50 mW cm−2, or to 50 J cm−2 at 15 or 150 mW cm−2. 1O2 luminescence was measured during treatment and the photodynamic response of the skin was scored daily for 2 weeks after treatment. As observed by other authors, a strong irradiance dependence of the PDT effect was observed. However, in all cases the responses increased with the 1O2 luminescence, independent of the irradiance, demonstrating for the first time in vivo an unequivocal mechanistic link between 1O2 generation and photobiological response

Étude du protocole d'illumination sur le métabolisme tumoral en thérapie photodynamique du cancer à l'aide de l'imagerie tomographique d'émission par positrons

La thérapie photodynamique (TPD) est un traitement du cancer alternatif aux méthodes déjà bien connues telles que la chimiothérapie, la radiothérapie et la chirurgie. La TPD nécessite trois composantes afin de détruire les tissus cancéreux : un agent photosensibilisateur (PS) localisé préférentiellement dans la tumeur, l'oxygène moléculaire présent dans l'environnement tumoral et un faisceau lumineux focalisé à une longueur d'onde permettant l'activation du PS. Les dommages oxydatifs induits par la TPD peuvent être causés selon deux mécanismes d'action et ensuite provoquer différents types de réponse au niveau des cellules tumorales et de leur environnement. En effet, la TPD peut s'attaquer aux cellules tumorales et à leurs constituants directement ou bien détruire la microvascularisation tumorale responsable de l'apport en nutriments et en oxygène. Cette destruction massive engendre par la suite des réponses immunitaires et inflammatoires de différente intensité selon le type de protocole de TPD utilisé. Plusieurs variations de protocole sont possibles en TPD du cancer et la modulation de la lumière à différents niveaux tels que la durée de l'illumination, le débit et la dose totale, semble être un facteur important dans la réponse cellulaire métabolique suite au traitement. En effet, le taux de fluence peut influencer la réponse métabolique des cellules tumorales tout comme la réponse inflammatoire et immunitaire. L'hypothèse de recherche de ces travaux est d'identifier un régime d'illumination optimal favorisant la destruction des cellules tumorales tout en diminuant les effets secondaires induits par le traitement à la TPD. L'étude du protocole d'illumination peut offrir un moyen de mieux comprendre l'implication du débit de lumière dans la réponse tumorale au traitement. La tomographie d'émission par positrons (TEP) est un outil d'imagerie moléculaire non-invasif et très sensible permettant d'étudier plusieurs processus biologiques, physiologiques et moléculaires in vivo dans divers domaines tels que la cardiologie, la neurologie et l'oncologie. Au Centre d'imagerie moléculaire de Sherbrooke (CIMS), la recherche préclinique impliquant la TEP propose, quant à elle, un moyen facile, rapide et non-invasif d'améliorer le développement de nouvelles thérapies et de nouveaux radiotraceurs permettant la détection plus précoce de certains cancers. Le [[indice supérieur 18]F]-fluorodéoxyglucose (FDG) demeure néanmoins le traceur le plus utilisé tant au niveau clinique que préclinique pour évaluer le métabolisme tumoral. La combinaison de l'imagerie TEP à la TPD offre donc une méthode prometteuse pour évaluer l'effet du traitement sur le métabolisme tumoral. D'une part, les modifications de consommation tumorale de glucose permettent de caractériser l'efficacité du traitement résultant de différents taux de fluence. D'autre part, l'observation en temps réel les [des] effets transitoires au niveau du métabolisme tumoral durant la période de traitement a le potentiel de fournir des informations sur les mécanismes d'action de la TPD. En effet, des études antérieures ont permis de démontrer les possibilités offertes par cette combinaison dans l'étude de l'efficacité des PS et dans la détermination de mécanismes d'action responsable de l'action anti-tumorale de la TPD. Ce mémoire propose comme objectif global d'explorer l'apport d'une approche complémentaire aux études in vitro et aux procédures in vivo courantes visant à mieux comprendre la relation entre le débit de lumière et les effets observés à différents temps post-traitement grâce à l'observation des phénomènes survenant immédiatement après le début de l'illumination. Plus spécifiquement, les objectifs sont de déterminer quels sont les taux de fluence favorisant la meilleure réponse métabolique suivant la TPD, d'évaluer le temps de [?] nécessaire afin d'observer un changement métabolique tumoral et de tenter de comprendre quels sont les mécanismes impliqués durant la TPD lorsqu'il y a une variation du taux de fluence. Un modèle animal de rat, portant 2 tumeurs d'adénocarcinome mammaire, a été utilisé lors des expérimentations de TPD combinées à l'imagerie TEP en temps réel. Les résultats obtenus ne parviennent pas à cerner précisément les mécanismes responsables des changements transitoires durant l'illumination, ni à prouver quel taux de fluence serait le plus efficace métaboliquement. Par contre, il est possible d'observer 2 groupes répondant différemment à la TPD : les bas (25 et 50 mW/cm[indice supérieur 2]) et les hauts taux de fluence (100 à 200 mW/cm[indice supérieur 2]). Les résultats de ces 2 groupes soutiennent des hypothèses de travaux en cours ou déjà publiés concernant la vascularisation et l'inflammation et démontrent la faisabilité d'étude d'un modèle de variation de traitement grâce à l'imagerie TEP. D'ailleurs, en plus d'avoir démontré l'intérêt de visualiser la réponse tumorale métabolique et inflammatoire en temps réel durant le traitement, ce projet de recherche pave la voie à l'usage d'autres radiotraceurs afin de mettre en évidence l'effet d'autres processus métaboliques et physiologiques durant et à la suite de la TPD, tels l'apoptose, la stase vasculaire et l'hypoxie. Il s'avère aussi intéressant dans le développement d'autres protocoles d'imagerie en temps réel, tel que pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM), en fournissant de solides bases d'interprétation concernant les changements tumoraux transitoires

Identification of neutrophils as important effector cells in photodynamic therapy

Photodynamic therapy (PDT) is a treatment modality, which is at present widely used on an experimental basis for the treatment of cancer patients. It is based on the light induced excitation of light sensitive chemical compounds localized in malignant tissue. These so-called photosensitizers are capable of absorbing photons due to their extended conjugated ring systems. As a result the compound is excited to the singlet state. By decay of the excited electrons to the ground state electromagnetic energy is released in the form of fluorescence, but some singlet state molecules will undergo intersystem crossover to the triplet state. The energy of these triplet state molecules is conveyed in either of two ways. In the absence of oxygen electrons are transferred to other molecules of the photosensitizer or to biological substrates which will lead to negatively or positively charged radicals (Type I reaction). In the presence of oxygen the energy of the photoexcited sensitizer is directly transferred to oxygen, leading to the formation of singlet oxygen (Type IT reaction). As a result of these reactions the excited photosensitizer will return to its ground state ready to absorb photons again

Killing of organisms responsible for wound infections using a light-activated antimicrobial agent

Infected wounds are a major cause of hospital-acquired infections and these are difficult to treat due to the emergence of antibiotic-resistant bacteria. This project is concerned with evaluating a novel antimicrobial approach involving the photosensitizer indocyanine green (ICG) which generates reactive oxygen species when irradiated with near-infrared (NIR) light which enables good tissue penetration. The photo-susceptibility of common wound-infecting organisms to ICG coupled with NIR-light was investigated. All species were susceptible to killing. ICG at a concentration of 25 μg/mL enabled the killing of the Gram-positive species (Staphylococcus aureus and Streptococcus pyogenes), higher concentrations (100-200μg/mL) were necessary to achieve substantial kills of the Gram-negative species (Pseudomonas aeruginosa and Escherichia coli). Both high and low fluences were able to kill 99.999% of the Gram-positive bacteria. High fluence irradiation was necessary to kill 99.99% of the Gram-negative bacteria. The pulsed-mode of irradiation was as effective as the continuous-mode for killing the Gram-positive species. Yet only the continuous-mode of irradiation was able to kill P. aeruginosa. Biofilms of Staph. aureus and P. aeruginosa were susceptible to disruption and killing by ICG-photosensitization. A significant enhancement of lethal photosensitization of Staph. aureus was achievable using gold-nanoparticles and antioxidants. Significant kills (>99%) were achieved in the presence of serum and 100 μg/mL ICG. A low oxygen concentration reduced the kills to 96.77% and 71.62% for Staph. aureus and Strep. pyogenes respectively. Mechanistic studies revealed that killing was mediated mainly by reactive-oxygen species. In vivo studies in mice showed that ICG and continuous-NIR light could achieve kills of 96%, 93% and 78-91% for P. aeruginosa, Strep. pyogenes and Staph. aureus respectively. The results of these in vitro and in vivo studies imply that ICG-PDT could be an effective means of decreasing the microbial burden in wounds