Head & neck optical diagnostics: vision of the future of surgery

Review paper and Proceedings of the Inaugural Meeting of the Head and Neck Optical Diagnostics Society (HNODS) on March 14th 2009 at University College London

The future of medical diagnostics: Review paper

While histopathology of excised tissue remains the gold standard for diagnosis, several new, non-invasive diagnostic techniques are being developed. They rely on physical and biochemical changes that precede and mirror malignant change within tissue. The basic principle involves simple optical techniques of tissue interrogation. Their accuracy, expressed as sensitivity and specificity, are reported in a number of studies suggests that they have a potential for cost effective, real-time, in situ diagnosis. We review the Third Scientific Meeting of the Head and Neck Optical Diagnostics Society held in Congress Innsbruck, Innsbruck, Austria on the 11th May 2011. For the first time the HNODS Annual Scientific Meeting was held in association with the International Photodynamic Association (IPA) and the European Platform for Photodynamic Medicine (EPPM). The aim was to enhance the interdisciplinary aspects of optical diagnostics and other photodynamic applications. The meeting included 2 sections: oral communication sessions running in parallel to the IPA programme and poster presentation sessions combined with the IPA and EPPM posters sessions. © 2011 Jerjes et al; licensee BioMed Central Ltd

Etude des interactions du photosensibilisant méta-tétra(hydroxyphényl)chlorine avec les protéines de plasma et les cellules

L'étude de l'influence des pharmacocinétiques de la mTHPC dans la tumeur, le plasma et les leucocytes sur la réponse à la PDT a montré que l'accumulation du photo sensibilisant dans les leucocytes exhibaient une bonne corrélation avec l'efficacité de la PDT. Ces résultats suggèrent que les leucocytes pourraient jouer un rôle important dans le mécanisme de la PDT induisant des dommages vasculaires. L'étude de la monomérisation de la mTHPC au cours des interactions avec des protéines plasmatiques démontrent un taux lent de cinétique de désagrégation. La fraction de mTHPC agrégée à l'équilibre et le taux de désagrégation du photosensibilisant dépendent fortement de la teneur en protéines et de la température d'incubation. Les résultats ont démontré la formation d'agrégats libres à grande échelle avec une interaction forte entre les molécules du photosensibilisant. L'analyse cinétique démontre que la mTHPC est caractérisée par des taux très lents de redistribution depuis les complexes avec les protéines plasmatiques. Les faibles taux de redistribution de la mTHPC comparés aux autres photosensibilisants correspondent aux propriétés de liaisons uniques de la mTHPC. L'existence à la fois du transfert de la mTHPC par collision et par milieu aqueux a été supposée. L'étude en microscopie confocale indique des modèles de localisation diffus de la mTHPC à 3h et la formation de taches fortement fluorescentes du photosensibilisant à 24h d'incubation dans des cellules MCF. Les paramètres d'absorption, de temps de durée de vie de fluorescence et de photoblanchiment ont montré qu'à 24h d'incubation la mTHPC est beaucoup plus agrégée qu'à 3h. Le rendement de photoinactivation des cellules est environ 2 fois plus important pour le point à 3h. Une telle différence est attribuée à l'effet des différents états d'agrégation du photosensibilisant et aux interactions avec les composants cellulaires. L'étude théorique et spectroscopique de la mTHPC, la mTHPP et la mTHPBC nous a permis de définir leur structure agrégée dans des milieux aqueux À cette fin, nous avons développé une méthode semiempirique de mécanique quantique basée sur le calcul des variations spectrales dans différents solvants. La mTHPC et la mTHPP forment des dimères linaires dans les millieux aqueux, tandis que la mTHPBC forme des dimères zigzag.[Résumé en anglais] The investigation of the influence of mTHPC distribution in tumor, plasma and leukocytes on PDT response shows that photosensitizer accumulation in leukocytes exhibits a good correlation with PDT efficacy. This result suggests that leukocytes could play an important role in the mechanism of PDT-induced vascular damage.The study of mTHPC monomerisation in the course of interactions with plasma proteins demonstrates slow rate of disaggregation kinetics. The fraction of aggregated mTHPC at equilibrium and sensitizer disaggregation rates strongly depends on protein content and incubation temperature. The data obtained show that in aqueous media mTHPC forms free large-scale aggregates with strong interaction between sensitizer molecules. Kinetic analysis demonstrates that mTHPC is characterized by very slow redistribution rates from the complexes with plasma proteins. Low redistribution rates as compared to other sensitizers are consistent with the unique binding properties of mTHPC. The existence of both collisional and aqueous mediated transfer of mTHPC was supposed. Confocal microscopy study reveals diffuse mTHPC localization pattern at 3h and formation of highly fluorescent spots of sensitizer at 24h incubation in MCF-7 cells. The parameters of sensitizer absorption, fluorescence lifetime and photobleaching have shown that at 24h incubation mTHPC is much more aggregated compared to 3h. The yield of cellular photoinactivation is about 2 times higher for 3h time point. Such difference is attributed to different sensitizer aggregation states and interactions with cellular components. Theoretical and spectroscopic study of mTHPC, mTHPP and mTHPBC allowed us to define their aggregates structure in aqueous media. For this purpose new quantum mechanic semi-empirical method was developed on the basis of which the spectral shifts in different solvents were calculated. mTHPC and mTHPP form linear dimers in aqueous media, whereas mTHPBC form zigzag dimers.NANCY1-SCD Medecine (545472101) / SudocSudocFranceF

Etude des modalités de mort cellulaire suite à un traitement photodynamique avec le Foscan® in vitro (relation entre la distribution intratumorale du Foscan® et l'efficacité de la thérapie photodynamique in vivo chez la souris)

La thérapie photodynamique (PDT) est une modalité de traitement des petites tumeurs localisées accessibles à la lumière. Son principe repose sur l'action conjuguée d'un photosensibilisant, de la lumière et de l'oxygène. L'effet tumoricide de ce traitement résulte de la combinaison de dommages cytotoxiques directs sur les cellules tumorales et de dommages indirects, caractérisés par l'altération de la vascularisation tumorale et l'activation non spécifique du système immunitaire. La possibilité de moduler par l'irradiance les modalités de mort cellulaire directe a étudiée in vitro sur des sphéroïdes, suite à un traitement photodynamique avec le Foscan@. Les résultats ont montré que l'application d'une dose de lumière modérée (LD6S) à faible irradiance permettait d'accroître la contribution de la mort par apoptose, par rapport à la même dose de lumière délivrée à plus forte irradiance. La relation entre la phototoxicité de la PDT avec le FoscanR et les concentrations plasmatique, tumorale et leucocytaire de photosensibilisant a ensuite été étudiée in vivo chez des souris porteuses de tumeurs. Une efficacité maximale de la PDT a été observée chez les animaux irradiés 6h et 12h après injection du FoscanR, en relation avec une accumulation maximale du photosensibilisant dans les leucocytes. Ces résultats ont permis de conclure quant à la prédominance d'effets vasculaires à ces intervalle de temps. Cette hypothèse a été affinée par l'étude de la cinétique de distribution intratumorale du FoscanR par rapport aux vaisseaux par imagerie confocale. Les résultats obtenus suggèrent que des protocoles favorisant la combinaison d'effets cellulaires et vasculaires permettraient d'optimiser l'efficacité de la PDT in vivo.NANCY1-SCD Medecine (545472101) / SudocSudocFranceF

Étude des mécanismes régissant l'efficacité photodynamique sélective de l'Héxylaminolévulinate-Protoporphyrine IX dans le traitement du cancer de la vessie (Application dans le cadre de la prévention de ses récidives)

La thérapie photodynamique (PDT) est basée sur l action d un photosensibilisateur qui en présence de la lumière et de l oxygène induit la synthèse d espèces réactives de l oxygène, toxiques pour les cellules. La PDT a été utilisée pour le traitement et la prévention du cancer de la vessie. Les études ont été réalisées in vivo. La PDT a été développé en utilisant l Hexvix® précurseur de la protoporphyrine IX (PpIX). Les paramètres biologiques liés à la PpIX et qui régissent l efficacité du traitement photodynamique des tumeurs vésicales ont été déterminés en fonction de deux concentrations d Hexvix® (8 et 16 mM) induisant des effets photodynamiques diamétralement opposés. L efficacité du traitement photodynamique obtenue pour 8 mM d Hexvix® est liée à la localisation mitochondriale de la PpIX induisant des dommages pro-apoptotiques. La PDT entraîne la diminution significative du pourcentage de l implantation tumorale après la TUR et permet ainsi de prévenir les récidives du cancer de la vessie.Photodynamic therapy (PDT) is a treatment modality based on the cytotoxic effect occurring on target tissues by interaction of a photosensitizer with light in the presence of oxygen. The aim of this study was to optimise PDT for treatment and prevention of recurrence of bladder cancer. The study was performed in vivo. PDT was performed with Hexvix® a precursor of the photosentitizer protoporphyrin IX (PpIX). First, we executed a mechanistic analysis of differential PDT effects according to Hexvix® concentration. 8 or 16 mM induced diametrically opposed photodynamic effects. PDT efficacy is depends on the mitochondrial localization of PpIX and its concentration and leads to pro-apoptotic damages. Second, PDT was performed in a rat model mimicking post fluorescence guided TUR. The amount of viable tumor cell within the bladder lumen significantly decreased with PDT and resulted in a significant reduction of tumor implantationNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Study of the photobleaching mechanisms of the 5,10,15,20-tetrakis (m-hydroxyphenyl) bacteriochlorin (m-THPBC), in solution , in vitro and in vivo

La thérapie pbotodynamique (PDT est une modalité de traitement des petites tumeurs localisées accessibles à la lumière. Son principe repose sur l'action conjuguée d'un photo sensibilisant, de la lumière et de l'oxygène. Une dosimétrie correcte est nécessaire pour assurer le traitement complet et des résultats reproductibles. Un élément clé de la dosimétrie à prendre en compte est le photoblanchiment, étant donné qu'il diminue la concentration du photosensibilisant au cours du traitement. Il est donc indispensabte d'appréhender les mécanismes du photoblanchiment pour maîtriser au mieux le traitement. Le rendement quantique de photoblanchiment de la m-THPBC en solution avec des protéines est de 5.7 X 10-4, les formes agrégées de photosensibilisants photoblanchissent plus lentement que les formes monomérisées. La m-THPBC se transforme sous l'effet de la lumière en m-THPC, ce rendement de phototransformation est influencé par l'état d'agrégation de la molécule. D'autres photoproduits tels que la m-THPBC di-bydroxylée et la m-THPC dibydroxylée ainsi que des dérivés dipyrines ont été observés. L'espèce responsable du photoblanchiment a été identifiée comme étant l'oxygène singulet. ln vitro, la LD50 de la mTHPBC est 0.7 J cm-2. Le photoblanchiment est 3 à 5 fois plus sensible que celui de la m-THPC. L'étude de la localisation intra-cellulaire des photosensibilisants a montré une différence, la m-THPC s'accumulant dans le réticulum endoplasmique alors que la m-THPBC se localise dans les mitochondries. ln vivo, la m-THPBC possède un photoblanchiment 4 à 10 fois plus élevé que la m-THPC, ainsi qu'une bonne accumulation tumorale. Ces résultats in vitro et in vivo sont particulièrement intéressants en terme de ratio thérapeutique, de sélectivité du traitement et de photosensibilité cutanée.Photodynamic therapy (PDT) bas been developed as a treatment modality for a number of malignant and non-malignant disorders. PDT treatment is based on the presence of a drug with photosensitising and tumour localizing properties combined with visible light and oxygen. Accurate dosimetry is necessary to ensure complete treatment and to allow for consistent and reproducible patient outcomes. One of the key element which needs to be considered in dosimetry is photobleaching since it decrease the photosensitiser concentration during the treatment. It seems therefore important to understand the photobleaching mechanisms to adapt the photodynamic dose and receive the optimal treatment. The photobleaching quantum yield in solution supplemented with proteins is 5.7 x 10-4 the aggregated forms of the photosensitiser bleach slower than the monomerised forms. Under light exposure the m-THPBC is transformed in m-THPC, the phototransformtion yield is influenced by the aggregation state of the molecule. Some other photoproducts such as di-hydroxy m-THPBC, di-hydroxy m- THPC, dipyrin derivatives were observed. Singlet oxygen was found to be responsible of the photobleaching of both m-THPBC and m-THPC. ln vitro, the m-THPBC LD50 is 0.7 J cm-2, and the photobleaching 3 to 5 times faster than m-THPC. Fluorescence microscopy study exhibits il discrepancy in the photosensitisers localisation, m-THPC is localised is the endop1asmic reticulum and m-THPBC accumulates in mitochondria. ln vivo m- THPBC photobleaching is 4 to 10 times faster than m- THPC, with a good tumour accumulation. Taking as a whole these observations are particularly attractive in terms of therapeutic ratio and selectivity or the treatment and skin photosensitivity.NANCY1-SCD Medecine (545472101) / SudocSudocFranceF

Optimisation de la dosimétrie appliquée en thérapie photodynamique pour l'évaluation et la prédiction de l'efficacité du traitement de tumeurs

La thérapie photodynamique (PDT) est une modalité de traitement des petites tumeurs accessibles à la lumière. Elle repose sur l'action combinée d'un photosensibilisateur qui, en présence d'oxygène et sous l'effet d'une irradiation lumineuse, induit la synthèse d'espèces réactives de l'oxygène cytotoxiques. L'effet tumoricide de la PDT se traduit par des dommages directs sur les cellules ainsi que des dommages indirects de la néovascularisation tumorale et une activation du système immunitaire. Dans cette étude, nous avons démontré dans une première partie l'intérêt de se baser sur la distribution intratumorale de la mTHPC et non pas sur les études de biodistribution pour l'optimisation des conditions de traitement par PDT et en particulier de l'intervalle drogue-lumière (IDL). Un co-ciblage des vaisseaux et du parenchyme tumoral via un fractionnement de l'administration de la mTHPC a permis d'obtenir un taux de guérisons de 100%. Cette efficacité a été corrélée à la potentialisation de la mort des cellules par apoptose et valorisée par son association à des dommages secondaires cutanés restreints. La stratégie de fractionnement de l'administration s'avère donc être très prometteuse dans un contexte clinique. Dans la seconde partie de cette étude, nous avons établi la redistribution de la mTHPC in vivo dans le modèle de la membrane chorioallantoïdienne de poulet (CAM) à partir de formulations liposomales (Foslip®, Fospeg®) et son impact sur les dommages vasculaires photoinduits par la PDTPhotodynamic therapy (PDT) is a therapeutic strategy for the treatment of small localized tumors accessible to the visible light irradiation. It is based on the combined action of photosensitizer (PS), light and molecular oxygen. Tumoricidal effect of PDT is triggered by direct damage of malignant cells and indirect vascular damage followed by an activation of the immune system. The present study investigates the relationship between photoinduced apoptosis in each compartment of interest (vascular versus neoplastic) and mTHPC-PDT treatment efficiency in function of the intratumoral distribution of mTHPC. The latter was defined by the drug-light intervals. In the first part, we demonstrated the importance of the intratumoral distribution of mTHPC to optimize photodynamic parameters. The fractionation of the PS administration permitted to obtain a tumor cure rate of 100% correlated to a massive apoptosis of pathological tissues. Moreover, this treatment strategy induced only limited skin damages and few inflammation which could be an advantage in clinical context. In the second part, we evidenced the mTHPC redistribution from liposomal formulations (Foslip®, Fospeg®) in vivo in the chick chorioallantoic membrane model (CAM) and its influence on photoinduced vascular damageNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Interactions mechanisms of temoporphin liposomal formulations with serum proteins

International audienceMeta-tetra(hydroxyphenyl)chorin (temoporfin, mTHPC) is a non-polar photosensitizer used in photodynamic therapy. To improve its solubility and pharmacokinetic properties, liposomes were proposed as drug carriers. Liposomes offer the advantage of drug monomerization and increase in photosensitizer photoactivity, as well as an enhanced permeability and retention (EPR) effect. Recently, we proposed novel liposomal formulation based on the encapsulation of inclusion complexes with mTHPC in the inner aqueous core of liposomes, namely drug-in-cyclodextrin-in-liposome (DCL). However, the stability of liposomal formulation in terms of solute release and destruction of vesicle structure presents a challenge for successful application of lipid carriers. The problem of stability was extensively studied in different in vitro and in preclinical models. The aim of the present study was to evaluate the interaction and binding specificity of mTHPC liposomal formula-tions to human serum proteins by means of gel-exclusion chromatography technique. We demonstrated the release of mTHPC from liposomal vesicles after incubation with serum. Compared with conventional liposomes DCL appeared to be more stable releasing less mTHPC to the serum proteins. The obtained data suggested that application of DCLs can be successfully applied in mTHPC-PDT. This study was supported by French “Ligue National contre le Cancer”, Belarussian Republican Foundation for Fundamental Research (grant М17МС-028) and the Ministry of Education of the Republic of Belarus. The authors thank biolitec research GmbH (Jena, Germany) for providing mTHPC

Localisation du ganglion sentinelle au moyen de nanoparticules fluorescentes émettant dans le proche infrarouge (application au cancer du sein)

La biopsie du ganglion sentinelle (GS) est actuellement la technique de référence pour le diagnostic des métastases ganglionnaires du cancer du sein. Cependant, les traceurs utilisés pour la cartographie du GS (colorant bleu et radiocolloïde) ne sont pas idéaux et peuvent occasionner des réactions allergiques et engendrer des coûts importants. Une alternative à l'utilisation de ces traceurs repose sur le repérage du GS par imagerie de fluorescence proche infrarouge à l'aide de nanoparticules. Deux types de nanoparticules ont été étudiés : les Quantum Dots (QDs) à base d'indium et les nanoparticules de silice (NPSi) renfermant de la cyanine 7. Dans un modèle murin de carcinome mammaire, tous les GS envahis par les métastases ont pu être visualisés grâce à la fluorescence des QDs-indium. L'étude de biodistribution a mis en évidence une capture majeure des QDs au point d'injection et dans les ganglions associée à une faible concentration dans le foie et la rate. La toxicité des QDs a été évaluée in vitro et a démontré une toxicité fortement réduite des QDs-indium par rapport aux QDs-cadmium. Les NPSi présentent les avantages suivants : biocompatibilité, amélioration de la rétention dans le ganglion et des propriétés photophysiques par rapport au fluorophore libre. Le GS est rapidement visualisable par fluorescence suite à l'injection de NPSi. Le suivi des souris, pendant 3 mois post-injection, n'a révélé aucun signe de toxicité générale ou hépatique. Ces deux types de nanoparticules fluorescentes sont particulièrement bien adaptés à la cartographie du GS et pourraient avantageusement remplacer les traceurs employés actuellementSentinel lymph node (SLN) biopsy is a reliable technique for the diagnosis of metastases in breast cancer. However, the tracers used (blue dye and radiocolloid) are not optimal because they can cause allergic reactions and major costs in waste processing. Our strategy was to use near-infrared emitting nanoparticles for the mapping of SLN: indium-based Quantum Dots (QDs) and cyanine 7 embedded in silica nanoparticles (SiNP). In a murine model of mammary carcinoma, all SLN containing lymphatic metastases could be visualized with fluorescent indium-based QDs. The biodistribution study concluded that the major organs of retention were the injection point and lymph nodes whereas liver and spleen accumulated fewer QDs. The cytotoxicity tests demonstrated a weak in vitro toxicity of indium- compared to cadmium-based QDs. SiNP show several advantages over free fluorophore such as biocompatibility, better retention in the SLN and greatest photophysical properties. SLN could be mapped as soon as 5 minutes after SiNP injection. The in vivo toxicity in mice was followed during 3 months after injection and did not reveal any signs of general or hepatic toxicity. Both fluorescent nanoparticles are thus well adapted for the mapping of the SLN and could be a favourable substitute to the actually tracersMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF