Die Effizienz eines Photosensibilisators, der in der photodynamischen Therapie eingesetzt wird, wird maßgeblich durch die nach Lichtanregung ablaufenden photophysikalischen Prozesse definiert. Hierbei ist zu beachten, dass die in biologischen Systemen gegebene Umgebung einen bedeutenden Einfluss auf die Photophysik hat. Um diese Effekte zu untersuchen wurden photophysikalische Studien in Abhängigkeit von der Umgebung durchgeführt.

Von CHRISTIAN REICHARDT // MARIA WÄCHTLER // BENJAMIN DIETZEK

Die photodynamische Therapie (PDT) stellt eine moderne und innovative Methode der Krebsbehandlung dar, bei dem ein Wirkstoff, der sogenannte Photosensibilisator (PS), durch Lichteinstrahlung am Wirkort selektiv aktiviert wird. Dort fungiert der PS als „Mittler“, indem er die Energie des eingestrahlten Lichtes aufnimmt und an Zellbestandteile bzw. Sauerstoff überträgt, wodurch reaktive Spezies wie beispielsweise Singulett-Sauerstoff gebildet werden und ein gesteuerter Zelltod eingeleitet wird. Die PDT zeichnet sich aufgrund der zielgerichteten Lichtbestrahlung als ein minimalinvasives Verfahren aus, bei dem ungewollte Schäden an gesundem Gewebe minimiert werden.

Als nützliche PS im Rahmen der PDT haben sich Ruthenium-basierte Übergangsmetallkomplexe erwiesen, die sich durch eine hohe Stabilität, ein überaus gutes Absorptionsvermögen im sichtbaren Spektralbereich und einen sehr langlebigen Triplettzustand, der effizienten Energietransfer ermöglicht, auszeichnen. Zahlreiche Zellstudien belegen die hohe Phototoxizität dieser Komplexe. Jedoch sind die lichtinduzierten Mechanismen, welche nach Photoanregung des PS innerhalb weniger Mikrosekunden ablaufen, nur unvollständig untersucht. Bisherige photophysikalischer Studien stellen Ergebnisse in einfachen Lösungsmitteln wie Wasser dar. Bei dieser Vorgehensweise bleibt der Einfluss der spezifischen zellulären Umgebung und spezifischer Wechselwirkung zwischen Zellbestandteilen, z.B. Zellkern oder Mitochondrien, und PS unberücksichtigt.

Um dieses konzeptionelle Lücke zu schließen, wurden in einem ersten Schritt die photoinduzierten Prozesse spezifischer PS mittels zeitaufgelöster Spektroskopie, insbesondere transienter Absorptionsspektroskopie, untersucht, wobei eine realitätsnahe biologische Umgebung simuliert wurde. Hierfür wurde sowohl der Einfluss der Ionenstärke des wässrigen Mediums als auch die Zugabe von DNS-Lösung auf die photoinduzierten Prozesse betrachtet. Als PS wurde ein Ruthenium-Komplex verwendet, der eine Pyren-Gruppe trägt und sich durch einen sehr langlebigen angeregten Zustand (einige µs) auszeichnet.

Der Einfluss des Mediums auf die photophysikalischen Prozesse in dem PS wurde mittels simulierter Körperflüssigkeit untersucht, welche eine realitätsnahe Ionenstärke in Zellen darstellt. Durch konzentrationsabhängige Experimente konnte gezeigt werden, dass sich die photoinduzierten Prozesse, die zur Ausbildung des langlebigen angeregten Zustandes führen, durch eine Erhöhung der Ionenstärke beschleunigen. Des Weiteren ist ein zusätzlicher Prozess bei sehr hohen Ionenstärken zu erkennen, der höchstwahrscheinlich auf der Ausbildung von Ionenpaaren beruht.

Die Zugabe von DNS beeinflusst die Photophysik des PS erheblich, da durch die Einlagerung des PS in der DNS Wechselwirkungen mit den Basenpaaren eingegangen werden. Die Lebenszeit des angeregten Zustandes, welche sich in Wasser bzw. simulierter Körperflüssigkeit im Bereich von 15 µs befindet, wird durch die Zugabe der DNS um ein Vielfaches auf 40 µs erhöht. Dies kann mit der Einlagerung des PS in der DNS begründet werden. Durch diese Einlagerung wird der PS gegenüber äußeren Einflüssen (beispielsweise Bildung von Wasser-Addukten) geschützt, wodurch die Anzahl an möglichen Desaktivierungsprozessen verringert wird und sich somit die Lebenszeit verlängert.

Ein Ansatz zur Verbesserung der PS im Rahmen der PDT ist die gezielte Einlagerung der Wirkstoffe innerhalb gewisser Zellkomponenten. Hierdurch wird eine lokal höhere Konzentration des PS am Wirkort erzeugt, welche zu einer gezielteren Energieübertragung und somit auch höheren Phototoxizität führt. Hierfür wurden von Kooperationspartnern an der Universität Ulm und dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz ein PS hergestellt, der sich durch Anbindung eines Peptides gezielt in den Mitochondrien der Zellen einlagert. Die Modifizierung des PS durch das Peptid hat den positiven Effekt, dass sich die Lebensdauer des angeregten Zustandes durch Anbindung des Peptids von 300 auf über 700 ns verlängert.

Die hier beschriebenen Experimente zeigen, dass die biologische Umgebung (hier: Ionenstärke, Gegenwart von DNS) einen entscheidenden Einfluss auf die Photophysik des PS hat. Somit sind ausführliche Studien der photoinduzierten Prozesse in realitätsnahen Umgebungen nötig, um die wirkungsbestimmenden Prozesse im Detail zu verstehen und die Effizienz der PS für die PDT gezielt zu erhöhen.

Gefördert von: FCI, DFG