Dual-Functioning Organic Photosensitizers for Image-Guided Photodynamic Therapy

Abstract

With an estimated 19.3 million new cases in 2020, resulting in over 10.0 million related deaths, cancer became an inevitable barrier to further increasing our wellbeing and life expectancy. Although traditional clinical tumor treatments, e.g. surgery, chemotherapy, and radiotherapy, are resulting in increasing survivability, disadvantages are encountered due to poor efficiencies and severe toxic side effects to healthy tissue. A variety of alternative techniques emerged throughout the years, in which the non-invasive photodynamic therapy plays an important role. This therapeutic approach makes use of three, individually harmless components: light, oxygen, and a light-activated molecule called a photosensitizer. Once located at the cancer tissue site, the photosensitizer is excited using light of a suitable wavelength. As a result, the photosensitizer will transform molecular oxygen, present in the cells, into singlet oxygen. This reactive oxygen species will interact directly with different cell components, vasculature shutdown will take place, and immune responses will be activated. All these coinciding processes will contribute to the successful eradication of the cancer cells. Thanks to the precise irradiation and short half-life of singlet oxygen, photodynamic therapy enables the highly selective removal of cancerous cells while avoiding systemic toxicity and side effects caused by damage of surrounding healthy tissue. The technique is approved by the United States Food and Drug Administration and is already applied around the world for the treatment of a broad scope of tumors, but also for treatment of non-neoplastic dermatological and ophthalmic diseases, rheumatoid arthritis, inactivation of viruses, and to treat bacterial and fungal infections. However, for a real breakthrough of this therapeutic process, some drawbacks related to the photosensitizer should be cleared. First, well-established photosensitizers are absorbing blue to green light. These high-energy wavelengths are easily scattered and absorbed while passing through the patients tissue. Hence, red to near-infrared activation is desired. Second, in order to obtain high singlet oxygen production, the photosensitizer is usually decorated with bromine, iodine or metal complexes. Unfortunately, this straightforward technique often leads to increased dark cytotoxicity, referring to the unwanted cell-death in the absence of an activating light beam. Third, these heavy atoms also strongly quench the fluorescence of the used compounds as both processes are competing decay pathways from the same excited state. Nevertheless, the emission of light from the photosensitizers could be beneficial for outlining tumor boundaries, monitoring drug distribution, and providing realtime follow-up of the therapeutic process. A fourth point of improvement could be the administration of the drug. As most photosensitizers are water-insoluble, their ability to generate reactive oxygen species is quenched when introduced in cellular media. Luckily, for all problems a solution can be found and these are described in this thesis. Strongly fluorescent perylene diimide and boron dipyrromethene dyes were used as a starting point for the development of dual-functioning photosensitizers. Structural modifications were employed in order to shift their absorption and emission into the phototherapeutic region. The electron deficient molecular cores were covalently bound with an electron rich moiety in order to create a donoracceptor system. With this molecular design, singlet oxygen formation was established without the aid of halogens or other heavy atoms. This approach also retains sufficient amount of fluorescence, opening pathways for potential use in image-guided photodynamic therapy. The next step toward suitable administration was also established by incorporating the photosensitizers into biodegradable and biocompatible polymeric nanoparticles. Validation of the efficacy is ongoing at this moment through tests in vitro in cells and in vivo in mice.

Met naar schatting 19,3 miljoen nieuwe vaststellingen in 2020, resulterend in meer dan 10 miljoen gerelateerde overlijdens, blijft kanker een ontegensprekelijke barrière voor de verdere verbetering van ons welzijn en levensverwachting. Hoewel traditionele kankerbehandelingen, zoals chirurgische verwijdering, chemotherapie en radiotherapie, resulteren in toenemende overlevingskansen, zijn er nog steeds nadelen toe te schrijven aan de beperkte efficiëntie en ernstige, schadelijke bijwerkingen ten opzichte van gezond weefsel. Binnen de doorheen de jaren ontwikkelde alternatieve technieken neemt noninvasieve fotodynamische therapie een belangrijke plaats in. Deze methode maakt gebruik van drie individueel onschadelijke componenten, nl. licht, zuurstof en een door licht geactiveerde molecule of fotosensitizer. Eénmaal in het kankerweefsel wordt deze laatste aangeslagen door licht van een geschikte golflengte. Hierdoor zal de fotosensitizer moleculaire zuurstof, aanwezig in de cellen, omzetten in singlet-zuurstof. Dit zeer reactief deeltje interageert onmiddellijk met verschillende celcomponenten, het zal zorgen voor het vernauwen van de bloedvaten en immuunresponses zullen worden geactiveerd. Al deze processen zullen samen zorgen voor de succesvolle vernietiging van de kankercellen. Dankzij een precieze belichting en de korte levensduur van singlet-zuurstof, maakt fotodynamische therapie het mogelijk om een tumor zeer selectief te verwijderen zonder systemische toxiciteit of schade aan omringend, gezond weefsel. De techniek is goedgekeurd door de Food and Drug Administration en wordt reeds wereldwijd toegepast voor de behandeling van verscheidene tumors, maar ook voor niet-neoplastische dermatologische en oogheelkundige ziekten, artritis, inactivatie van virussen en de behandeling van bacteriële en schimmelinfecties. Voor een echte doorbraak van deze therapie zullen enkele fotosensitizer-gerelateerde nadelen echter nog moeten worden verholpen. Ten eerste absorberen de bekendste fotosensitizers blauw tot groen licht. Deze hoogenergetische golflengtes worden echter makkelijk verstrooid en geabsorbeerd door omliggend weefsel. De voorkeur wordt daarom gegeven aan activatie door rood tot nabij-infrarood licht. Ten tweede wordt de mogelijkheid van fotosensitizers om singlet-zuurstof te produceren vaak bekomen door het molecule te decoreren met broom, jood of metaalcomplexen. Ondanks deze eenvoudige tactiek leidt deze manier van werken vaak tot toenemende cytotoxiciteit in de afwezigheid van licht. Ten derde zorgen deze zware atomen voor een sterke vermindering van de fluorescentie, aangezien beide vervalprocessen in competitie met elkaar staan. Desondanks zou emissie van licht van de fotosensitizer zelf voordelig kunnen zijn in het visualiseren van de tumor, het verifiëren van de verdeling van de fotosensitizer in de cellen en een directe opvolging van het therapeutisch proces. Een laatste verbeterpunt heeft betrekking tot het toedienen van de fotosensitizers. Aangezien de meeste onoplosbaar zijn in water, worden hun capaciteiten tot het vormen van singlet-zuurstof sterk gereduceerd wanneer ze ingebracht worden in een waterige celomgeving. Gelukkig kunnen voor alle problemen oplossingen worden bedacht en deze worden besproken en toegepast in deze thesis. Sterk fluorescerende peryleendiimides en boordipyrrometheen-kleurstoffen werden gebruikt als startpunt voor de ontwikkeling van een optimale dubbel-functionerende fotosensitizer. Structurele aanpassingen werden geïmplementeerd om de absorptie en emissie te verschuiven naar het fototherapeutische werkgebied. De elektronenarme kern werd covalent gebonden aan een elektronenrijke eenheid om zo een donoracceptor systeem te creëren. Via dit design kan singlet-zuurstof worden opgewekt zonder de hulp van halogenen of andere zware atomen. Deze methode behoudt ook voldoende fluorescentie voor een mogelijk gebruik in beeldgestuurde fotodynamische therapie. De volgende stap richting geschikte toepassingen werd ook beschreven door het inbrengen van de fotosensitizers in biocompatibele en bio-afbreekbare polymere nanodeeltjes.