Een in-house gebouwd en licht-emitting-diode-gebaseerd fotodynamisch therapie-apparaat voor het verbeteren van verteporfine cytotoxiciteit in een 2D-celcultuurmodel

Onder de meest dodelijke niet-overdraagbare ziekten vertegenwoordigt kanker een wereldwijd toonaangevende oorzaak van vroegtijdig overlijden. Het was goed voor bijna 10 miljoen sterfgevallen in 2020, wat neerkomt op ongeveer een op de zes sterfgevallen wereldwijd¹. Bovendien vormt het fenomeen multidrugresistentie (MDR) een enorme bedreiging voor de volksgezondheid, omdat goedgekeurde chemotherapeutische protocollen de remissiestadia voor deze klinische aandoening niet bereiken². Kankercellen kunnen resistentie tegen chemotherapie ontwikkelen via verschillende mechanismen; de overexpressie van sommige ATP-binding cassette (ABC) transporters – ATP-afhankelijke effluxpompen – wordt echter beschouwd als de belangrijkste oorzaak van MDR-ontwikkeling binnen een tumormicro-omgeving³. Naast MDR versterken andere kankercomplicaties, zoals recidief en metastase, de dringende vraag om therapeutische benaderingen te ontwikkelen en te verbeteren om deze oncologische uitdaging te overwinnen.

Het curatieve gebruik van licht wordt al eeuwenlang beoefend⁴, en fotodynamische therapie (PDT) vertegenwoordigt een klinisch goedgekeurde therapeutische benadering voor solide tumoren. PDT combineert de toediening van een fotosensitizer (PS) gevolgd door lichte bestraling om reactieve zuurstofsoorten (ROS) te genereren om selectieve cytotoxiciteit in tumorcellen uit te oefenen. Deze therapeutische benadering is superieur aan conventionele methoden, waaronder chirurgie, bestraling en chemotherapie⁵; het is een minimaal invasieve techniek die een lagere cytotoxiciteit in bindweefsels laat zien⁶. De lichte toepassing en PS-accumulatie direct in de tumor of zijn micro-omgeving zorgen voor nauwkeurige targeting en bijgevolg kleine, ongewenste systemische bijwerkingen⁷ en de mogelijkheid van herhaalde behandeling op dezelfde plaats. Bovendien zijn de kosten lager dan die van andere benaderingen. Vanwege de veelbelovende kenmerken kan PDT worden beschouwd als een geschikte optie voor zowel enkelvoudige, vooral in het geval van inoperabele tumoren, als adjuvante kankerbehandeling⁷, en vertegenwoordigt het een alternatief voor MDR gerelateerd aan chemotherapie ^8,9.

Het eerste rapport met een hoge objectieve respons met PDT werd in 1975 beschreven in een muis en rat model¹⁰. Sindsdien zijn studies uitgevoerd met PDT met positieve uitkomsten⁷ zowel in vivo als in vitro met menselijke tumorcellijnen in 2D-celcultuur^11,12. Gezien de brede toepasbaarheid van klinisch goedgekeurde PS, ongeacht hun specifieke accumulatieroutes en golflengtebereiken van absorptiepieken, is het algemene proces als volgt: (i) PS-opname, (ii) pieken van PS-concentratie bij de tumor of zijn micro-omgeving, (iii) lichttoepassing, (iv) PS-lichtinteractie, (v) overdracht van PS-opgewekte energie naar weefselsubstraat of omringende zuurstofmoleculen, (vi) ROS-productie met singletzuurstof- of superoxide-anion, vii) tumorceldood via, in wezen, necrose of apoptose (directe dood), autofagie (cytoprotectief mechanisme), weefselischemie (vasculaire schade), immuunmodulatie of een overlapping van deze mechanismen⁷. In deze laatste fase hangt de activering van een specifieke celdoodroute af van vele factoren, zoals celkenmerken, experimenteel ontwerp en, belangrijker nog, PS intracellulaire lokalisatie en PDT-gerelateerde gerichte schade¹³.

Verteporfine is een ps van de tweede generatie, goedgekeurd door regelgevende instanties voor klinisch gebruik in Noorwegen en China voor de behandeling van leeftijdsgebonden maculaire degeneratie⁷. Na toediening van de dosis werd gemeld dat dit prodrug zich gedeeltelijk ophoopte in mitochondriën¹⁴ en cellulaire eiwit tyrosinefosforylering en DNA-fragmentatie induceerde, wat leidde tot tumorcelapoptose ^15,16. Na 24 uur incubatie voor verteporfine internalisatie, wordt een PDT-protocol met behulp van een 690 nm golflengte-opstelling aanbevolen om effectieve niveaus van elektromagnetische stralingsoverdracht naar aangrenzende moleculen te bereiken ^7,17.

Wat de lichtbron voor PDT betreft, zijn de klassieke diodelasersystemen meestal duur, technisch ingewikkeld, oversized en dus niet overdraagbaar^18,19. Als gevolg van het profiel met één golflengte, dat ook kan worden waargenomen in LED-gebaseerde PDT-apparatuur, maakt de vraag naar onafhankelijke eenheden voor elke fotosensitizertoepassing het gebruik van diodelasersystemen nog complexer en economisch onhaalbaar^20,21. Daarom wordt het gebruik van LED-machines beschouwd als het meest veelbelovende alternatief om niet alleen kosten²² en onderhoudsproblemen op te lossen, maar ook om een hoog vermogen en minder schadelijk²³ en een breder verlichtingsvermogen^{te bieden 24,25,26,27}.

Ondanks de potentiële bijdrage die LED-gebaseerde apparatuur kan bieden aan PDT-experimenten²⁸, hebben de meeste commerciële opties nog steeds nadelen, zoals een gebrek aan draagbaarheid, hoge kosten en complexe bouwprojecten en exploitatie²⁹. Het belangrijkste doel van dit werk was om een eenvoudig en betrouwbaar hulpmiddel te bieden voor in vitro PDT-testen. Dit artikel beschrijft PhotoACT, een in eigen huis gebouwd LED-gebaseerd PDT-apparaat, dat goedkoop, gebruiksvriendelijk en draagbaar is. Als proof of concept is aangetoond dat dit apparaat de cytotoxiciteit van verteporfine in een 2D-celkweekmodel verbetert en daarom kan het worden gebruikt als een onderzoeksinstrument in PDT-experimenten.