INTERACTION DYNAMICS OF TETRAPYRROLES WITH MEMBRANES AND LIPOPROTEINS : CONSEQUENCES ON CELLULAR LOCALISATION
DYNAMIQUE D'INTERACTION DE TETRAPYRROLES AVEC DES MEMBRANES ET DES LIPOPROTEINES :
CONSEQUENCES SUR LA LOCALISATION CELLULAIRE
Résumé
Thanks to their preferential retention in proliferating tissues, some photosensitizers are therapeutically used such as in photodynamic therapy (PDT). In most cases, they are based on the porphyrin structure, but other compounds, of which far-red-light absorption properties are most compatibles with biological tissues irradiation, have been developed. In this work, the focus is given on two amphiphilic tetrapyrroles: deuteroporphyrin (DP) that bears two carboxylic groups on one side of the macrocycle and disulfonated aluminum-phthalocyanine (AlPcS2a) that bears two sulfonated groups on one side. Indeed, the selectivity of photosenzitizers for cells in proliferation, as well as their intracellular localization, depends on their structure, in particular on their hydrophobicity and the symmetry of distribution of their polar chains around the macrocycle. Two major processes are involved. On one hand, lipophilic or amphiphilic photosensitizers possess a high affinity for low-density lipoproteins (LDL). The increased cholesterol catabolism of proliferating tissues results in over-expression of LDL receptors. Hence, LDL could act as natural carriers of photosensitizers and insure their targeting to tumor cells. On the other hand, the relative acid pH of extracellular medium could play an important role by governing the physico-chemical properties of photosensitizers and consequently their ability to cross membranes. In fine, the photosensitizers behavior seems to involve both the physicochemical and biological properties of the microenvironment.
In order to elucidate the implied mechanisms, we studied the interactions of photosensitizers with LDL and with liposomes (SUV, used as membranes-models) with a special interest on dynamics of these processes. A particular attention has been paid to the effects of pH. The data obtained on these simple systems then allowed us to interpret the sub-cellular localization of the photosensitizers on a human line of fibroblasts, and to evaluate the influence of LDL on the intracellular distribution of the compounds. This last point is of major importance because the localization of such photosensitizers (in particular AlPcS2a) in endocytic vesicles and their subsequent ability to induce a release of the contents of these vesicles - including externally added macromolecules - into the cytosol is the basis for a recent method for macromolecule activation, named photochemical internalization (PCI).
In order to elucidate the implied mechanisms, we studied the interactions of photosensitizers with LDL and with liposomes (SUV, used as membranes-models) with a special interest on dynamics of these processes. A particular attention has been paid to the effects of pH. The data obtained on these simple systems then allowed us to interpret the sub-cellular localization of the photosensitizers on a human line of fibroblasts, and to evaluate the influence of LDL on the intracellular distribution of the compounds. This last point is of major importance because the localization of such photosensitizers (in particular AlPcS2a) in endocytic vesicles and their subsequent ability to induce a release of the contents of these vesicles - including externally added macromolecules - into the cytosol is the basis for a recent method for macromolecule activation, named photochemical internalization (PCI).
Un photosensibilisateur est un composé chimique capable de générer, sous l'effet d'une irradiation lumineuse, des espèces réactives de l'oxygène (ROS) et donc d'induire directement ou indirectement l'altération d'autres composés. La rétention sélective de ces molécules, dites photo-activables, par les tissus en prolifération leur confère des applications en thérapie anti-tumorale (Photo-Chimio-Thérapie, PDT). La plupart des photosensibilisateurs sur le marché sont des dérivés structuraux de porphyrines et sont généralement fluorescents. Cette propriété est utilisée pour déterminer leur localisation, tant au niveau systémique que cellulaire. Certains composés sont ainsi utilisés pour le diagnostic par fluorescence de certain cancers (FD). Au niveau intracellulaire, un certain nombre de ces photosensibilisateurs se localisent dans les membranes des vésicules d'endocytose. Ils peuvent ainsi induire, sous irradiation lumineuse, la libération dans le cytosol du contenu de ces vésicules, y compris des molécules exogènes incorporées dans la cellules par endocytose et dont la cible intracellulaire est cytosolique ou nucléique (ADN, protéines, nombreux médicaments...). Ces phénomènes sont à la base d'une approche permettant l'activation de macromolécules, l'Internalisation Photo-Assistée (PCI). Cette méthode potentialise considérablement l'activité biologique d'un très large spectre de molécules d'intérêt.Tant la sélectivité de ces photosensibilisateurs pour les tissus en prolifération que leur localisation intracellulaire sont à mettre en relation avec les propriétés physico-chimiques et biologiques du micro-environnement. Leur interaction avec les lipoprotéines de basse densité (LDL) peut favoriser leur entrée dans les cellules du fait de la surexpression par les cellules néoplasiques des récepteurs aux LDL. Cependant, pour certaines molécules photo-activables, un passage transmembranaire par diffusion passive a été mis en évidence. L'incorporation cellulaire est alors facilitée par l'acidification du pH stromatique. Nous nous sommes donc attaché à déterminer l'importance de tels paramètres. Notre objectif a été de définir des caractéristiques structurales déterminant le comportement cellulaire des photosensibilisateurs.Dans un premier temps, afin d'élucider les mécanismes impliqués, les interactions de photosensibilisateurs avec des LDL et des liposomes (SUV, utilisés comme modèles simples de membranes) ont été étudiées à l'équilibre et de façon dynamique. Trois photosensibilisateurs ont été utilisés : la deuteroporphyrin (DP), une porphyrine dicarboxylique et la phtalocyanine d'aluminium disulfonnée (AlPcS2). Ces études ont été menées en nous attachant tout particulièrement aux effets liés au pH. Il faut noter ici que seuls les composés carboxyliques sont susceptibles de subir une neutralisation, ne serait-ce que partielle, de leurs chaînes latérales dans une gamme de pH correspondant à des valeurs physiologiques. Les données obtenues sur ces systèmes simples nous ont ensuite permis de comprendre la localisation sub-cellulaire des photosensibilisateurs sur une lignée humaine de fibroblastes. Enfin, bien que les LDL soient des vecteurs importants des photosensibilisateurs et facilitent leur entrée dans les cellules, la localisation sub-cellulaire semble être directement liée à la dynamique du transfert des photosensibilisateurs par des membranes. En conclusion, les paramètres physico-chimiques déterminés en solutions sont des outils efficaces pour concevoir des photosensibilisateurs, prédire leur capacité d'incorporation cellulaire ainsi que leur localisation sub-cellulaire.
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