Synergistic Chemo- and Photodynamic Treatment of Cancer Cells with C\(_{60}\) Fullerene Nanocomplexes

• Main Author: Grebinyk, Anna
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2021
• Subjects: cancer; drug delivery; photodynamic therapy; ddc:570
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/22207; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-222075; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-222075; https://doi.org/10.25972/OPUS-22207; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/22207/Grebinyk_Anna_Dissertation.pdf

Recent progress in nanotechnology has attracted interest to a biomedical application of the carbon nanoparticle C60 fullerene (C60) due to its unique structure and versatile biological activity. In the current study the dual functionality of C60 as a photosensitizer and a drug nanocarrier was exploited to improve the efficiency of chemotherapeutic drugs towards human leukemic cells. Pristine C60 demonstrated time-dependent accumulation with predominant mitochondrial localization in leukemic cells. C60’s effects on leukemic cells irradiated with high power single chip LEDs of different wavelengths were assessed to find out the most effective photoexcitation conditions. A C60-based noncovalent nanosized system as a carrier for an optimized drug delivery to the cells was evaluated in accordance to its physicochemical properties and toxic effects. Finally, nanomolar amounts of C60-drug nanocomplexes in 1:1 and 2:1 molar ratios were explored to improve the efficiency of cell treatment, complementing it with photodynamic approach. A proposed treatment strategy was developed for C60 nanocomplexes with the common chemotherapeutic drug Doxorubicin, whose intracellular accumulation and localization, cytotoxicity and mechanism of action were investigated. The developed strategy was revealed to be transferable to an alternative potent anticancer drug – the herbal alkaloid Berberine. Hereafter, a strong synergy of treatments arising from the combination of C60-mediated drug delivery and C60 photoexcitation was revealed. Presented data indicate that a combination of chemo- and photodynamic treatments with C60-drug nanoformulations could provide a promising synergetic approach for cancer treatment. === Kürzliche Fortschritte in der Nanotechnologie haben Interesse an einer biomedizinischen Anwendung des Kohlenstoffnanopartikels C60 Fulleren (C60) aufgrund seiner einzigartigen Struktur und breiten biologischen Aktivität geweckt. In der aktuellen Studie wurde die doppelte Funktionalität von C60 als Photosensibilisator und als Wirkstoff-Nanoträger genutzt, um die Wirkung von Chemotherapeutika auf menschliche Leukämiezellen zu verbessern. C60 alleine zeigte in den Zellen eine zeitabhängige Akkumulation mit vorherrschender mitochondrialer Lokalisation. Die Wirkung von C60 auf Leukämiezellen, die mit unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt wurden, wurde bewertet, um die effektivsten Photoanregungsbedingungen zu finden. Die physikochemischen Eigenschaften und toxischen Wirkungen von C60 auf die Leukämiezellen wurden nach nicht kovalenter Bindung von Arzneistoffen bewertet. Schließlich wurden nanomolare Mengen von C60-Wirkstoff-Nanokomplexen in Molverhältnissen von 1:1 und 2:1 untersucht, um die Effizienz der Behandlung von Zellen zu verbessern und sie durch photodynamischen Ansatz zu ergänzen. Mit dem gängigen Chemotherapeutikum Doxorubicin wurde eine Behandlungsstrategie entwickelt und dessen intrazelluläre Akkumulation und Lokalisation, Zytotoxizität und Wirkmechanismus untersucht wurden. Es wurde gezeigt, dass die entwickelte Strategie auch auf ein alternatives Krebsmedikament übertragbar ist – das pflanzliche Alkaloid Berberin. Die erhaltenen Daten deuten darauf hin, dass eine Kombination von chemo- und photodynamischen Behandlungen mit C60-Nanokomplexen einen vielversprechenden synergetischen Ansatz für die Krebsbehandlung bieten könnte.