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ミトコンドリアを標的とした酸化還元GFPは、光力学的治療中に細胞死の決定を分岐させながら、ミトコンドリア酸化の時間と用量に依存した発症と進行を明らかにする
Mitochondria targeted redox GFP reveals time and dose dependent onset and progression of mitochondrial oxidation with diverging cell death decisions during photodynamic therapy.
PMID: 32679191 DOI: 10.1016/j.pdpdt.2020.101921.
抄録
背景:
光力学的療法（ＰＤＴ）は、表層組織の腫瘍に対する新たな癌治療のモダリティである。異なる光増感剤を用いたin vitro、in vivo、および臨床研究では、アポトーシス、壊死、オートファジー、および細胞死の非特異的形態を含む発散する細胞運命が明らかにされている。PDTの作用機序と効果はフリーラジカルの生成を介しており、性質、線量、光増感剤の代謝、照射エネルギー、照射サイクルなどの多様な変数に大きく依存している。
BACKGROUND: Photodynamic therapy (PDT) is an emerging cancer treatment modality against tumors of superficial tissues. In vitro, in vivo, and clinical studies with different photosensitizers reveal diverging cell fates, including apoptosis, necrosis, autophagy, and non-specific forms of cell death. The mode of action and efficacy of PDT is mediated through free radical generation and is highly dependent on diverse variables such as nature, dose, metabolism of photosensitizer, irradiation energy, and irradiation cycle.
AIM:
アポトーシスと呼ばれる細胞死の臨床的に関連する形態を達成するために、より新しい光増感剤の発見とPDTアプローチの最適化を行うには、より優れたin vitroリアルタイム手法が必要である。酸化的損傷およびミトコンドリアの透過性は、光損傷およびアポトーシスに関与する重要なシグナル伝達イベントである。したがって、ミトコンドリア損傷の検出は、PDTのメカニズムを評価するための適切な標的シグナリングである。
AIM: Discovery of newer photosensitizers and optimization of PDT approaches to achieve a clinically relevant form of cell death called apoptosis requires better in vitro real-time methods. Oxidative damage and mitochondrial permeabilization are critical signaling events involved in photodamage and apoptosis. Hence, mitochondrial damage detection is an appropriate target signaling for mechanistic evaluation of PDT.
方法論:
ここでは、光増感剤である5-アミノレブリン酸(5-ALA)をモデルとして、PDTの重要な変数を試験し、検証するための感度の高いシステムとして、ミトコンドリアを標的としたレドックスGFP発現細胞を報告する。また、独立したFRETベースのカスパーゼセンサー細胞を用いて、光増感剤の投与量と照射時間が細胞死のモードに与える影響を研究した。
METHODOLOGY: Here, we report mitochondria-targeted redox GFP expressing cells as a sensitive system to test and validate important variables of PDT using the photosensitizer 5-Aminolevulinic acid (5-ALA) as a model. An independent FRET-based caspase sensor cell was also used to study the impact of the photosensitizer dosage and irradiation duration on the mode of cell death.
結果:
本研究の結果、mt-roGFPを発現する癌細胞は、PDTによって誘導されるミトコンドリアの酸化をモニターするために非常に敏感であることが明らかになった。PDTによって誘導されるミトコンドリアの酸化還元変化の程度は、これらのセンサー細胞を用いてリアルタイム画像ベースのアプローチによって決定することができる。これらのアプローチは、PDT条件の微調整および最適化に必要な十分な時間分解能を提供する。プローブの酸化の程度は、光増感剤の投与量および光照射の持続時間に大きく依存し、これは細胞死の性質を決定する。リアルタイムカスパーゼセンサープローブは、細胞死のカスパーゼ依存性およびカスパーゼ非依存性の性質が、ミトコンドリアの酸化の程度と高い相関関係にあることをさらに確認した。急速で極端なミトコンドリア酸化を誘発する条件は壊死を促進するようであるが、遅々として進行する酸化還元変化はカスパーゼ依存性のアポトーシスに寄与していると考えられる。
RESULTS: The study reveals that the cancer cells expressing mt-roGFP are extremely sensitive to monitor mitochondrial oxidation induced by PDT. The extent of mitochondrial redox changes induced by PDT can be determined using these sensor cells by real-time image-based approaches. These approaches provide sufficient temporal resolution that is required to fine-tune and optimize the PDT conditions. The degree of oxidation of the probe is highly dependent on the dosage of photosensitizer and duration of light irradiation, which determines the nature of cell death. A real-time caspase sensor probe further confirmed that the caspase-dependent and caspase-independent nature of cell death is in high correlation with the extent of mitochondrial oxidation. A condition that triggers rapid and extreme mito-oxidation seems to favor necrosis, while delayed and slowly progressing redox changes contribute to caspase-dependent apoptosis.
結論:
本研究は、ミトコンドリア酸化の時間的解析が、望ましい結果を達成するためにPDT条件を微調整するための信頼性の高いバイオマーカーであることを確認した。これは、ミトコンドリア標的化されたroGFPを発現する安定した癌細胞株を用いて、レシオメトリックイメージングによって達成することができる。
CONCLUSION: The study confirms that temporal analysis of mitochondrial oxidation is a reliable biomarker for fine-tuning PDT conditions to achieve the desired outcome. This can be achieved using stable cancer cell lines expressing mitochondria-targeted roGFP by ratiometric imaging.
Copyright © 2020. Published by Elsevier B.V.