Name: an in-house-built and light-emitting-diode-based photodynamic therapy device for enhancing verteporfin cytotoxicity in a 2d cell culture model
Uploaded: 2023-01-13T12:40:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about An In-House-Built and Light-Emitting-Diode-Based Photodynamic Therapy Device for Enhancing Verteporfin Cytotoxicity in a 2D Cell Culture Model at JoVE.com

Wir danken Arthur Henrique Gomes de Oliveira und Lucas Julian Cruz Gomes für die Unterstützung bei den Dreharbeiten. Dieses Projekt wurde vom brasilianischen Forschungsrat (CNPq, Förderkennzeichen 400953/2016-1-404286/2021-6) und der Fundação Araucária-PPSUS 2020/2021 (SUS2020131000003) unterstützt. Diese Studie wurde auch teilweise von Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior-Brasil (CAPES)-Finance Code 001 finanziert.

HINWEIS: Details zu allen Materialien, Reagenzien und Software, die in diesem Protokoll verwendet werden, finden Sie in der Materialtabelle .
1. Geräteaufbau
<ol><li>Sägen Sie 3 mm dicke mitteldichte Faserplatten (MDF), um Teile mit den in Abbildung 1A gezeigten Abmessungen zu erhalten. HINWEIS: Verwenden Sie die Vektordatei (Supplemental File 1) für CNC-Schneiden.</li>
	<li>Bauen Sie zwei Boxen mit den fo...

<ol>
	<li>Ferlay, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=International+agency+for+research+on+cancer.">International agency for research on cancer.</a> Global Cancer Observatory: Cancer Today. 23 (7), 323-326 (2018).</li><li>Gottesman, M. M., Fojo, T., Bates, S. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multidrug+resistance+in+cancer:+role+of+Atp-dependent+transporters.">Multidrug resistance in cancer: role of Atp-dependent transporters.</a> Nature Reviews Cancer. 2 (1), 48-58 (2002).</li><li>Szakacs, G., Paterson, J. K., Ludwig, J. A., Boothe-Genthe, C., Gottesman, G. 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R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photodynamic+therapy+for+cancer:+what's+past+is+prologue.">Photodynamic therapy for cancer: what's past is prologue.</a> Photochemistry and Photobiology. 96 (3), 506-516 (2020).</li><li>Barr, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+contrasting+mechanisms+of+colonic+collagen+damage+between+photodynamic+therapy+and+thermal+injury.">The contrasting mechanisms of colonic collagen damage between photodynamic therapy and thermal injury.</a> Photochem Photobiol. 46 (5), 795-800 (1987).</li><li>Algorri, J. F., Ochoa, M., Rold&#225;n-Varona, P., Rodr&#237;guez-Cobo, L., L&#243;pez-Higuera, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photodynamic+therapy:+A+compendium+of+latest+reviews.">Photodynamic therapy: A compendium of latest reviews.</a> Cancers. 13 (17), 4447 (2021).</li><li>Aniogo, E. C., Plackal, B., George, B. P. A., Abrahamse, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+photodynamic+therapy+on+multidrug+resistant+breast+cancer.">The role of photodynamic therapy on multidrug resistant breast cancer.</a> Cancer Cell International. 19, 91 (2019).</li><li>Spring, B. Q., Rizvi, I., Xu, N., Hasan, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+photodynamic+therapy+in+overcoming+cancer+drug+resistance.">The role of photodynamic therapy in overcoming cancer drug resistance.</a> Photochemical &amp; Photobiological Sciences. 14 (8), 1476-1491 (2015).</li><li>Dougherty, T. J., Grindey, G. B., Fiel, R., Weishaupt, K. R., Boyle, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoradiation+therapy.+II.+Cure+of+animal+tumors+with+hematoporphyrin+and+light.">Photoradiation therapy. II. Cure of animal tumors with hematoporphyrin and light.</a> Journal of the National Cancer Institute. 55 (1), 115-121 (1975).</li><li>Etcheverry, M. E., Pasquale, M. 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B., Hamblin, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cell+death+pathways+in+photodynamic+therapy+of+cancer.">Cell death pathways in photodynamic therapy of cancer.</a> Cancers. 3 (2), 2516-2539 (2011).</li><li>Mahalingam, S. M., Ordaz, J. D., Low, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeting+of+a+photosensitizer+to+the+mitochondrion+enhances+the+potency+of+photodynamic+therapy.">Targeting of a photosensitizer to the mitochondrion enhances the potency of photodynamic therapy.</a> ACS Omega. 3 (6), 6066-6074 (2018).</li><li>Granville, D. J., Levy, J. G., Hunt, D. W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photodynamic+treatment+with+benzoporphyrin+derivative+monoacid+ring+A+produces+protein+tyrosine+phosphorylation+events+and+DNA+fragmentation+in+murine+P815+cells.">Photodynamic treatment with benzoporphyrin derivative monoacid ring A produces protein tyrosine phosphorylation events and DNA fragmentation in murine P815 cells.</a> Photochemistry and Photobiology. 67 (3), 358-362 (1998).</li><li>Castano, A. P., Demidova, T. N., Hamblin, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+in+photodynamic+therapy:+part+two+-+cellular+signaling,+cell+metabolism+and+modes+of+cell+death.">Mechanisms in photodynamic therapy: part two - cellular signaling, cell metabolism and modes of cell death.</a> Photodiagnosis Photodynamic Therapy. 2 (1), 1-23 (2014).</li><li>Detty, M. R., Gibson, S. L., Wagner, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+clinical+and+preclinical+photosensitizers+for+use+in+photodynamic+therapy.">Current clinical and preclinical photosensitizers for use in photodynamic therapy.</a> Journal of Medicinal Chemistry. 47 (16), 3897-3915 (2004).</li><li>Allison, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photodynamic+therapy:+oncologic+horizons.">Photodynamic therapy: oncologic horizons.</a> Future Oncology. 10 (1), 123-142 (2014).</li><li>Chepurna, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photodynamic+therapy+with+laser+scanning+mode+of+tumor+irradiation.">Photodynamic therapy with laser scanning mode of tumor irradiation.</a> Optical Fibers and Their Applications 2015. 9816, 323-326 (2015).</li><li>Huang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+progress+in+clinical+photodynamic+therapy.">A review of progress in clinical photodynamic therapy.</a> Technology in Cancer Research and Treatment. 4 (3), 283-293 (2005).</li><li>Chepurna, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=LED-based+portable+light+source+for+photodynamic+therapy.">LED-based portable light source for photodynamic therapy.</a> Optics in Health Care and Biomedical Optics. 11190, 109-115 (2019).</li><li>Hasson, O., Wishkerman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CultureLED:+A+3D+printer-based+LED+illumination+cultivation+system+for+multi-well+culture+plates.">CultureLED: A 3D printer-based LED illumination cultivation system for multi-well culture plates.</a> HardwareX. 12, 00323 (2022).</li><li>Wu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Localised+light+delivery+on+melanoma+cells+using+optical+microneedles.">Localised light delivery on melanoma cells using optical microneedles.</a> Biomedical Optics Express. 13 (2), 1045-1060 (2022).</li><li>Erkiert-Polguj, A., Halbina, A., Polak-Pacholczyk, I., Rotsztejn, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-emitting+diodes+in+photodynamic+therapy+in+non-melanoma+skin+cancers-own+observations+and+literature+review.">Light-emitting diodes in photodynamic therapy in non-melanoma skin cancers-own observations and literature review.</a> Journal of Cosmetic and Laser Therapy. 18 (2), 105-110 (2016).</li><li>Neupane, J., Ghimire, S., Shakya, S., Chaudhary, L., Shrivastava, V. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+light+emitting+diodes+in+the+photodynamic+therapy+of+rheumatoid+arthritis.">Effect of light emitting diodes in the photodynamic therapy of rheumatoid arthritis.</a> Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. 7 (1), 44-49 (2010).</li><li>Lins, E. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+785-nm+laser+diode-based+system+for+standardization+of+cell+culture+irradiation.">A novel 785-nm laser diode-based system for standardization of cell culture irradiation.</a> Photomedicine and Laser Surgery. 31 (10), 466-473 (2013).</li><li>Hopkins, S. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+In+vitro+cell+irradiation+protocol+for+testing+photopharmaceuticals+and+the+effect+of+blue,+green,+and+red+light+on+human+cancer+cell+lines.">An In vitro cell irradiation protocol for testing photopharmaceuticals and the effect of blue, green, and red light on human cancer cell lines.</a> Photochemical and Photobiological Sciences. 15 (5), 644-653 (2016).</li><li>Zhang, K., Waguespack, M., Kercher, E. M., Spring, B. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+automated+and+stable+LED+array+illumination+system+for+multiwell+plate+cell+culture+photodynamic+therapy+experiments.">An automated and stable LED array illumination system for multiwell plate cell culture photodynamic therapy experiments.</a> Research Square. , 1-18 (2022).</li><li>G&#225;lvez, E. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+and+evaluation+of+the+operational+characteristics+of+a+new+photodynamic+therapy+device.">Analysis and evaluation of the operational characteristics of a new photodynamic therapy device.</a> Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. 37, 102719 (2022).</li><li>Bretin, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photodynamic+therapy+activity+of+new+human+colorectal+cancer.">Photodynamic therapy activity of new human colorectal cancer.</a> Cancers. 11 (10), 1474 (2019).</li><li>. T. SketchUp Available from: <a target="_blank" href="https://www.sketchup.com/">https://www.sketchup.com/</a> (2022)</li><li>LCDR PhotoDynamic Therapy (PDT) Equipment Repository. GitHub, Inc Available from: <a target="_blank" href="https://github.com/PhotoDynamicTherapy">https://github.com/PhotoDynamicTherapy</a> (2022)</li><li>W3C CSS Color Module Level 3. W3C, Inc Available from: <a target="_blank" href="https://www.w3.org/TR/css-color-3/#SRGB">https://www.w3.org/TR/css-color-3/#SRGB</a> (2022)</li></ol>

Das endgültige PhotoACT-Gerät war bequem mit kommerziell erhältlichen, kostengünstigen Komponenten zu Gesamtkosten von weniger als 50 US-Dollar zu konstruieren. Weitere Vorteile sind ein geringer Wartungsaufwand, die Fähigkeit, mehrere Arten von Kulturplatten zu bestrahlen, die gleichzeitige Verwendung von bis zu vier Einheiten pro Assay, ein geringes Gewicht (2 kg)/Größe (44 cm3), das Portabilität, genaue und reproduzierbare Bestrahlung (Daten nicht gezeigt) ermöglicht, und eine benutzerfreundliche u...

Unter den tödlichsten nichtübertragbaren Krankheiten ist Krebs eine weltweit häufigste Ursache für vorzeitige Todesfälle. Im Jahr 2020 entfielen fast 10 Millionen Todesfälle, was etwa einem von sechs Todesfällen weltweit entspricht1. Darüber hinaus stellt das Phänomen der Multidrug-Resistenz (MDR) eine enorme Bedrohung für die öffentliche Gesundheit dar, da zugelassene chemotherapeutische Protokolle für diesen klinischen Zustand keine Remissionsstadien erreichen2. Krebszellen können durch mehrere Mechanismen eine Resistenz gegen Chemotherapie entwickeln; Die Überexpression einiger ATP-bindender Kassettentransporter (ABC) - ATP-abhängige Effluxpumpen - gilt jedoch als Hauptursache für die MDR-Entwicklung innerhalb einer Tumormikroumgebung3. Neben der MDR verstärken andere Krebskomplikationen wie Rezidive und Metastasen die dringende Notwendigkeit, therapeutische Ansätze zur Bewältigung dieser onkologischen Herausforderung zu entwickeln und zu verbessern.
Die kurative Nutzung von Licht wird seit Jahrhundertenpraktiziert 4, und die photodynamische Therapie (PDT) stellt einen klinisch anerkannten Therapieansatz für solide Tumore dar. Die PDT kombiniert die Verabreichung eines Photosensibilisators (PS), gefolgt von Lichtbestrahlung, um reaktive Sauerstoffspezies (ROS) zu erzeugen, um selektive Zytotoxizität in Tumorzellen auszuüben. Dieser therapeutische Ansatz ist herkömmlichen Methoden wie Operation, Bestrahlung und Chemotherapie überlegen5; Es handelt sich um eine minimalinvasive Technik, die eine geringere Zytotoxizität im Bindegewebe aufweist6. Die Lichtapplikation und die PS-Akkumulation direkt im Tumor oder seiner Mikroumgebung gewährleisten ein präzises Targeting und folglich geringe, unerwünschte systemische Nebenwirkungen7 und die Möglichkeit einer wiederholten Behandlung an derselben Stelle. Darüber hinaus sind die Kosten niedriger als bei anderen Ansätzen. Aufgrund ihrer vielversprechenden Eigenschaften kann die PDT als geeignete Option sowohl für die einzelne, insbesondere bei inoperablen Tumoren, als auch für die adjuvante Krebsbehandlung7 angesehen werden und stellt eine Alternative für MDR im Zusammenhang mit der Chemotherapiedar 8,9.
Der erste Bericht, der eine hohe objektive Ansprechrate unter Verwendung der PDT zeigte, wurde 1975 in einem Maus- und Rattenmodell10 beschrieben. Seitdem wurden Studien mit PDT mit positiven Ergebnissen7 sowohl in vivo als auch in vitro mit menschlichen Tumorzelllinien in 2D-Zellkulturdurchgeführt 11,12. Unter Berücksichtigung der breiten Anwendbarkeit klinisch zugelassener PS, unabhängig von ihren spezifischen Akkumulationswegen und Wellenlängenbereichen der Absorptionspeaks, ist der allgemeine Prozess wie folgt: (i) PS-Aufnahme, (ii) Spitzenwert der PS-Konzentration am Tumor oder seiner Mikroumgebung, (iii) Lichtanwendung, (iv) PS-Licht-Wechselwirkung, (v) Übertragung von PS-angeregter Energie entweder auf Gewebesubstrat oder umgebende Sauerstoffmoleküle, (vi) ROS-Produktion mit Singulett-Sauerstoff oder Superoxid-Anion, (vii) Tumorzelltod durch im Wesentlichen Nekrose oder Apoptose (direkter Tod), Autophagie (zytoprotektiver Mechanismus), Gewebeischämie (Gefäßschäden), Immunmodulation oder eine Überlappung dieser Mechanismen7. In diesem letzten Stadium hängt die Aktivierung eines spezifischen Zelltodwegs von vielen Faktoren ab, wie Zelleigenschaften, experimentellem Design und vor allem PS-intrazellulärer Lokalisation und PDT-bedingten gezielten Schäden13.
Verteporfin ist ein PS der zweiten Generation, das von Zulassungsbehörden für den klinischen Einsatz in Norwegen und China zur Behandlung der altersbedingten Makuladegeneration7 zugelassen wurde. Nach Dosisabgabe wurde berichtet, dass sich dieses Prodrug teilweise in Mitochondrienanreichert 14 und zelluläre Proteintyrosinphosphorylierung und DNA-Fragmentierung induziert, was zu einer Tumorzellapoptoseführt 15,16. Nach 24-stündiger Inkubation zur Verteporfin-Internalisierung wird ein PDT-Protokoll unter Verwendung eines Wellenlängenaufbaus von 690 nm empfohlen, um eine effektive elektromagnetische Strahlungsübertragung auf benachbarte Moleküle 7,17 zu erreichen.
Was die Lichtquelle für PDT betrifft, so sind die klassischen Diodenlasersysteme in der Regel teuer, technisch kompliziert, überdimensioniert und daher nicht portabel18,19. Aufgrund seines Single-Wellenlängen-Profils, das auch in LED-basierten PDT-Geräten beobachtet werden kann, macht die Nachfrage nach unabhängigen Einheiten für jede Photosensibilisator-Anwendung den Einsatz von Diodenlasersystemen noch komplexer und wirtschaftlich nicht realisierbar20,21. Daher gilt die Verwendung von LED-Maschinen als die vielversprechendste Alternative, um nicht nur Kosten 22 und Wartungsprobleme zu lösen, sondern auch eine hohe Leistung und weniger schädliche23 und eine breitere Beleuchtungsfähigkeit24,25,26,27 bereitzustellen.
Trotz des potenziellen Beitrags, den LED-basierte Geräte zu PDT-Experimenten leisten können28, weisen die meisten kommerziellen Optionen immer noch Nachteile auf, wie mangelnde Portabilität, hohe Kosten und komplexe Bauprojekte und Betrieb29. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, ein einfaches und zuverlässiges Werkzeug für In-vitro-PDT-Assays anzubieten. Dieses Dokument beschreibt PhotoACT, ein selbst gebautes LED-basiertes PDT-Gerät, das kostengünstig, benutzerfreundlich und tragbar ist. Als Machbarkeitsnachweis wird gezeigt, dass dieses Gerät die Zytotoxizität von Verteporfin in einem 2D-Zellkulturmodell verbessert und daher als Forschungswerkzeug in PDT-Experimenten verwendet werden kann.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.5% Trypsin-EDTA (10x)</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>15400054</td>
			<td>Mammalian cell culture dissociation reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D printer</td>
			<td>Flashforge</td>
			<td></td>
			<td>Finder model</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96-well plates</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Non-sterile, polystyrene, and high-binding surface plates with flat bottom wells used for 2D cell culture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Arduino</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Brightness sensor</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>TSL2561 model with 0.1-40.000+ lux detection levels and I2C interface</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buttons</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buzzer</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cell culture Flasks</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Sterile, polystyrene, rectangular bottom flask with Tissue Culture (TC)-treated surface, canted neck and vent cap (sizes)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge Tubes</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Sterile, polypropylene tubes with 15/50 mL capacity used for cell culture dilution at seeding step of the assay</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CO2 Incubator</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Controller board</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>ESP32</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Design Software</td>
			<td>Trimble</td>
			<td></td>
			<td>SketchUp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM High Glucose</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>11965092</td>
			<td>DMEM (Dulbecco&#39;s Modified Eagle Medium) is a widely used basal medium for supporting the growth of many different mammalian cells.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMSO</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>D4540-500ML</td>
			<td>Dimethyl sulfoxide, &#8805;99.5% (GC), suitable for plant cell culture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal Bovine Serum&#160;</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>12657029</td>
			<td>FBS provides the best value by delivering consistency of cell growth over time and passages.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gentamicin (50 mg/mL)</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>15750060</td>
			<td>Water-soluble antibiotic drug originally purified from the fungus&#160;Micromonospora purpurea. Gentamicin acts by preventing cell culture contamination</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hemocytometer</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Neubauer patterned chamber used for cell counting at seeding step of the assay</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inverted Laboratory Microscope</td>
			<td>Leica</td>
			<td></td>
			<td>DM IL LED</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laminar Flow Hood</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Cabin designed to protect the working environment from contaminants by maintaining a constant, unidirectional flow of HEPA-filtered air over the work area. Used at several steps of cell cultivation and treatment procedures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LCD display</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED RGB WS2812</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>5050 RGB SMD model with a built-in processor. Tape with 30 LEDs, 1 meter length and 9 watts</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MDF fiberboards</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>3mm thickness medium-density fiberboards</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microcentrifuge Tubes</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Sterile, polypropylene tubes with safety lid and 1.5/2.0 mL capacity. Convenient tools for manipulating small volumes at treatment step of the assay</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microplate reader</td>
			<td>ThermoFischer</td>
			<td></td>
			<td>Multiskan FC Microplate Photometer designed to detect a broad wavelength range of absorbance (340-850 nm). The equipment was used to evaluate cell viability after MTT incubation.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MTT Reagent</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>M6494</td>
			<td>3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide. Used for cell viability assays</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Operational System</td>
			<td>Real Time Engineers ltd.</td>
			<td></td>
			<td>FreeRTOS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P10 micripipette</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Non-electronic, single-channel, 1-10 &#956;L capacity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P1000 micropipette</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Non-electronic, single-channel, 10-1000 &#956;L capacity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P200 micropipette</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Non-electronic, single-channel, 20-200 &#956;L capacity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PDT Equipment</td>
			<td>LumaCare</td>
			<td></td>
			<td>Model LC-122</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphate-Buffered Saline pH 7.4</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>10010031</td>
			<td>Balanced salt formulation used for washing cells during cultivation and assay procedures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potentiometers</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tips</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Non-sterile, universal fit, 10/200/1000 &#956;L maximum volumes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Verteporfin</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>SML0534-5MG</td>
			<td>Verteporfin, &#8805;94% (HPLC)</td>
		</tr>
	</tbody>
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an in-house-built and light-emitting-diode-based photodynamic therapy device for enhancing verteporfin cytotoxicity in a 2d cell culture model

Dieser Artikel beschreibt ein neuartiges, einfaches und kostengünstiges Gerät zur Durchführung von In-vitro-Tests der photodynamischen Therapie (PDT), das PhotoACT genannt wird. Das Gerät wurde mit einem Satz herkömmlicher programmierbarer Leuchtdioden (LEDs), einem LCD-Modul (Liquid Crystal Display) und einem Lichtsensor gebaut, der an eine kommerzielle Mikrocontrollerplatine angeschlossen ist. Die kastenbasierte Struktur des Prototyps wurde mit mitteldichten Faserplatten (MDFs) hergestellt. Das interne Kompartiment kann gleichzeitig vier Zellkultur-Multiwell-Mikroplatten zuordnen.
Als Proof of Concept untersuchten wir die zytotoxische Wirkung des Photosensibilisators (PS) Verteporfin gegen die HeLa-Zelllinie in zweidimensionaler (2D) Kultur. HeLa-Zellen wurden 24 h lang mit steigenden Konzentrationen von Verteporfin behandelt. Das arzneimittelhaltige Überstandsmedium wurde verworfen, die adhärenten Zellen wurden mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) gewaschen und medikamentenfreies Medium hinzugefügt. In dieser Studie wurde die Wirkung von Verteporfin auf Zellen entweder ohne Lichtexposition oder nach 1-stündiger Lichtexposition anhand von Rot-Grün-Blau (RGB) Werten von 255, 255 und 255 (durchschnittliche Fluenz von 49,1 ± 0,6 J/cm2) untersucht. Nach 24 h wurde die Zelllebensfähigkeit mit dem 3-(4,5-Dimethyl-2-thiazolyl)-2,5-diphenyltetrazoliumbromid (MTT)-Assay beurteilt.
Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass die Exposition von mit Verteporfin behandelten Zellen gegenüber dem Licht des Geräts die zytotoxische Wirkung des Arzneimittels über einen Mechanismus verstärkt, der durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) vermittelt wird. Darüber hinaus wurde die Verwendung des in dieser Arbeit beschriebenen Prototyps validiert, indem die Ergebnisse mit einem kommerziellen PDT-Gerät verglichen wurden. Somit stellt dieser LED-basierte photodynamische Therapieprototyp eine gute Alternative für in vitro Studien der PDT dar.

Das letzte PDT-Gerät mit dem Namen PhotoACT enthielt eine dunkle Kammer zur Zuweisung von bis zu vier Multiwell-Mikrotiterplatten, wobei die obere Innenfläche mit einem Satz von 30 gestreuten LEDs ausgestattet war, die so programmiert waren, dass sie unterschiedliche Spektren sichtbaren Lichts emittieren (Abbildung 3 und Zusatzdatei 6). Das Gerät bestand aus zwei zugehörigen Boxen: einer internen Box, die als dunkle Kammer für die PDT-Assays konzipiert war, und einer ex...

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An In-House-Built and Light-Emitting-Diode-Based Photodynamic Therapy Device for Enhancing Verteporfin Cytotoxicity in a 2D Cell Culture Model

Hier beschreiben wir ein neuartiges, einfaches und kostengünstiges Gerät zur erfolgreichen Durchführung von In-vitro-Tests der photodynamischen Therapie (PDT) unter Verwendung zweidimensionaler HeLa-Zellkultur und Verteporfin als Photosensibilisator.

Ein selbst gebautes photodynamisches Therapiegerät auf Basis von Leuchtdioden zur Verbesserung der Verteporfin-Zytotoxizität in einem 2D-Zellkulturmodell

This paper describes a novel, simple, and low-cost device to perform in vitro photodynamic therapy (PDT) assays, named the PhotoACT. The device was built ...

Die photodynamische Therapie, PDT, bietet mehrere Vorteile für die Krebsbehandlung, und ihre Wirksamkeit hängt von einer Lichtquelle ab, um einen Photosensibilisator zu aktivieren. Trotz der jüngsten Fortschritte auf diesem Gebiet fehlt der Zugang zu einem teuren und reproduzierbaren Gerät für PTD für In-vitro-Modelle. Um diese Nachfrage zu erreichen, beschreibt diese Arbeit ein neuartiges, einfaches und kostengünstiges Gerät zur Durchführung von PDT-Assays an Zellkulturen namens PhotoAct.Um mit dem Bau zu beginnen, sägen drei Millimeter dicke mitteldichte Faserplatten, MDF, um Stücke mit den folgenden Abmessungen zu erhalten. Baue zwei Boxen mit den folgenden Abmessungen. Bohren Sie die Rückseite des größeren Kartons, um einen Zylinderanschluss zu installieren.Bohren Sie auch die Oberseite der größeren Box, die Oberseite und die Unterseite der kleineren Box, um einen Durchgang für elektrische Kabel zu schaffen. Malen Sie alle Innenflächen mit schwarzer Tinte, um einen homogenen Lichteinfall zu fördern. Befestigen Sie parallel drei LED-Bänder mit je 10 LEDs an der oberen Innenfläche der kleineren Box.Installieren Sie zusätzlich einen Helligkeitssensor in der Mitte der unteren Innenfläche der kleineren Box. Drucken Sie die Struktur der Steuereinheit mit der ergänzenden 3D-Druckdatei. Installieren Sie alle Komponenten, den Netzschalter, die Potentiometer, das Zeitstart-Touchpad, die LEDs, den Helligkeitssensor, das LCD, den Summer und das Netzteil sowie die Teile einer ESP-32-Controllerplatine, die im Inneren der Steuereinheit montiert sind.Laden Sie den in der Zusatzdatei verfügbaren Programmiercode hoch, und führen Sie einen Test durch, um zu überprüfen, ob alle Verbindungen funktionieren. Montieren Sie die Boxen und befestigen Sie sie zusammen, um Lücken und damit externe Beleuchtungsstörungen und sofortigen Lichtverlust zu vermeiden. Befestigen Sie die montierte Steuereinheit an der Bohrfläche oben am Prototyp.Bauen Sie eine Fronttür aus dem gleichen Material in den folgenden Abmessungen und befestigen Sie sie am äußeren Kasten mit Scharnieren und Velcro Bändern, um einen Kammerverschluss und ununterbrochene Assays zu gewährleisten. Installieren Sie auch einen Griff, um die Haustür mit Leichtigkeit und Präzision zu manipulieren. Befestigen Sie vier Gummifußpolster an der Unterseite des Prototyps, um mehr Stabilität während der Operationen zu gewährleisten.Kultivieren Sie die HeLa-Zelllinie in Dulbeccos Modified Eagle Medium niedriger Glukose mit 10% fötalem Rinderserum und 1% Gentamycin. Halten Sie die Kulturkolben bei 5% Kohlendioxid und 37 Grad Celsius. Verwalten und inspizieren Sie die Zellkultur, bis 80 bis 90% des Zusammenflusses erreicht sind.Starten Sie das Zelllebensfähigkeitsprotokoll mit dem Seeding-Prozess. Das Medium wird mit einer konfluierenden HeLa-Zellkultur aus dem Kolben genommen. Waschen Sie den Kolben mit Phosphatpuffersalzlösung, PBS, und lösen Sie die Kultur mit Trypsin nach hervorgehobenen Details.Zählen Sie die Resuspendierungszellen mit einem Hämozytometer und säen Sie sie in eine Multi-Well-Mikroplatte mit einer Konzentration von 20.000 Zellen pro Well. Bereiten Sie zwei Platten für dunkle und helle Behandlungsbedingungen vor und inkubieren Sie sie für 24 Stunden zur Zellbefestigung. Um mit der Behandlung mit einem Photosensibilisator fortzufahren, entfernen Sie das Medium von beiden Platten und behandeln Sie die Zellen mit 100 Mikrolitern steigender Konzentrationen von Verteporfin.Halten Sie die Zellen für 24 Stunden in Behandlung, um die Internalisierung von Verteporfin zu ermöglichen. Entfernen Sie nach der Inkubation die Behandlung, waschen Sie die Zellen mit PBS und fügen Sie ein arzneimittelfreies Medium hinzu. Bedecken Sie eine Mikroplatte mit Aluminiumfolie, um sie vor Lichteinwirkung zu schützen, und inkubieren Sie sie 24 Stunden lang.Diese Mikrotiterplatte wird Kontrolldaten für die weitere Analyse der PDT-Ergebnisse liefern. Die andere Mikrotiterplatte wird bei Lichtbelichtung am PhotoAct eingesetzt. Um das Gerät zu bedienen, schließen Sie es an die Steckdose an und schalten Sie es ein, indem Sie den Netzschalter drücken.Platzieren Sie die Multiwell-Mikroplatte in der PDT-Kammer und schließen Sie das Gerät, indem Sie die Fronttür mit den seitlichen Velcro Bändern befestigen. Um das Gerät einzurichten, verwenden Sie die Potentiometer, um die RGB-Konfiguration der Lichtemission anzupassen. Drücken Sie das Plus/Minus-Touchpad, um die Zeitkonfiguration anzupassen und die Untersuchungsdauer einzustellen.Überprüfen Sie, ob die richtigen Informationen über den Assay auf dem Display angezeigt werden, und nehmen Sie gegebenenfalls letzte Anpassungen vor. Drücken Sie das Start-Touchpad, um den Assay zu starten. Zu Beginn des Experiments muss ein One-Piep-Summer gehört werden.Während des Experiments können Fortschrittsinformationen wie Bestrahlungsstärke und verbleibende Zeit am Display beobachtet werden. Öffnen Sie während des PDT-Tests nicht die Frontklappe und ändern Sie keine Konfiguration. Am Ende des Assays muss ein Vier-Piep-Summer gehört werden und das elektronische System schaltet alle LEDs aus.Eine fertige Nachricht und die endgültige Energiemenge, die während des Experiments expandiert wurde, können am Display beobachtet werden. Der Fluence-Endwert wird gemäß der hervorgehobenen Gleichung berechnet. Decken Sie die Mikroplatte ab, die unter Lichteinwirkung litt, und fahren Sie mit der 24-Stunden-Inkubation fort.Nach der Inkubationszeit das Medium von beiden Platten entfernen, die Monoschicht der Zellen mit PBS waschen und MTT-Lösung hinzufügen. Inkubieren Sie beide Platten unter dunklen und hellen Bedingungen für vier Stunden, um die Bildung von Formazankristallen zu ermöglichen. Entfernen Sie die MTT-Lösung vorsichtig und lösen Sie die violetten Kristalle mit einer DMSO- und Ethanollösung auf.Nach vollständiger Auflösung der Kristalle wird die Absorptionsmessung mit einem Mikrotiterplattenleser bei 595 Nanometern durchgeführt. Das Endprodukt besteht aus einer dunklen Kammer, deren obere Innenfläche mit einem Satz von 30 Streulichtdioden (LEDs) ausgestattet ist, die so programmiert sind, dass sie unterschiedliche Spektren sichtbaren Lichts emittieren. Durch die geringe Reflektivität der Innenflächen und die gleichmäßige Verteilung der LED-Konfiguration wird ein homogener Lichteinfall hergestellt.Die Aufbauoberfläche ist benutzerfreundlich und der festgelegte experimentelle Zustand war reproduzierbar. Als Proof of Concept wurde das Gerät verwendet, um die zytotoxische Wirkung von Verteporfin in 2D-HeLa-Zellkultur nach Lichtexposition zu verstärken. Wie in der Abbildung gezeigt, betrug der GI50-Wert 3,1 Mikromolar für die Lichtverhältnisse.und 13,8 Mikromolar für den dunklen Zustand Daher bestätigt die Steigerung der Effizienz um mehr als das Vierfache im Vergleich der Bedingungen die Verwendung von Verteporfin als Photosensibilisator und die Anwendbarkeit von PhotoAct auf PDT-Assays. Um die Verwendung des in dieser Arbeit beschriebenen Prototyps zu validieren, wurde ein kommerzielles PDT-Gerät unter den gleichen experimentellen Bedingungen verwendet, einschließlich Photosensibilisator, Zellen und Fluence, und die Ergebnisse wurden verglichen. Wie in der Abbildung gezeigt, photoaktivierten beide Geräte Verteporfin gleichermaßen, wodurch die zytotoxische Wirkung verstärkt wurde.Schließlich wurde der ROS-vermittelte Zelltod, der durch Verteporfin nach Lichtexposition ausgelöst wurde, durch Durchflusszytometrie mit DCFDA-Assay bestätigt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Gerät problemlos mit handelsüblichen kostengünstigen Komponenten mit Gesamtkosten von weniger als 50 gebaut werden konnte. Zu den wichtigsten weiteren Vorteilen des Geräts gehören Portabilität, geringer Wartungsaufwand, Fähigkeit, mehrere Arten von Kulturplatten zu bestrahlen, die gleichzeitige Verwendung von bis zu vier Einheiten pro Assay, genaue und reproduzierbare Bestrahlung, benutzerfreundliche und einfache Setup-Schnittstelle, die keine Verbindung zu Computern oder anderen Maschinen erfordert.Darüber hinaus wird ein Entscheidungsflussdiagramm dargestellt, um einen systematischen Problemlösungsansatz zum Auffinden und Beheben von Problemen oder Fehlern während des Betriebs zu bieten. Diese Ergebnisse ermöglichen es, die Vorteile von PhotoAct zur Erleichterung der PDT auf die wissenschaftliche Forschung auszudehnen und den Wirkmechanismus von Photosensibilisatoren und ihre klinischen Anwendungen zu erforschen.

Research

JoVE Journal

Biochemistry

An Efficient Method for the Isolation of Highly Purified RNA from Seeds for Use in Quantitative Transcriptome Analysis

Eine effiziente Methode zur Isolierung von Highly Purified RNA aus Samen für die Verwendung in Quantitative Transkriptomanalyse

Plant seeds accumulate large amounts of storage reserves comprising biodegradable organic matter. Humans rely on seed storage reserves for food and as ...

Forschung

Biochemie

Time-resolved ElectroSpray Ionization Hydrogen-deuterium Exchange Mass Spectrometry for Studying Protein Structure and Dynamics

Zeitaufgelöste Elektrospray-Ionisations Wasserstoff-Deuterium-Austausch-Massenspektrometrie zur Struktur Protein Studium und Dynamik

Intrinsically disordered proteins (IDPs) have long been a challenge to structural biologists due to their lack of stable secondary structure elements. ...

Easy Manipulation of Architectures in Protein-based Hydrogels for Cell Culture Applications

Einfache Handhabung von Architekturen in Protein-basierte Hydrogele für Zelle Kultur Anwendungen

Hydrogels are recognized as promising materials for cell culture applications due to their ability to provide highly hydrated cell environments. The field ...

Sample Preparation for Mass Spectrometry-based Identification of RNA-binding Regions

Probenvorbereitung für Masse Spektrometrie-basierte Identifikation der RNA-bindende Regionen

Noncoding RNAs play important roles in several nuclear processes, including regulating gene expression, chromatin structure, and DNA repair. In most ...

Study on the Metabolism of Six Systemic Insecticides in a Newly Established Cell Suspension Culture Derived from Tea (Camellia Sinensis L.) Leaves

Study on the Metabolism of Six Systemic Insecticides in a Newly Established Cell Suspension Culture Derived from Tea Camellia Sinensis L. Leaves

Studie über den Stoffwechsel von sechs systemischen Insektiziden in einer neu etablierten Zellsuspensionskultur abgeleitet aus Tee (Camellia Sinensis L.) Blätter

A platform for studying insecticide metabolism using in vitro tissues of tea plant was developed. Leaves from sterile tea plantlets were induced to form ...

Enhancing the Engraftment of Human Induced Pluripotent Stem Cell-derived Cardiomyocytes via a Transient Inhibition of Rho Kinase Activity

Verbesserung der Transplantation von humaninduzierten pluripotenten Stammzellen abgeleiteten Kardiomyozyten über eine transiente Hemmung der Rho Kinase Aktivität

A crucial factor in improving cellular therapy effectiveness for myocardial regeneration is to safely and efficiently increase the cell engraftment rate. ...

Cell Culture on Silicon Nitride Membranes and Cryopreparation for Synchrotron X-ray Fluorescence Nano-analysis

Zellkultur auf Siliziumnitridmembranen und Kryovorbereitung für Synchrotron-Röntgenfluoreszenz Nano-Analyse

Very little is known about the distribution of metal ions at the subcellular level. However, those chemical elements have essential regulatory functions ...

Ultra-High-Speed Western Blot using Immunoreaction Enhancing Technology

Ultra-High-Speed Western Blot mit Immunoreaction Enhancing Technology

A western blot (also known as an immunoblot) is a canonical method for biomedical research. It is commonly used to determine the relative size and ...

Continuous Fluorescence-Based Endonuclease-Coupled DNA Methylation Assay to Screen for DNA Methyltransferase Inhibitors

Kontinuierlicher fluoreszenzbasierter Endonuklease-gekoppelter DNA-Methylierungsassay zum Screening auf DNA-Methyltransferase-Inhibitoren

DNA methylation, a form of epigenetic gene regulation, is important for normal cellular function. In cells, proteins called DNA methyltransferases (DNMTs) ...

Deciphering Molecular Mechanism of Histone Assembly by DNA Curtain Technique

Chromatin is a higher-order structure that packages eukaryotic DNA. Chromatin undergoes dynamic alterations according to the cell cycle phase and in ...