Modulation of cellular Ca2+-signaling during hypericin-induced photodynamic therapy (PDT)

During photodynamic therapy (PDT) the interaction between light and photosensitizers induces oxidative stress through the production of reactive oxygen species (ROS). The intracellular localization of the photosensitizer determines the signaling pathways started by its photoactivation. One of these pathways is modulated by changes in the local Ca2+-concentration, which may induce further reactions leading to cell stimulation or cell death.In this study we analyze the temporal changes of Ca2+-concentration induced by hypericin-PDT in dependence on photosensitizer localization and irradiation conditions. PDT at low dose induced Ca2+-oscillations, which might be explained as Ca2+-shuttling processes between mitochondria and ER. At higher light doses, Ca2+-overload and subsequent Ca2+-release into the cytoplasm were observed. In correlation with this dose blebbing of the cells could be detected, indicating apoptosis. A colocalization of hypericin with mitochondria was observed.

ZusammenfassungWährend der photodynamischen Therapie (PDT) löst das Zusammenwirken von Licht und Photosensibilisator oxidativen Stress infolge der Produktion reaktiven Sauerstoffs aus. Die intrazelluläre Lokalisation des Photosensibilisators bestimmt den Signalweg, der mit der Photoaktivierung beginnt. Einer dieser Signalwege ist durch die Veränderungen der lokalen Ca2+-Konzentration bestimmt, die möglicherweise weitere Reaktionen auslösen, die entweder zur Zellstimulation oder zum Zelltod führen.In dieser Studie untersuchten wir die zeitliche Entwicklung der Ca2+-Konzentration in humanen Glioblastomzellen, ausgelöst durch Hypericin-PDT, in Abhängigkeit von der Lokalisation des Photosensibilisators und den Bestrahlungsbedingungen. PDT in geringen Dosen führte zu Ca2+-Oszillationen, was durch Transportprozesse von Ca2+ zwischen Mitochondrien und ER erklärt werden könnte. Bei höheren Bestrahlungsdosen wurde ein Ca2+-Überschuss beobachtet und infolge dessen eine Ausschüttung von Ca2+ ins Zytoplasma. In Zusammenhang mit diesen hohen Dosen konnte ein Blasenwerfen („blebbing”) der Zellen beobachtet werden, was als Hinweis auf Apoptose gilt. Ebenso konnten wir eine Kolokalisation von Hypericin und Mitochondrien beobachten.

SumarioDurante la terapia fotodinámica, la cooperación entre luz y el fotosensibilizador causa estrés oxidativo como consecuencia de la producción del oxígeno reactivo. La localización intracelular del fotosensibilizador determina el camino de la señal que comienza con la fotoactivación. Uno de estos caminos es modificado por las alteraciones de la concentración local de Ca2+, que posiblemente causa otras reacciones que llevan a una estimulación celular o a la muerte de la célula.En esta investigación examinamos el desarrollo temporal de la concentración de Ca2+ en células de glioblastomas humanas inducidas por Hipericin-PDT en dependencia de la localización del fotosensibilizador y las condiciones de la radiación. La terapia fotodinámica, administrada en pequeñas dosis, llevó a oscilaciones de Ca2+ posiblemente causadas por procesos del transporte de Ca2+ entre mitocondria y ER. En radiaciones más altas se observó un excedente de Ca2+ y, como consecuencia, un derrame de Ca2+ en el citoplasma. En relación con estas dosis altas, se pudo observar un desarrollo de ampollas en el interior de las células, el denominado “blebbing”, lo que es una indicación de apoptosis. Se observó también una colocalización de hipericin y mitocondrias.