Zpožděná fluorescence protoporfyrinu IX pro medicínskou diagnózu

• Thesis title in Czech: Zpožděná fluorescence protoporfyrinu IX pro medicínskou diagnózu
• Thesis title in English: Delayed fluorescence of Protoporphyrin IX for medical diagnosis
• Key words: protoporfyrin IX, singletní kyslík, zpožděná fluorescence, doba života luminiscence, tripletní stavy, fotosensitizér
• English key words: protoporphyrin IX, singlet oxygen, delayed fluorescence, luminescence lifetime, triplet states, photosensitizer
• Academic year of topic announcement: 2014/2015
• Thesis type: Bachelor's thesis
• Thesis language: čeština
• Department: Department of Chemical Physics and Optics (32-KCHFO)
• Supervisor: RNDr. Marek Scholz, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 15.09.2014
• Date of assignment: 22.09.2014
• Confirmed by Study dept. on: 27.11.2014
• Date and time of defence: 23.06.2015 00:00
• Date of electronic submission: 21.05.2015
• Date of submission of printed version: 28.05.2015
• Date of proceeded defence: 23.06.2015
• Opponents: Mgr. Jan Alster, Ph.D.
• Advisors: doc. RNDr. Roman Dědic, Ph.D.

Guidelines

1. Osvojit si základní pojmy v oblastech luminiscenční spektroskopie, singletního kyslíku a fotodynamické terapie.
2. Prostudovat literaturu o zpožděné fluorescenci indukované singletním kyslíkem.
3. Seznámit se s experimentálními metodami časově rozlišeného měření luminiscence.
4. Měření absorpčních a fluorescenčních spekter, dynamiky tripletních stavů a časově rozlišené zpožděné fluorescence z roztoků protoporfyrinu IX.
5. Analýza a interpretace experimentálních dat.
Konkrétní postup bude upřesněn podle průběžných výsledků.

References

1. J.R.Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy, Springer.
2. Schweitzer, C. & Schmidt, R., Physical mechanisms of generation and deactivation of singlet oxygen. Chem. Rev. 103, 1685–1757 (2003).
3. Mik, E. G. et al., Mitochondrial PO2 measured by delayed fluorescence of endogenous protoporphyrin IX. Nature Methods 3, 939–45 (2006).
4. Mik, E. G., Special article: measuring mitochondrial oxygen tension: from basic principles to application in humans. Anesth. Analg. 117, 834–46 (2013).
5. Mosinger, J. et al., Singlet oxygen imaging in polymeric nanofibers by delayed fluorescence. J. Phys. Chem. B 114, 15773–9 (2010).
6. Scholz, M. et al., Singlet oxygen-sensitized delayed fluorescence of common water-soluble photosensitizers. Photochem. Photobiol. Sci. 12, 1873 – 1884 (2013).

Preliminary scope of work

Singletní kyslík, nejnižší excitovaný stav molekulárního kyslíku, je extrémně reaktivní oxidační činidlo uplatňující se v řadě biochemických procesů, jako například stárnutí, imunitní reakce, fotosyntéza či fotodynamická terapie rakoviny. Pro pochopení těchto procesů je nutné ovládat metody pro monitorování singletního kyslíku, což je obecně složitý problém. Existuje řada metod detekce singletního kyslíku, ale všechny se potýkají s určitými problémy a žádná není univerzálně použitelná. V nejnovějších pracích vzešlých z naší laboratoře navrhujeme novou alternativní metodu monitorování singletního kyslíku založenou na detekci zpožděné fluorescence barviv, která je indukovaná singletním kyslíkem.
Jednou z nejvýznamnějších fotoaktivních molekul produkujících singletní kyslík pro fotodynamickou terapii rakoviny je protoporfyrin IX. Jeho výhodou je mimo jiné to, že je do určité míry přirozeně produkován v buňkách, a to zejména v těch rakovinných. Zpožděná fluorescence protoporfyrinu IX by tedy potenciálně mohla nést zajímavé informace o produkci cytotoxického singletního kyslíku v průběhu fotodynamické terapie. V nedávné době bylo také ukázáno, že je možné využít měření doby života zpožděné fluorescence protoporfyrinu IX pro určování mitochondriální koncentrace základniho stavu kyslíku, což představuje velice důležitý a aktuální medicínský problém. Cílem práce je analyzovat s časovým rozlišením zpožděnou fluorescenci protoporfyrinu IX v roztocích, prozkoumat, jaké molekulární mechanismy se uplatňují při jejím vzniku, a nakonec tato zjištění diskutovat s ohledem na potenciální využití zpožděné fluorescence protoporfyrinu IX při medicínském monitorování základního stavu a excitovaného singletního stavu kyslíku.

Preliminary scope of work in English

Singlet oxygen, the lowest excited state of molecular oxygen, is extremely reactive oxidant playing an important role in a number of biochemical processes, such as aging, immune response, photosynthesis, or photodynamic therapy of cancer. In order to understand these processes it is necessary to possess tools for monitoring of singlet oxygen, which is generally a complicated problem. There are several methods of singlet oxygen detection, but each of them brings some complications and none of them is universally applicable. In the latest works of our lab we propose a new alternative method of singlet oxygen monitoring based on detection of singlet oxygen-induced delayed fluorescence of organic dyes.
One of the most important photoactive molecules generating singlet oxygen for photodynamic therapy of cancer is protoporphyrin IX. It is to some extent endogenously produced in cells and preferentially in the cancerous ones, which is one of its benefits. Therefore, delayed fluorescence of protoporphyrin IX may provide an interesting information about generation of cytotoxic singlet oxygen during photodynamic therapy of cancer. Furthermore, it has been shown recently that measuring lifetime of protoporphyrin IX delayed fluorescence can be used for determination of mitochondrial oxygen tension, which is an important medical problem. The aim of the work is to analyze the time-resolved delayed fluorescence of protoporphyrin IX in solutions, investigate which molecular mechanisms take place, and finally discuss the findings in view of potential medical applications in monitoring of ground state and excited singlet state molecular oxygen.