1. Terahertz Spectroscopy Sheds Light on Real‐Time Exchange Kinetics Occurring through Plasma Membrane during Photodynamic Therapy Treatment
- Author
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Xiujun Zheng, Blandine Lordon, Anne‐Françoise Mingotaud, Patricia Vicendo, Rachel Brival, Isabelle Fourquaux, Laure Gibot, Guilhem Gallot, Laboratoire d'Optique et Biosciences (LOB), École polytechnique (X)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Interactions moléculaires et réactivité chimique et photochimique (IMRCP), Institut de Chimie de Toulouse (ICT), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Institut Ecologie et Environnement (INEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Fédération de Recherche Fluides, Energie, Réacteurs, Matériaux et Transferts (FERMAT), Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de Microscopie Électronique Appliquée à la Biologie (CMEAB), Toulouse Réseau Imagerie-Genotoul ( TRI-Genotoul), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), ANR-21-CE42-0018,TeraCellATR,Capteur térahertz ATR pour l'étude en temps réel de la perméabilisation des membranes cellulaires(2021), and ANR-11-EQPX-0029,MORPHOSCOPE 2,Imagerie et reconstruction multiéchelles de la morphogenèse. (Plateforme d'innovation technologique et méthodologique pour l'imagerie in vivo et la reconstruction des dynamiques multiéchelles de la morphogenèse)(2011)
- Subjects
General Chemical Engineering ,[SPI.PLASMA]Engineering Sciences [physics]/Plasmas ,General Engineering ,General Physics and Astronomy ,Medicine (miscellaneous) ,self-assembly ,[SDV.BC]Life Sciences [q-bio]/Cellular Biology ,plasma membrane ,Biochemistry, Genetics and Molecular Biology (miscellaneous) ,photodynamic therapy PDT ,[PHYS.PHYS.PHYS-MED-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Medical Physics [physics.med-ph] ,General Materials Science ,permeability ,polymers - Abstract
International audience; Methods to follow in real time complex processes occurring along living cell membranes such as cell permeabilization are rare. Here, the terahertz spectroscopy reveals early events in plasma membrane alteration generated during photodynamic therapy (PDT) protocol, events which are not observable in any other conventional biological techniques performed in parallel as comparison. Photodynamic process is examined in Madin-Darby canine kidney cells using Pheophorbide (Pheo) photosensitizer alone or alternatively encapsulated in poly(ethylene oxide)-block-poly(ε-caprolactone) micelles for drug delivery purpose. Terahertz spectroscopy (THz) reveals that plasma membrane permeabilization starts simultaneously with illumination and is stronger when photosensitizer is encapsulated. In parallel, the exchange of biological species is assessed. Over several hours, this conventional approach demonstrates significant differences between free and encapsulated Pheo, the latter leading to high penetration of propidium iodide, Na+ and Ca2+ ions, and a high level of leakage of K+, ATP, and lactate dehydrogenase. THz spectroscopy provides, in a single measurement, the relative number of defects per membrane surface created after PDT, which is not achieved by any other method, providing early, sensitive real-time information. THz spectroscopy is therefore a promising technique and can be applied to any biological topic requiring the examination of short-term plasma membrane permeabilization.
- Published
- 2023