Diseño de un dispositivo de irradiación para la simulación in vitro de las condiciones de exposición a fototerapia con luz UV a puntos carbono

Abstract

La terapia fotodinámica es un tratamiento usado para el cáncer en estados no avanzados y ubicado en zonas donde puede llegar la luz. Este usa la energía de la luz visible y oxígeno presente en un tejido, para estimular la actividad destructiva de células cancerosas de un fármaco, llamado agente fotosensibilizador. Su principio de funcionamiento se basa en la irradiación del agente fotosensibilizador a una longitud de onda específica, esto para favorecer la excitación de este fármaco a un estado de alta energía conocido como estado triplete excitado. La energía producida en esta transición se transfiere directamente a las moléculas con contenido de oxígeno produciendo especies reactivas de oxígeno, también llamadas ROS, por sus siglas en inglés (Reactive Oxygen Species). Las ROS además de ser especies citotóxicas e inducir a las células a la apoptosis y/o necrosis, generan daño vascular. El uso de los agentes fotosensibilizadores presenta una gran ventaja dada por su naturaleza fotoactiva. Dado que la irradiación es dirigida solamente a una zona particular, el tejido sano que aún pueda contener el fármaco, al no ser irradiado no se ve afectado. No obstante, presentan desventajas entre las cuales se encuentra su hidrofobicidad y la limitación de los sitios dónde puede llegar la luz. Para ello, se propone el uso de nanopartículas como posibles vehículos de transporte y el acoplamiento de estas con el fármaco para potenciar el tratamiento de terapia fotodinámica. Dentro de las nanopartículas evaluadas para minimizar estas limitaciones se encuentran los puntos de carbono (Carbon Dots - CD). La propiedad de absorber y emitir luz que tienen los CD les brinda un potencial carácter fotosensibilizador, sin embargo, se debe determinar su efectividad. Para ello, en este proyecto se prototipa un dispositivo que irradia con luz ultravioleta a CD contenidos en una placa de 96 pozos de cultivo celular, a diferentes alturas, para posteriormente generar ROS y explorar su efecto fotosensibilizador. El dispositivo se diseñó e imprimió en 3D utilizando la técnica de manufactura aditiva Fused Filament Fabrication. Con la finalidad de evaluar el prototipo, se realiza un protocolo experimental en el cual se evalúan las alturas del dispositivo y la concentración de CD. Se encuentra que la irradiación proporcionada por el dispositivo, en las distancias menores o iguales a 17cm desde la fuente de luz, actúa como un foco coherente y distribuye la irradiación de forma homogénea en los pozos, por lo cual posteriormente, se puede estimar la concentración de ROS y evaluar si esta es estadísticamente significativa. Se observa que la concentración de puntos de carbono que más genera ROS, tanto en PBS como en medio de cultivo celular es de 50 μg/mL.

Photodynamic therapy is a treatment used for cancer in non-advanced stages and located in areas where light can reach. This uses the energy of visible light and oxygen present in a tissue, to stimulate the cancer cell-destroying activity of a drug, called a photosensitizing agent. Its operating principle is based on the irradiation of the photosensitizing agent at a specific wavelength, this to favor the excitation of this drug to a high energy state known as excited triplet state. The energy produced in this transition is transferred directly to the oxygen-containing molecules producing reactive oxygen species, also called ROS, for its acronym in English (Reactive Oxygen Species). ROS, in addition to being cytotoxic species and inducing cells to apoptosis and/or necrosis, generate vascular damage. The use of photosensitizing agents has a great advantage due to its photoactive nature. Since the irradiation is directed only to a particular area, the healthy tissue that may still contain the drug, by not being irradiated, is not affected. However, they have disadvantages, among which is their hydrophobicity and the limitation of the places where light can reach. For this, the use of nanoparticles as possible transport vehicles and the coupling of these with the drug is proposed to enhance the photodynamic therapy treatment. Within the nanoparticles evaluated to minimize these limitations are carbon dots (Carbon Dots - CD). The property of absorbing and emitting light that CDs have gives them a potential photosensitizing character, however, their effectiveness must be determined. To do this, this project prototypes a device that irradiates DC with ultraviolet light contained in a 96-well cell culture plate, at different heights, to subsequently generate ROS and explore its photosensitizing effect. The device was designed and 3D printed using the additive manufacturing technique Fused Filament Fabrication. In order to evaluate the prototype, an experimental protocol is carried out in which the heights of the device and the concentration of CD are evaluated. It is found that the irradiation provided by the device, at distances less than or equal to 17cm from the light source, acts as a coherent focus and distributes the irradiation homogeneously in the wells, so that later, the concentration can be estimated. of ROS and evaluate if this is statistically significant. It is observed that the concentration of carbon points that generates the most ROS, both in PBS and in cell culture medium, is 50 μg/mL.