mainz stgen 090527 (h. scheer) licht und leben: von der photosynthese zur photodynamischen therapie...

Mainz StGen 090527 (H. Scheer)

Licht und Leben:

Von der PhotosynthesezurPhotodynamischen Therapie

Hugo Scheer

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Der große Aton Hymnus

Dein Aufleuchten ist schön am Rande des Himmels,Du lebender Aton, der zuerst lebte!Wenn Du Dich erhebst am östlichen Rande des Himmels,So erfüllst Du jedes Land mit Deiner Schönheit.Denn Du bist groß und funkelnd,Du bist hoch über der Erde,Deine Strahlen umarmen die Länder, ja alles,was Du je gemacht hast.

So ernähren Deine Strahlen jeden Garten,Wenn Du dich erhebst, so leben und wachsen sie für Dich.

Sonnengesang

Sei gelobt mein Herr,mit all Deinen Geschöpfen,vor allem Herr Bruder Sonne,der den Tag bringt und uns leuchtet;schön ist er,und strahlend in großem Glanz:von Dir, Höchster, ist er uns en Gleichnis.

An die Sonne

Schöner als der beachtliche Mond und sein geadeltes Licht,schöner als die Sterne, die berühmten Orden der Nacht,viel schöner als der feurige Auftritt eines Kometen,und zu weit Schönrem berufen als jedes andere Gestirn,weil Dein und mein Leben jeden Tag an ihr hängt, ist die Sonne.

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Land

Sea

Scheer, Jan 05Thanks to Norman Kuring

(norman@seawifs.gsfc.nasa.gov) and Compton Tucker

(compton@ltpmailx.gsfc.nasa.gov)

Licht als Energie: Photosynthese

ChlorophyllJanuar 2005

ChlorophyllJuli 2005

Solarkonstante1,5 W/qm

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LudwigMaximiliansUniversitätMünchen

Department Biologie I - Botanik

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Lebensdauer angeregter Zustände (1S)

Mg

O

N N

N N

H

H

COOCH3H

COOR

5 ns (0,000.000.005 s)

0,5 ps (0,000.000.000.000.5 s)

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Isolatorschicht

Innen

Außen

(Zellmembran)

(Periplasma)

(Cytoplasma)

Licht

-- +

+

--

++ + + + ++

- - - - --

Primärreaktion: Lichtinduzierte Ladungstrennung

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Bakterielles Reaktionszentrum

PA,B

BA,B

HA,B

QA,B

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Mg

O

N N

N N

H

H

COOCH3

HCOOR

OH

H

Variable Stukturelemente in Chlorophyllen

Variable Eigenschaften

Redox Potential

Anregungsenergie

Lebensdauer angeregterZustände

Wecheselwirkungen mitProtein

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Absorptionsspektrum des RC

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BChl a

[3-Vinyl]-BChl a

[3-Hyrdroxyethyl]-BChl a

Austausche von BChl – BA,B

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Keine starken (excitonischen) Wechselwirkungen von BChl-BA,B

mit dem „Special pair“PA,B oder mit Bphe HA,B

Obere Excitonenbande von P870 liegt bei 800 nm

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3 ps

1 ps

200 ps

150 µs

Elektronentransfer im Reaktionszentrum

W. Zinth, MünchenM.E. Michel-Beyerle, MünchenA. Scherz, Rehovot

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Monomeres Bakteriochlorophyll BA ist ein echtes Intermediat beim Elektronentransfer

>>>>> Viele kleine Schritte verbessern die Effizienz

>>>>> Nur der rechte Ast ist „produktiv“

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Modell des bakteriellen Photosynthese-Komplexes

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LH2 („light harvesting complex 2“ aus Purpurbakterium)

BChl - B800

BChl - B850

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Einbringen von modifiziertenPigmenten in die B800 - Bindungstasche

BChl - B800

R. Cogdell, GlasgowJ. Herek, LundD. Leupold, BerlinL. Fiedor, Cracow

BChl - B850Verstellen von Donor (= Sender) und Akzeptor (= Empfänger

Wellenlänge [nm]

Wellenlänge [nm]

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Anregung: 800 nmMessung: 850 nm

nativ

Verzögerung [ps]

Übe

rtra

gung

auf

Akz

epto

r

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F-donor/A-acceptor

[cm-1]

Verstellen von Donor (= Sender) und Akzeptor (= EmpfängerVe

rzög

erun

g, g

emes

sen

[ps]

Verz

öger

ung,

ber

echn

et [p

s]

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BChl-B800 ist in LH2 selektiv austauschbar

Energieübertragung verlangsamt sich mit Vergrößerung der Energielücke

Aber: Energieübertragung ist durchgehend um Faktor 5 schneller als nach Förster berechnet

Akzeptor ist ein „Supermolekül“ (Exciton) aus 16 BChl

Auch B870 in LH1 ist ein „Supermolekül“ (exciton) aus ~20 Bacteriochlorophyllen

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Modell des bakteriellen Photosynthese-Komplexes

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Primärprozesse der Photosynthese

Elektronentransport im Reaktionszentrum

Elektronenfluss

(Bacterio)chlorophyll(Bacterio)pheophytinChinon

© H. Scheerps-membrane-Rc-schematisch.cdw

-

-

--

-

-

-

-

+

+

a

+

+

+

Licht

Energieübertragung

-+- +- +-

+-+-

+-+-

+-

++

++ +

+

++

++

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Intensität

Lichtklima auf Eroberfläche,

wolkenlos

RC RC RCRCRC

Chl

aChl

a Chlb

Chlb

Carotinoide

BC

hl a, b BC

hl a

BC

hl b

BC

hl c, d, e

Chl c

Chl c

Biloiproteine

Biloiproteine

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Optimierte Hybrid-Antenne aus natürlichem Peridinin-Chlorophyll-Protein und Silber Nanopartikeln

Wellenlänge [nm]

Fl

uore

szen

z

PCP auf Silber

PCP auf Glas

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Sonne als Energiequelle: 1,5 kW/qm

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Jablonski Diagram zur 1O2 Sensibilisierung

Gefahr !

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Lebensdauer angeregter Zustände (1S)

Mg

O

N N

N N

H

H

COOCH3H

COOR

5 ns (0,000.000.005 s)

0,5 ps (0,000.000.000.000.5 s)

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Bakterielles Reaktionszentrum: Schutz vor Tripletts

PA,B

BA,B

BA,B

BA,B

Carotinoid

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Das symmetrisch positionierte BB ist ein Intermediat beim Triplett Transfer zum Carotinoid

>>>>> Rechter Ast ist „produktiv“, linker Ast ist „Blitzableiter“

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Photodynamischer Effekt

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Porphyrie

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Natürliche Photosensibilisatoren

zur Abwehrvon Freßfeinden

NH N

N HN

COOH

O

O

O

O

O

O

O

O

O

H

H

OH

O

O

O

O

O

O

O

H

OH

O

O

O

O

O

H

OH

O

O

H

H

OH

OH

N

O

O

OO

N N

Cl

O

O

OH OH

N

O

O

SS

O OO

SS

S

Phylloerythrin

Sporodesmin (Pithomyces chartarum)

Saguinarin (Saguinaria canadensis)

Furocumarine (Umbelliferen)

Polyacetylene (Compositen, Pilze)Terthienyl (Tagetes)

Hypericin (Hypericum perforatum)

Cercosporin (Pilze)

Hypocrellin (Hypocrella bambusae)

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a) Pigmentinjektion

b) Warten bis PigmentZielzellen erreicht

c) Belichtung

d) Warten

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NH N

N HN

COOH

O

O

O

O

O

O

O

O

O

H

H

OH

O

O

O

O

O

O

O

H

OH

O

O

O

O

O

H

OH

O

O

H

H

OH

OH

N

O

O

OO

N N

Cl

O

O

OH OH

N

O

O

SS

O OO

SS

S

Phylloerythrin

Sporodesmin (Pithomyces chartarum)

Saguinarin (Saguinaria canadensis)

Furocumarine (Umbelliferen)

Polyacetylene (Compositen, Pilze)Terthienyl (Tagetes)

Hypericin (Hypericum perforatum)

Cercosporin (Pilze)

Hypocrellin (Hypocrella bambusae)

N HN

N

COOHCOOCH3

H3OOC

H3OOC

Benzoporphyrin-Derivat (Verteporfin, Visudyne® QLT)

N HN

NH N

OH

OH

OH

OH

meso-Tetrahydroxyphenyl-Chlorin (m-THPC, Foscan® Scotia)

N

NN

N

N

Me

OH

OH

OO

OO

OO

OO

Metallo-Texaphyrin

Me = Gs: Xcytrin®, Gadolite® Pharmacyclics

Me = Lu: Lutrin®, Lutex Pharmacyclics

COOH

NH2

O

5-Amino-levulinsäure (ALA, Levulan® DUSA)Sn-Etiopurpurin (Purlytin® Miravant)

SnCl2

N N

N N

Sn-Etiopurpurin (Purlytin® Miravant)

Mg

O

N N

N N

H

H

HHCOOH

O

Hexylether of 3-Hydroxyethyl-pyropheophorbide a

(Roswell Park Cancer Inst.)

Mg

N N

N N

H

H

COOH

Aspartyl-chlorin e6 (NPe6 Nippon Petro)

Mg

O

N N

N N

H

H

COOCH3H

COOR

OH

H

Sn-Etiopurpurin (Purlytin® Miravant)

O

N

COOH

COOH

COOH

COOC2H5

N

N

N

N N

N N

N

Al-Phthalocyanin-disolfonat (Verteporfin, Visudyne® QLT)

SO3H

AlOH

SO3H

Natürliche und künstliche Photosensibilisatoren

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Absorption von Photofrin® und Bacteriochlorophyllen

300 400 500 600 700 800 900 1000 11000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Abs

orpt

ion

[a. u

.]

Wellenlänge [nm]

Was

ser -

Abs

orpt

ion

Streuung

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Bakteriochlorophyll im Vergleich zu HPD

Vorteile

a) Sehr hohe Absorptionb) Sehr gute spektrale Lage im „therapeutischen Fenster“c) Schneller Abbau

Nachteile

a) Schlecht zugänglichb) Geringe Triplettausbeutec) Geringe Wasserlöslichkeitd) hemisch und photochemisch sehr empfindlich

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Pd

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Pd – Bacteriopheophorbid ist sehr guter Sensibilisator

a) Intensive Absorption im nahen Infrarot „Therapeutisches Fenster“

b) Sehr gute Triplettausbeute (>90 %)

c) Langlebiges Triplett

d) Anreicherung im High Density Lipoprotein (HDL)

e) Keine untere Grenzdosis

f) Schneller Abbau

g) Angriffsort sind neu gebildete Gefäße, die den Tumor versorgen

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Stand der klinischen Experimente mit Tookad®

Prostatakrebs: Klinische Phase 2/3

Makula – Degeneration: Klinische Phase 2

Vorversuche und neue Verbindungen

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Meinen Mitarbeitern Michael BandillaTatas BrotosudarmoJörg Dandler Gerhard HartwichNina Kälin Leenawaty Limantara Heike SnigulaAndreas Struck Beate Ücker

Unseren Partnern Christoph Bräuchle, MünchenRichard Cogdell, GlasgowLeszek Fiedor, KrakauWolfgang Haehnel, FreiburgRoger Hiller, SydneyEckhard Hoffmann, BochumYasushi Koyama, JapanSebastian Mackowski, Torun Avigdor Scherz, IsraelKai-Hong Zhao, Wuhan Wolfgang Zinth, München

Unseren Geldgebern Deutsche ForschungsgemeinschaftDeutsch-Israelische Stiftung Hans-Fischer-GesellschaftNEDOVolkswagen Stiftung

Ich danke:

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Ende