Enhancing phototoxicity in human colorectal tumor cells through nanoarchitectonics for synergistic photothermal and photodynamic therapies

Phototherapies are promising for noninvasive treatment of aggressive tumors, especially when combining heat induction and oxidative processes. Herein, we show enhanced phototoxicity of gold shell-isolated nanorods conjugated with toluidine blue-O (AuSHINRs@TBO) against human colorectal tumor cells (Caco-2) with synergic effects of photothermal (PTT) and photodynamic therapies (PDT). Mitochondrial metabolic activity tests (MTT) performed on Caco-2 cell cultures indicated a photothermal effect from AuSHINRs owing to enhanced light absorption from the localized surface plasmon resonance (LSPR). The phototoxicity against Caco-2 cells was further increased with AuSHINRs@TBO where oxidative processes, such as hydroperoxidation, were also present, leading to a cell viability reduction from 85.5 to 39.0%. The molecular-level mechanisms responsible for these effects were investigated on bioinspired tumor membranes using Langmuir monolayers of Caco-2 lipid extract. Polarization-modulation infrared reflection–absorption spectroscopy (PM-IRRAS) revealed that the AuSHINRs@TBO incorporation is due to attractive electrostatic interactions with negatively charged groups of the Caco-2 lipid extract, resulting in the expansion of surface pressure isotherms. Upon irradiation, Caco-2 lipid extract monolayers containing AuSHINRs@TBO (1:1 v/v) exhibited ca. 1.0% increase in surface area. This is attributed to the generation of reactive oxygen species (ROS) and their interaction with Caco-2 lipid extract monolayers, leading to hydroperoxide formation. The oxidative effects are facilitated by AuSHINRs@TBO penetration into the polar groups of the extract, allowing oxidative reactions with carbon chain unsaturations. These mechanisms are consistent with findings from confocal fluorescence microscopy, where the Caco-2 plasma membrane was the primary site of the cell death induction process.

Resumo (português)

As terapias fotônicas são promissoras para o tratamento não invasivo de tumores agressivos, especialmente quando combinam indução de calor e processos oxidativos. Neste estudo, demonstramos uma fototoxicidade aumentada de nanorods isolados de casca de ouro conjugados com azul de toluidina O (AuSHINRs@TBO) contra células tumorais colorretais humanas (Caco-2) por meio de efeitos sinérgicos das terapias fototérmica (PTT) e fotodinâmica (PDT). Testes de atividade metabólica mitocondrial (MTT) realizados em culturas de células Caco-2 indicaram um efeito fototérmico dos AuSHINRs devido à absorção de luz aprimorada pela ressonância plasmônica de superfície localizada (LSPR). A fototoxicidade contra células Caco-2 foi ainda maior com AuSHINRs@TBO, onde processos oxidativos, como a hidroperoxidação, também estavam presentes, resultando em uma redução da viabilidade celular de 85,5% para 39,0%. Os mecanismos moleculares responsáveis por esses efeitos foram investigados em membranas tumorais bioinspiradas utilizando monocamadas de Langmuir extraídas de lipídios de Caco-2. A espectroscopia de reflexão-absorção infravermelha com modulação de polarização (PM-IRRAS) revelou que a incorporação de AuSHINRs@TBO ocorre devido a interações eletrostáticas atrativas com grupos carregados negativamente do extrato lipídico de Caco-2, resultando na expansão das isotermas de pressão superficial. Sob irradiação, monocamadas de extrato lipídico de Caco-2 contendo AuSHINRs@TBO (1:1 v/v) exibiram um aumento de aproximadamente 1,0% na área de superfície. Esse efeito é atribuído à geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) e sua interação com as monocamadas de extrato lipídico de Caco-2, levando à formação de hidroperóxidos. Os efeitos oxidativos são facilitados pela penetração dos AuSHINRs@TBO nos grupos polares do extrato, permitindo reações oxidativas com insaturações da cadeia carbônica. Esses mecanismos são consistentes com os achados de microscopia de fluorescência confocal, que mostraram que a membrana plasmática de Caco-2 foi o principal local do processo de indução da morte celular.