«Ульяновский медико-биологический журнал»

PHYSIOLOGY

Download article

DOI 10.34014/2227-1848-2022-1-94-104

COMPLEX EFFECT OF LOW-INTENSITY LASER RADIATION AND POTASSIUM CHANNEL PEPTIDE INHIBITOR ON MELANOMA CELL SURVIVAL

E.S. Pogodina, E.V. Rastorgueva, E.V. Yurova, E.A. Beloborodov, D.E. Sugak, Yu.V. Saenko

Ulyanovsk State University, Ulyanovsk, Russia

 

Melanoma is characterized by an aggressive development and a large number of metastases during diagnostics. Photodynamic therapy (PDT) is used to treat this type of cancer. However, the accumulation of photosensitizers is observed not only in malignant tumors, but also in high metabolic rate organs. Shortcomings of melanoma therapy can be eliminated using the complex effect of laser radiation and local administration of inhibitors of cellular processes.

The goal. To study the complex effect of low-intensity laser radiation and potassium channel peptide inhibitor on melanoma cell survival.

Materials and Methods. A875 melanoma cells were exposed to Kappa-theraphotoxin-Gr1b toxin and laser irradiation. The authors examined the level of apoptosis and necrosis in cells using fluorescence microscopy techniques. The xCELLigence system was used to assess the cytotoxic response of A875 melanoma cells.

Results. The maximum number of apoptotic and necrotic cells was observed in the group of patients with A875 tumor cells exposed to a combination of Kappa-TRTX-Gr1b toxin and laser radiation (wavelength=1265 nm). This is due to the inhibition of potassium channels of intracellular cell membranes by Kappa-TRTX-Gr1b peptide, which are associated with the apoptosis.

Conclusion. Selective potassium channel inhibition under pathological processes can be regarded as a significant supplement to the superficial malignant neoplasm complex therapy. The combination of toxin and irradiation will make it possible to potentiate their action and avoid the main PDT disadvantages. This approach unites the benefits of the local administration and precise exposure on the malignant tumor.

Key words: apoptosis, necrosis, laser radiation, potassium channel inhibitor.

 

References

  1. Park J., Lee Y.-K., Park I.-K., Hwang S.R. Current Limitations and Recent Progress in Nanomedicine for Clinically Available Photodynamic Therapy. Biomedicines. 2021; 9 (1): 85.

  2. Khokhlova A.V., Zolotovskiy I.O., Pogodina E.S., Saenko Yu.V., Stolyarov D.A., Vorsina S.N., Sokolovskiy S.G., Fotiadi A.A., Lyamina D.A., Rafailov E.U. Vozdeystvie lazernogo izlucheniya s dlinoy volny 1265 nm na kul'turu kletok adenokartsinomy cheloveka [The influence of 1265 nm laser radiation on human adenocarcinoma cells]. Nanoindustriya. 2019; 12 (2): 86–95 (in Russian).

  3. Khokhlova A., Zolotovskii I., Sokolovski S. The light-oxygen effect in biological cells enhanced by highly localized surface plasmon-polaritons. Sci. Rep. 2019; 9: 18435.

  4. Böhme I., Schönherr R., Eberle J., Bosserhoff A.K. Membrane Transporters and Channels in Melanoma. Rev. Physiol. Biochem. Pharmacol. 2021; 181: 269–374.

  5. Capatina A.L., Lagos D., Brackenbury W.J. Targeting Ion Channels for Cancer Treatment: Current Progress and Future Challenges. In: Reviews of Physiology, Biochemistry and Pharmacology. Berlin, Heidelberg: Springer; 2020: 1–43.

  6. Yavari B., Mahjub R., Saidijam M., Raigani M., Soleimani M. The Potential Use of Peptides in Cancer Treatment. Curr. Protein Pept. Sci. 2018; 19 (8): 759–770.

  7. McCloy R.A., Rogers S., Caldon C.E., Lorca T., Castro A., Burgess A. Partial inhibition of Cdk1 in G2 phase overrides the SAC and decouples mitotic events. Cell Cycle. 2014; 13 (9): 1400–1412.

  8. PatchDock Server: Molecular Docking Algorithm Based on Shape Complementarity Principles. Available at: https://bioinfo3d.cs.tau.ac.il/PatchDock/ (accessed: February 04, 2022). DOI: 10.1093/nar/gki481.

  9. UniProt: Open protein sequence database. Available at: https://www.uniprot.org/uniprot/P56853 (accessed: February 04, 2022).

  10. Hegazy M.F., Fukaya M., Dawood M. Vitamin K3 thio-derivative: a novel specific apoptotic inducer in the doxorubicin-sensitive and -resistant cancer cells. Invest. New Drugs. 2020; 38 (3): 650–661.

  11. RTCA Software Manual – Software Version 2.1.0, ACEA Biosciences. USA; 2017.

  12. Leanza L., Henry B., Sassi N. Inhibitors of mitochondrial Kv1.3 channels induce Bax/Bak-independent death of cancer cells. EMBO Mol. Med. 2012; 4 (7): 577–593.

  13. Checchetto V., Prosdocimi E., Leanza L. Mitochondrial Kv1.3: A New Target in Cancer Biology? Cell Physiol. Biochem. 2019; 53 (S1): 52–62.

  14. Bortner C.D., Cidlowski J.A. Ion channels and apoptosis in cancer. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 2014; 369: 1638.

  15. Hamblin M.R. Mechanisms and Mitochondrial Redox Signaling in Photobiomodulation. Photochem. Photobiol. 2018; 94 (2): 199–212.

  16. Maegawa Y., Itoh T., Hosokawa T., Yaegashi K., Nishi M. Effects of near-infrared low-level laser irradiation on microcirculation. Lasers Surg. Med. 2000; 27 (5): 427–437.

  17. Chung H., Dai T., Sharma S.K., Huang Y.Y., Carroll J.D., Hamblin M.R. The nuts and bolts of low-level laser (light) therapy. Ann. Biomed. Eng. 2012; 40 (2): 516–533.

  18. Eells J.T., Wong-Riley M.T., VerHoeve J. Mitochondrial signal transduction in accelerated wound and retinal healing by near-infrared light therapy. Mitochondrion. 2004; 4 (5–6): 559–567.

  19. Pastore D., Greco M., Passarella S. Specific helium-neon laser sensitivity of the purified cytochrome c oxidase. Int. J. Radiat. Biol. 2000; 76 (6): 863–870.

  20. Tam S.Y., Tam V.C.W., Ramkumar S., Khaw M.L., Law H.K.W., Lee S.W.Y. Review on the Cellular Mechanisms of Low-Level Laser Therapy Use in Oncology. Front. Oncol. 2020; 10: 1255.

Received 10 January 2022; accepted 28 February 2022.

 

Information about the authors

Pogodina Evgeniya Sergeevna, Candidate of Sciences (Biology), Researcher, Research Technological Institute named after S.P. Kapitsa, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-8183-5103 

Rastorgueva Evgeniya Vladimirovna, Senior Lecturer, Chair of General and Clinical Pharmacology with a Course in Microbiology, Junior Researcher Research Technological Institute named after S.P. Kapitsa, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-1518-4677 

Yurova Elena Valer'evna, Post-graduate Student, Junior Researcher, Research Technological Institute named after S.P. Kapitsa, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0001-7484-2671 

Beloborodov Evgeniy Alekseevich, Post-graduate Student, Junior Researcher, Research Technological Institute named after S.P. Kapitsa, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-5666-5154

Sugak Dmitriy Evgen'evich, Research Engineer, Research Technological Institute named after S.P. Kapitsa, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-3276-8976 

Saenko Yuriy Vladimirovich, Doctor of Sciences (Biology), Professor, Leading Researcher, Research Technological Institute named after S.P. Kapitsa, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-4402-1482 

 

For citation

Pogodina E.S., Rastorgueva E.V., Yurova E.V., Beloborodov E.A., Sugak D.E., Saenko Yu.V. Kompleksnoe vozdeystvie nizkointensivnogo lazernogo izlucheniya i peptidnogo ingibitora kalievykh kanalov na vyzhivaemost' kletok melanomy [Complex effect of low-intensity laser radiation and potassium channel peptide inhibitor on melanoma cell survival]. Ul'yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2022; 1: 94–104. DOI: 10.34014/2227-1848-2022-1-94-104 (in Russian).

 

Скачать статью

УДК 616.5-006.81-085:615.849.19:577.17

DOI 10.34014/2227-1848-2022-1-94-104

КОМПЛЕКСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПЕПТИДНОГО ИНГИБИТОРА КАЛИЕВЫХ КАНАЛОВ НА ВЫЖИВАЕМОСТЬ КЛЕТОК МЕЛАНОМЫ

Е.С. Погодина, Е.В. Расторгуева, Е.В. Юрова, Е.А. Белобородов, Д.Е. Сугак, Ю.В. Саенко

ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет», г. Ульяновск, Россия

 

Меланома отличается агрессивным течением и наличием большого количества метастазов уже во время установления диагноза. Для ее лечения применяют фотодинамическую терапию (ФДТ). Однако скопление фотосенсибилизаторов отмечается не только в злокачественной опухоли, но и в органах с высоким уровнем метаболической активности. Недостатки методов терапии меланомы возможно устранить, используя комплексное воздействие лазерного излучения и местного применения ингибиторов клеточных процессов.

Цель исследования. Изучить воздействие низкоинтенсивного лазерного излучения и биотоксина Kappa-theraphotoxin-Gr1b (Kappa-TRTX-Gr1b) на выживаемость опухолевых клеток меланомы A875.

Материалы и методы. Клетки меланомы А875 подвергали воздействию токсина Kappa-TRTX-Gr1b и лазерному облучению. Изучался уровень апоптоза, некроза в клетках с использованием методов флуоресцентной микроскопии. Для оценки цитотоксического ответа клеток меланомы А875 использовали систему xCELLigence.

Результаты. Максимальное количество апоптотических и некротических клеток отмечено в группе, где использовали комбинацию токсина Kappa-TRTX-Gr1b с последующим воздействием лазерного излучения с длиной волны 1265 нм на опухолевые клетки А875. Это обусловлено ингибированием калиевых каналов внутриклеточных мембран клеток пептидом Kappa-TRTX-Gr1b, которые связаны с реализацией процесса апоптоза.

Выводы. Селективное ингибирование калиевых каналов при патологических процессах можно расценить как значимое дополнение к комплексной терапии поверхностных злокачественных новообразований. Совместное применение токсина и облучения позволит потенцировать действие друг друга и избежать основных недостатков, которые связаны с применением ФДТ. Такой подход сохранит все преимущества, которые обусловлены местным применением и точным воздействием на злокачественную опухоль.

Ключевые слова: апоптоз, некроз, лазерное излучение, ингибитор калиевых каналов.

 

Литература

  1. Park J., Lee Y.-K., Park I.-K., Hwang S.R. Current Limitations and Recent Progress in Nanomedicine for Clinically Available Photodynamic Therapy. Biomedicines. 2021; 9 (1): 85.

  2. Хохлова А.В., Золотовский И.О., Погодина Е.С., Саенко Ю.В., Столяров Д.А., Ворсина С.Н., Соколовский С.Г., Фотиади А.А., Лямина Д.А., Рафаилов Э.У. Воздействие лазерного излучения с длиной волны 1265 нм на культуру клеток аденокарциномы человека. Наноиндустрия. 2019; 12 (2): 86–95.

  3. Khokhlova A., Zolotovskii I., Sokolovski S. The light-oxygen effect in biological cells enhanced by highly localized surface plasmon-polaritons. Sci. Rep. 2019; 9: 18435.

  4. Böhme I., Schönherr R., Eberle J., Bosserhoff A.K. Membrane Transporters and Channels in Melanoma. Rev. Physiol. Biochem. Pharmacol. 2021; 181: 269–374.

  5. Capatina A.L., Lagos D., Brackenbury W.J. Targeting Ion Channels for Cancer Treatment: Current Progress and Future Challenges. In: Reviews of Physiology, Biochemistry and Pharmacology. Berlin, Heidelberg: Springer; 2020: 1–43.

  6. Yavari B., Mahjub R., Saidijam M., Raigani M., Soleimani M. The Potential Use of Peptides in Cancer Treatment. Curr. Protein Pept. Sci. 2018; 19 (8): 759–770.

  7. McCloy R.A., Rogers S., Caldon C.E., Lorca T., Castro A., Burgess A. Partial inhibition of Cdk1 in G2 phase overrides the SAC and decouples mitotic events. Cell Cycle. 2014; 13 (9): 1400–1412.

  8. PatchDock Server: Molecular Docking Algorithm Based on Shape Complementarity Principles. URL: https://bioinfo3d.cs.tau.ac.il/PatchDock/ (дата обращения: 04.02.2022). DOI: 10.1093/nar/gki481.

  9. UniProt: Открытая база данных последовательностей белков. URL: https://www.uniprot.org/uniprot/P56853 (дата обращения: 04.02.2022).

  10. Hegazy M.F., Fukaya M., Dawood M. Vitamin K3 thio-derivative: a novel specific apoptotic inducer in the doxorubicin-sensitive and -resistant cancer cells. Invest. New Drugs. 2020; 38 (3): 650–661.

  11. RTCA Software Manual – Software Version 2.1.0, ACEA Biosciences. USA; 2017.

  12. Leanza L., Henry B., Sassi N. Inhibitors of mitochondrial Kv1.3 channels induce Bax/Bak-independent death of cancer cells. EMBO Mol. Med. 2012; 4 (7): 577–593.

  13. Checchetto V., Prosdocimi E., Leanza L. Mitochondrial Kv1.3: A New Target in Cancer Biology? Cell Physiol. Biochem. 2019; 53 (S1): 52–62.

  14. Bortner C.D., Cidlowski J.A. Ion channels and apoptosis in cancer. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 2014; 369: 1638.

  15. Hamblin M.R. Mechanisms and Mitochondrial Redox Signaling in Photobiomodulation. Photochem. Photobiol. 2018; 94 (2): 199–212.

  16. Maegawa Y., Itoh T., Hosokawa T., Yaegashi K., Nishi M. Effects of near-infrared low-level laser irradiation on microcirculation. Lasers Surg. Med. 2000; 27 (5): 427–437.

  17. Chung H., Dai T., Sharma S.K., Huang Y.Y., Carroll J.D., Hamblin M.R. The nuts and bolts of low-level laser (light) therapy. Ann. Biomed. Eng. 2012; 40 (2): 516–533.

  18. Eells J.T., Wong-Riley M.T., VerHoeve J. Mitochondrial signal transduction in accelerated wound and retinal healing by near-infrared light therapy. Mitochondrion. 2004; 4 (5–6): 559–567.

  19. Pastore D., Greco M., Passarella S. Specific helium-neon laser sensitivity of the purified cytochrome c oxidase. Int. J. Radiat. Biol. 2000; 76 (6): 863–870.

  20. Tam S.Y., Tam V.C.W., Ramkumar S., Khaw M.L., Law H.K.W., Lee S.W.Y. Review on the Cellular Mechanisms of Low-Level Laser Therapy Use in Oncology. Front. Oncol. 2020; 10: 1255.

Поступила в редакцию 10.01.2022; принята 28.02.2022.

 

Авторский коллектив

Погодина Евгения Сергеевна – кандидат биологических наук, научный сотрудник НИТИ им. С.П. Капицы, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-8183-5103 

Расторгуева Евгения Владимировна – старший преподаватель кафедры общей и клинической фармакологии c курсом микробиологии, младший научный сотрудник НИТИ им. С.П. Капицы, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-1518-4677 

Юрова Елена Валерьевна – аспирант, младший научный сотрудник НИТИ им. С.П. Капицы, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0001-7484-2671 

Белобородов Евгений Алексеевич – аспирант, младший научный сотрудник НИТИ им. С.П. Капицы, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002- 5666-5154 

Сугак Дмитрий Евгеньевич – инженер-исследователь НИТИ им. С.П. Капицы, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-3276-8976 

Саенко Юрий Владимирович – доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник НИТИ им. С.П. Капицы, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-4402-1482 

 

Образец цитирования

Погодина Е.С., Расторгуева Е.В., Юрова Е.В., Белобородов Е.А., Сугак Д.Е., Саенко Ю.В. Комплексное воздействие низкоинтенсивного лазерного излучения и пептидного ингибитора калиевых каналов на выживаемость клеток меланомы. Ульяновский медико-биологический журнал. 2022; 1: 94–104. DOI: 10.34014/2227-1848-2022-1-94-104.