Sulphonated phthalocyanines for photodynamic inactivation of viruses in blood products : effect of structural modifications

Abstract

Abstract: Transmission of infectious diseases through blood transfusions is a well known reality. UV irradiation, solvents and detergents provide a means of sterilizing non-cellular blood components however these harsh methods are not applicable to cellular blood products. Recently, attempts have been made to sterilize biological fluids using photodynamic treatment. We have evaluated several phthalocyanine (Pc) dyes combined with red light (6 J/cm2) for their effectiveness to induce a greater than 5 log reduction in virus infectivity. Vaccinia virus cytopathogenicity was determined by endpoint serial dilution in the CV-1 cell line. A series of zinc, aluminium and gallium Pcs were tested to evaluate the effect of the central metal atom as well as the addition of substituents on the peripheral carbon atoms of the macrocycle. Viral inactivation activity decreased in the following order: ZnPc > A1Pc > GaPc derivatives, and varied inversely with the degree of sulphonation. Furthermore, addition of a t-butyl group onto the trisulphonated Pc resulted in a 5 to 40 fold increase in viral inactivation potency, suggesting that amphiphilicity enhances the photodynamic activity of the dye. Strong antiviral photosensitizing properties cannot be the sole sélection criterion. Of equal importance is the préservation of blood component integrity. Accordingly, the photohemolytic activity of the dyes was evaluated using the rate of hemolysis (t50-1) as a parameter and a toxicity index was defined as the ratio of relative viral inactivation over photohemolytic activity. The more amphiphilic dyes, MPcS3(t-Bu) exhibited toxicity indices 1-2 orders of magnitude lower than ail other dyes tested. In addition, CV-1 cytotoxicity was evaluated to détermine the maximum dye concentration tolerated by normal healthy cells. CV-1 viability was only marginally affected at concentrations équivalent to or greater than those required for viral inactivation for the GaPcS3(t-Bu) and AlPcS3(t-Bu) compounds. This information will help define the expérimental conditions required for intracellular virus inactivation. Furthermore, biodistribution studies using AlPcS3(t-Bu) showed rapid blood clearance and dye IV accumulation in the liver only. Our results suggest that substituted phthalocyanines, bearing both sulphonato and t-butyl groups, are particularly promising dyes for photodynamic blood sterilization.||Résumé: La transmission de maladies infectieuses par transfusions sanguins est une réalité bien connue. L'irradiation aux rayons ultraviolets, les détergents et les solvants sont des moyens de stériliser les composantes non-cellulaires du sang. Cependant, ces méthodes sévères ne sont pas appropriées pour les produits cellulaires sanguins. Récemment, des tentatives ont été faites pour stériliser des fluides biologiques en utilisant des traitements photodynamiques. Nous avons évalué l'efficacité à induire une réduction de plus de 5 logarithmes de l'activité infectieuse virale à l'aide de plusieurs colorants de la famille des phtalocyanines (Pc) conjugué à la lumière rouge (6 J cm-2). La cytopathogénécité a été déterminée par dilution en série dans la lignée cellulaire CV-1. Des séries de zinc, aluminium et gallium Pc ont été testées pour évaluer l'effet de l'atome métallique central ainsi que l'addition de substituants sur les atomes de carbone périphériques du macrocycle. Le degré d'inactivation virale décroît selon l'ordre suivant: dérivés de ZnPc > AlPc > GaPc, et vari inversement avec le degré de sulfonation. De plus, l'addition d'un t-butyl sur une MPcS3(t-Bu) résulte en une augmentation de 5 à 40 fois du degrés d'inactivation virale, suggérant que l'amphiphilie favorise l'activité photodynamique du colorant. Ces fortes propriétés photosensibles antivirales ne peuvent toutefois être les seuls critères de sélection. La préservation de l'intégrité des composantes sanguines est d'égale importance. Donc, le rapport entre l'inactivation virale relative et l'activité photohémolytique est défini comme un indice de toxicité pour l'utilisation potentielle d'un colorant donné. Les produits amphiphiles, MPcS3(t-Bu) montrent des indices de toxicité de 1 à 2 ordres de grandeur plus bas que tous les autres colorants testés. La cytotoxicité des cellules CV-1 a aussi été testée pour déterminer la concentration maximum de colorant tolérée par les cellules saines. Pour les produits, GaPcS3 (t-Bu) et AIPcS3 (t-Bu), à des concentrations égales ou plus grandes que celles requisent pour l'inactivation virale, laviabilité des cellules n'a pas été affecté considérablement (<10%). Ces conditions sont exigées pour l'inactivation des virus au niveau intracellulaire. En plus, les études de VI biodistribution ont montré que suite à l'injection intraveneuse d'AIPcS3(t-Bu), la clairance sanguine est rapide et le colorant s'accumule dans le foie seulement. Nos résultats suggèrent que les phtalocyanines substituées, portant à la fois des groupements sulfonés et t-butyl, sont des colorants particulièrement prometteurs pour la stérilisation photodynamique du sang.