Фотодинамічна терапія

Размещено на http://www.allbest.ru/

Буковинський державний медичний університет

ФОТОДИНАМІЧНА ТЕРАПІЯ

Остафійчук Дмитро Іванович асистент кафедри

біологічної фізики та медичної інформатики

Бірюкова Тетяна Вікторівна кандидат технічних наук, доцент,

доцент кафедри біологічної фізики та медичної інформатики

м. Чернівці

Анотація

фотодинамічний терапія лікування захворювання

Проведено аналіз одного з найперспективніших методів лікування різних захворювань - методу фотодинамічної терапії та основних фізичних особливостей процесу. Фотодинамічна терапія (ФДТ) - метод лікування, який включає світлочутливі ліки та джерело світла для ліквідації аномальних клітин. Під дією світла відповідні хімічні речовини (фотосенсибілізатори) активуються та викликають реакцію, яка пошкоджує злоякісні клітини, тим самим відбувається лікування (видалення) патологічних ділянок тканин без необхідності хірургічного втручання. Процес лікування проводиться в два етапи: перший - отримання та прийняття світлочутливих ліків (фотосенсибілізаторів) для накопичення їх впродовж деякого часу, другий - опромінення лазером певної довжини хвилі або іншим джерелом енергії ділянки тіла, що лікується, впродовж 10-45 хвилин в залежності від захворювання. При поглинанні клітиною фотосенсибілізатора останній виробляє кисневий радикал, який вбиває злоякісні клітини. Переваги даного метода полягають у обмежені пошкодження здорових клітин (фотосенсибілізатори накопичуються в злоякісних клітинах, на яких фокусується світло), проведенні процедури без утворення рубців з мінімальними шрамами, проведенні процедури амбулаторно, високої ефективності, тощо. Фотодинамічна терапія застосовується для лікування онкологічних захворювань, псоріазу, нейродермітів, захворювань ясен, стерилізації крові перед гемотрансфузією, тощо. Фотосенсибілізатори, які використовуються при проведенні процедури, можуть бути природними або штучними. Ефективні фотосенсибілізатори повинні бути нетоксичними до активації, легко виводитись з організму, доступної вартості. В сучасній фотодинамічній терапії використовують такі фотосенсибілізатори, як порфірини, хлорини, фталоцианіни, 5-амінолевул інова кислота (ALA). Також при проведенні процедури важливі агрегатний стан фотосенсибілізаторів, їх розчинність, іонний заряд.

Ключові слова: фотодинамічна терапія, медицина, лікування, захворювання, біотканина, фотосенсибілізатори.

Annotation

Ostafiychuk Dmytro Ivanovych Assistant professor of the Department of Biological Physics and Medical Informatics, Bukovinian State Medical University, Bukovinian State Medical University, Chernivtsi,

Birukova Tetiana Viktorivna Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Biological Physics and Medical Informatics, Bukovinian State Medical University, Bukovinian State Medical University, Chernivtsi,

PHOTODYNAMIC THERAPY

An analysis of one of the most promising methods of treatment of various diseases - the method of photodynamic therapy and the main physical features of the process - was carried out. Photodynamic therapy (PDT) is a treatment method that involves light-sensitive drugs and a light source to eliminate abnormal cells. Under the influence of light, the corresponding chemical substances (photosensitizers) are activated and cause a reaction that damages malignant cells, thus treatment (removal) of pathological areas of tissue occurs without the need for surgical intervention. The treatment process is carried out in two stages: the first is receiving and taking light-sensitive drugs (photosensitizers) to accumulate them over a period of time, the second is the illumination of the part of the body being treated with a laser of a certain wavelength or another source of energy for 10-45 minutes, depending on the disease. When a photosensitizer is absorbed by a cell, the latter produces an oxygen radical that kills malignant cells. The advantages of this method are limited damage to healthy cells (photosensitizers accumulate in malignant cells on which the light is focused), carrying out the procedure without the formation of scars with minimal scars, carrying out the procedure on an outpatient basis, high efficiency, etc. Photodynamic therapy is used for the treatment of oncological diseases, psoriasis, neurodermatitis, gum diseases, sterilization of blood before hemotransfusion, etc. Photosensitizers used during the procedure can be natural or artificial. Effective photosensitizers should be non-toxic before activation, easily excreted from the body, affordable. In modern photodynamic therapy, such photosensitizers as porphyrins, chlorins, phthalocyanines, and 5aminolevulinic acid (ALA) are used. Also, during the procedure, the aggregate state of the photosensitizers, their solubility, and ionic charge are important.

Keywords: photodynamic therapy, medicine, treatment, disease, biotissue.

Постановка проблеми

Фотодинамічну терапію (ФДТ) можна віднести до одного з найбільш перспективних методів лікування різних захворювань в медицині. В основу методу ФДТ лягли експерименти по використанню барвників і світла для руйнування мікроорганізмів. Даний метод базується на здатності фотосенсибілізаторів вибірково накопичуватись в біологічних тканинах і при впливі світла визначеної довжини хвилі генерувати синглетний кисень, або вільні радикали, які містять кисень, що спричиняє загибель злоякісних утворень. При ФДТ не відбувається термічного ушкодження біотканини. Метод має ряд переваг, які виражаються у вибірковості (селективності) опромінення біотканини (пухлини), може бути поєднаний з іншими методами (наприклад хірургічними) одночасно використовувати для діагностики пухлин, структуризації їх лінійних розмірів, висока ефективність. Серед недоліків можна відмітити високу світлочутливість, яка залежить від класу використаних фотосенсибілізаторів. Ефективність використання даного методу достатньо висока і його результативність досягає 80% - 90%.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Світло використовується для лікування різноманітних хвороб здавна на протязі століть. На початку 20 століття був винайдений метод опромінення інтенсивним світлом барвника на інфузарії, що призвело до знищення мікроорганізмів. Впродовж наступних десятиліть розроблено різноманітні підходи до використання методу фотодинамічної терапії як успішного методу лікування пухлин, і не тільки, а барвники замінено фотосенсибілізаторами різного походження для лікування пухлин різних органів та частин тіла людини. Останні дослідження в ФДТ направлені на покращенні фармакокінетичних властивостей, зменшення нецільових ефектів.

Мета статті - дослідження фізичних основ методу фотодинамічної терапії та його використання в різних галузях медицини.

Виклад основного матеріалу

Розглянемо фізичні аспекти ФДТ. Метод ФДТ дозволяє провести фотодеструкції патологічно зміненої біотканини (пухлини). Основою методу є опромінення фотосенсибілізаторів, які вводяться в пухлину, світлом визначеної довжини хвилі. При цьому вони переходять в збуджений стан, що супроводжується генеруванням кисню та вільних радикалів. Фотодинамічний ефект залежить від кількості опромінюваного світла, кількості введеного фотосенсибілізатора в пухлину. Збуджений фотосенсибілізатор вступає у фотохімічну реакцію з світлом, що призводить до утворення окислених радикалів. Частина цих радикалів взаємодіє з клітиною чи біотканиною і є причиною акумулювання кисневого ураження, а якщо енергії достатньо, то відбувається руйнація пухлини. Серед фізико-хімічних основ фотодинамічної терапії можна виділити основні етапи:

- взаємодія кванту світла з молекулою фотосенсибілізатора та переведення її в синглетний збуджений стан; синглетний стан фотосенсибілізатора є джерелом синглетного кисню і залежить від хімічної структури молекули фотосенсибілізатора;

- утворення синглетного кисню за рахунок гасіння молекулярним киснем збудженої молекули фотосенсибілізатора ( енергія, що утворюється використовується для запуску ланцюгових реакцій фотоокислення);

- передача енергії на молекули, які оточують фотосенсибілізатор, чим сприяється активація вільнорадикальних процесів фотоокислення білків, ліпідів, амінокислот;

- якщо акумульована енергія переважить деяке порогове значення, то має місце руйнації клітин [1].

Методика процесу фотодинамічної терапії проводиться за основними етапами:

- введення фотосенсибілізатора внутрішньовенно чи перорально визначеної дози;

- накопичення фотосенсибілізатора в злоякісних пухлинах за певний проміжок часу;

- виведення природним шляхом фотосенсибілізаторів з здорової біотканини за певний час;

- здійснення опромінення ураженої біотканини світлом певної довжини хвилі, обов'язково враховуючи енергію опромінення, фотодинамічну дозу, час опромінення;

- наслідок - фотодинамічне руйнування патологічно зміненої клітини, пухлини [1, 2].

Серед основних вимог процесу фотодинамічної терапії виділимо:

- довжина хвилі випромінювання джереласвітла (від 600 до 800 нм), яка залежить від спектру поглинання фотосенсибілізатора по максимуму його поглинання;

- доза фотосен6сибілізаторів, що визначається його типом та методами введення в організм;

- проміжок часу між введенням фотосенсибілізатора та початком опромінення, який необхідний для його накопичення у пухлині і виведення з нормальних тканин;

- густина потоку випромінювання на поверхні біотканини, що визначається в межах від 50 до 200 мВт/см²;

- тривалістю фотодинамічної процедури;

- фотодинамічною дозою (Дж/см²), яка суттєво впливає на фотодеструкцію;

- врахування геометричних та оптичних властивостей біотканини, як нормальних, так і патологічних (коефіцієнти заломлення, розсіювання, абсорбції, густина та анізотропія біотканини) [1, 3].

Фотодинамічна терапія в медицині - метод лікування передпухлинних захворювань і злоякісних новоутворень, що базується на використанні двох компонентів - фотосенсибілізатора (спеціального лікарського засобу)і лазера, як джерела світла, що генерує випромінювання певної довжини хвилі.

Показанням до застосування фотодинамічної терапії є: рак шкіри (базальноклітинний, плоскоклітинний), внутрішньошкірні метастази меланоми шкіри, внутрішньошкірні метастази раку молочної залози; внутрішньошкірні метастази раку гортані; істраепітальні неоплазії піхви та вульви; злоякісні пухлини головного мозку; цербікальні істраепітальні неоплазії.

Після введення фотосенсибілізатора в організм пацієнта та його активації лазерним випромінюванням в патологічних клітинах і тканинах запускаються реакції, результатом яких є порушення кровопостачання патологічних тканин і їх подальше руйнування.

Перевагою ФДТ є: мінімальна токсичність для нормальних тканин, органозберігаючий метод лікування, незначний ризик виникнення вираженого больового синдрому, відсутність механізмів первинної та побутової резистентності, можливість амбулаторного лікування, можливість комбінації з іншими методами лікування, зручність застосування при множинних осередках, хороший косметичний результат [2,3].

Фотодинамічна терапія в косметології. Метод заснований на здатності препаратів - фотосенсибілізаторів вибірково накопичуватися в так званих енергодефіцитних зонах - в пошкодженнях, запаленнях, дефектних і старих клітинах. Потім під впливом лазерного випромінювання ці енергодефіцитні зони вибірково руйнуються без будь-якого впливу на здорові клітини. Процедура фотодинамічної терапії передбачає нанесення на шкіру гелю - стабілізатора та його розподіл, накопичення в енергодефіцитних клітинах. Взаємодія фотосенсибілізатора з лазерним променем сприяє утворенню активного кисню. Цей природний окислювач викликає біологічні механізми клітинного руйнування. Загибель дефектних клітин запускає процес оновлення, активізуються мітохондрії - енергетичні станції клітин, стимулюється синтез АТФ - основного джерела енергії, підсилюється синтез еластичності колагену в зоні впливу, прискорюється обмін речовин, мікроциркуляція в клітинах [4].

Метод ФДТ в косметології має регенеративний, протизапальний, знеболюючий, протинабряковий, імуномодулюючий, протиалергічний ефекти.

Фотодинамічна терапія в стоматології. Метод забезпечує безболісну і швидку дезінфекцію локалізованих ділянок ротової порожнини без побічного впливу, в тому числі і профілактику захворювань тканин пародонту. Фотодинамічний процес полягає в активації фотосенсибілізаторів, чим створюється вибірковий цитотоксичний ефект, наслідком якого є пошкодження мембран, мітохондрій, ДНК бактерій.

Основна причина запального процесу тканин пародонту - наявність бактерій у тканинах пародонту і зубному нальоті. У важкодоступних ділянках, таких як фуркації, згини коренів, використання ручних кюреток та УЗ-насадок неефективне. Тому фотоактивна дезінфекція є доступною альтернативою антибіотикотерапії та застосуванню антисептичних речовин при лікуванні локальної інфекції, яка здебільшого спричинена збудниками з високою резистентністю до протимікробних засобів. Ротова порожнина з тканини пародонту - ідеальний об'єкт для такого лікування, тому, що більшість збудників знищується фотоактивною дезінфекцією з відповідним фотосенсибілізатором. Метод забезпечує безболісну і швидку дезінфекцію локалізованих ділянок ротової порожнини без побічного впливу. Тільки з використанням фотосенсибілізатора, який наноситься на бактеріальне вогнище, та лазерного опромінення за кілька хвилин досягається редукція пародонтальної патогенної мікрофлори. ФДТ - ефективний метод лікування пародонтальних уражень, оскільки вогнища інфекцій локалізовані і залягають на глибинах, доступних для проникнення фотонних пучків ближнього ІЧдіапазону спектру. Перспективний напрямок сучасної фотодинаміки - альтернативні лазерам потужні світлодіоди з інтерфейсом на оптичному волокні та імпульсні режими опромінення, а також фотосенсибілізатори селективної дії з кон'югованими антитілами. Показаннями для застосування методу фотодинамічної терапії є: обробка пародонтальних кишень в ділянках зубів та імплантів, дезінфекція відпрепарованих порожнин зуба перед внесенням пломбувального матеріалу, бактерицидна обробка поверхні зуба перед герметизацією фісур, дезінфекція тканин ротової порожнини перед хірургічним втручанням, лікування стоматитів та слизової оболонки з грибковими ураженнями [5].

Фотодинамічна терапія в отоларингології. Це сучасний, безпечний та ефективний метод лікування хвороб, пов'язаних із запаленням «вухо - горло - носа» (тонзиліти, отити, аденоїдити, синусити). Методика найчастіше дозволяє виключити хірургічне втручання. Може застосовуватись для дітей з трирічного віку та людей похилого віку. Під час процедури отоларинголог обробляє місця лікування фотосенсибілізатором та опромінює його лазерним променем визначеної довжини хвилі (червоного спектру). Своєчасне застосування даного методу дозволяє уникнути гнійних ускладнень, прискорити одужання, скоротити частоту рецидивів ЛОР-інфекцій [6].

Фотодинамічна терапія в клініці. Метод руйнування пухлин, який базується на комбінації двох факторів: хімічного (фотосенсибілізатори) та фізичного (опромінення пухлини лазерним променем). Після введення фотосенсибілізатора, останній вибірково накопичується в пухлинній тканині, де тривалий час зберігає свою концентрацію. Потім починається опромінення пухлини лазерним променем довжини хвилі 365 нм. В результаті генеруються високоактивні форми синглетного кисню, перекису водню та інші вільні радикали. Руйнівна дія вільних радикалів на клітину заключається в пошкодженні біомолекул, клітинних структур (в т.ч. ферментів ракової клітини), окисленні мембран, глікації білків, пошкодженні генетичного апарату клітини. Мішенню фотодинамічної терапії є не тільки ракова клітина, але і мікрооточення пухлини, без якого вона не існує - її судинна система. В результаті дії на пухлинні судини клітина втрачає можливість отримувати з тканини кисень, глюкозу і т.д. Фотодинамічна терапія активує клітини імунної системи (цитотоксичні Т-лімфоцити), які призводять до лізісу пухлини. Руйнування пухлини відбувається в три стадії: фізико-хімічна стадія - дія вільних радикалів на молекули-мішені і судини пухлини; біохімічна стадія - порушення метаболізму клітини; біологічна стадія - генетичні ефекти опромінення і некроз тканини. Після досягнення некрозу відбувається епітелізація тканини, при цьому досягається високий косметичний ефект [2, З, 7].

Висновки

Отже, метод фотодинамічної терапії можна вважати одним із основних методів, що використовуються при фотодеструкції злоякісних пухлин з застосуванням визначеного фотосенсибілізатора. Детальне врахування властивостей фотосенсибілізаторів, оптичних властивостей біотканин, взаємодії світла з біооб'єктами, аналіз фізико-хімічних основ процесу фотодинамічної терапії дає можливість використовувати її при вдосконаленні фізико-математичної моделі, що описує даний процес.

Література

1. Терещенко С.В., Денисова М.О. Алгоритмічно-апаратна реалізація процесу ФДТ. Вісник НТЦУ «КПІ». Серія Приладобудування. 2003. Вип. 26. С. 117-123.

2. Терещенко С.В. Фотодинамічна терапія. Фізичні основи. Проблематика. Вісник НТЦУ «КПІ». Серія Приладобудування. 2005. Вип. 29. С. 111-116.

3. Бойко А.Г., Бойко І.І., Завадська Т.С. Фотодинамічна терапія в онкології. Лекції online. Т. 23. 1-2. 2021.

4. Krasnoselsky N.V., Simonova L.I., Zavadskaya T.S., et al. Natural and systemic treatment effects of intra-vascular laser therapy in cancer patients Experimental and clinical medicine. 2019. 1 (82). 87-93.

5. Krasnoselsky M.V., Simonova L.I., Gertman V.Z., et al. Tissue immune cells and their role in the healing process of infected radiation ulcers under the impact of photodynamic therapy (Experimental study). Problems of Radiation Medicine and Radiobiology. 2019. 24. 250-60.

6. Svyatchenko V.A., Nikonov S.D., Mayorov A.P., et al. Antiviral photodynamic therapy: Inactivation and inhibition of SARS-CoV-2in vitro using methylene blue and Radachlorin. PhotodiagnosisPhotodyn Therapy. 2021. 33. 102112.

7. Beltran Hernandez I., Yu. Y., Ossendorp F., et al. Preclinical and clinical evidence of immune responses triggered in oncologic photodynamic therapy: clinical recommendations. J ClinlMed. 2020. 9 (2). 333.

References

1. Tereshchenko, S.V., Denysova, M.O. (2003). Alhorytmichno-aparatna realizatsiia protsesu FDT. [Algorithmic and hardware implementation of the PDT process]. Visnyk NTTsU «KPI». Seriia Pryladobuduvannia - Bulletin of National Technical University "KPI". Instrumentation series. 26, 117-123. [in Ukrainian].

2. Tereshchenko, S.V. (2005). Fotodynamichna terapiia. Fizychni osnovy. Problematyka. [Photodynamic therapy. Physical foundations. Problems]. Visnyk NTTsU «KPI». Seriia Pryladobuduvannia - Bulletin of National Technical University "KPI". Instrumentation series. 29, 111-116. [in Ukrainian].

3. Boiko, A.H., Boiko, I.I., Zavadska, T.S. (2021). Fotodynamichna terapiia v onkolohii. [Photodynamic therapy in oncology]. Lektsii online. T. 23, 1-2. [in Ukrainian].

4. Krasnoselsky N.V., Simonova L.I., Zavadskaya T.S., et al. Natural and systemic treatment effects of intra-vascular laser therapy in cancer patients Experimental and clinical medicine. 2019. 1 (82). 87-93.

5. Krasnoselsky, M.V., Simonova, L.I., Gertman, V.Z., et al. (2019). Tissue immune cells and their role in the healing process of infected radiation ulcers under the impact of photodynamic therapy (Experimental study). Problems of Radiation Medicine and Radiobiology. 24, 250-60.

6. Svyatchenko, V.A., Nikonov, S.D., Mayorov, A.P., et al. (2021). Antiviral photodynamic therapy: Inactivation and inhibition of SARS-CoV-2in vitro using methylene blue and Radachlorin. Photodiagnosis Photodyn Therapy. 33, 102112.

7. Beltran Hernandez, I., Yu. Y., Ossendorp, F., et al. (2020). Preclinical and clinical evidence of immune responses triggered in oncologic photodynamic therapy: clinical recommendations. JClinlMed. 9 (2), 333.

Размещено на Allbest.ru