Механизмы действия фотосенсибилизаторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГБОУ ВПО “Смоленская государственная медицинская академия” Министерства здравоохранения Российской Федерации

Фармацевтический факультет

Кафедра медицинской и биологической физики

Реферат

по дисциплине физика: “Фотодинамическая терапия опухолей (ФДТ). Фотосенсибилизаторы, применяемые в ФДТ. Механизмы действия фотосенсибилизаторов ”

студентки 2 курса

группы 1

Силицкой Марии

Николаевны



Содержание

Введение

1. История создания метода фотодинамической терапии (ФДТ)

2. Сущность метода фотодинамической терапии

3. Селективность накопления фотосенсибилизаторов в опухолевых тканей

4. Классы фотосенсибилизаторов

Заключение

Литература



Введение

Злокачественные новообразования остаются одной из острейших медикосоциальных проблем. Особую сложность представляет оказание помощи больным, не подлежащим радикальному лечению из-за распространенности опухолевого процесса или при неэффективности проводимой терапии. Учитывая, что эта группа включает четыре пятых выявленных онкологических больных, вопросы оказания реальной помощи тысячам и тысячам пациентов и членам их семей вырастают в серьезную медицинскую, социальную и гуманитарную проблему. В решении этой задачи одно из ведущих мест в современной онкологии заняла лазерная терапия и хирургия - одна из наиболее наукоемких, перспективных и, как показал клинический опыт, эффективных отраслей медицинской науки.

Одним из самых замечательных достижений фундаментальной и прикладной физики второй половины двадцатого века было открытие явлений, послуживших основой для создания оптического квантового генератора, или лазера. Помимо двух достаточно хорошо изученных и широко используемых в клинической практике направлений применения лазеров - низкоинтенсивного стимулирующего лазерного излучения и высокоэнергетического повреждающего излучения, быстрыми темпами развивается третье направление - фотодинамическая терапия опухолей (ФДТ). Интерес к ней обусловлен тем, что разрушение опухоли достигается при облучении ее низкоинтенсивным лазерным излучением, исключающим опасность неконтролируемого термического повреждения стенки органа.

Метод ФДТ основан на применении природных или синтетических фотосенсибилизаторов (ФС), которые обладают способностью к избирательному накоплению (тропностью) в опухолевой ткани. При облучении светом определенной длины волны ФС переходит в активированное состояние, которое инициирует образование цитотоксических агентов - синглетного кислорода и свободных радикалов, вызывающих разрушение структурных элементов опухолевой ткани.

Успешное применение метода ФДТ для лечения злокачественных новообразований стимулирует поиск новых ФС с улучшенными свойствами. Наиболее перспективны для ФДТ ФС с максимумом поглощения в красном и ближнем инфракрасном диапазоне (650-800 нм), так называемом «терапевтическом окне», где собственное поглощение биологической ткани минимально, что обеспечивает возможность более глубокого проникновения излучения в ткань и, как следствие, высокую эффективность терапии.



1. История создания метода фотодинамической терапии (ФДТ)

Фотодинамическая терапия (ФДТ) является разновидность химиотерапии, основанной на фотохимической реакции, катализатором которой является кислород, активированной фотосенсибилизатором (ФС) и воздействием лазерного излучения. Классическое определение ФДТ было дано Е.Ф. Странадко, который рассматривает ФДТ как метод локальной активации накопившегося в опухоли фотосенсибилизатора видимым красным светом, что в присутствии кислорода ткани тканей приводит к развитию фотохимической реакции, разрушающей опухолевые клетки.

Первые научные исследования в области медицинского применения света были сделаны в Копенгагене датским физиком Н.-Р. Финсеном. Самым важным его открытием стала возможность применения солнечного света или света, получаемого от угольной дуги, для лечения туберкулезной волчанки (туберкулезного поражения кожи). Это открытие получило широкое признание. В Копенгагене был основан названный в честь Финсена Институт Медицинского Света, а в 1903 году автору изобретения была вручена Нобелевская премия за его работы по фототерапии. С тех пор он заслуженно считается основателем этой дисциплины.

Рис.1. Нильс Финсен.

Впервые фотодинамический эффект был описан O.Raab в лаборатории H. Von Tappeiner в Мюнхенском университете в 1900 г. Было доказано, что при освещении солнечным светом в присутствии акридинового и некоторых других красителей парамеции погибают, в то время как при освещении светом в отсутствии ф либо красителем в темноте парамеции выживают. Термин фотодинамическая реакция был введён H. Von Tappeiner в 1904 года для описания специфической фотохимической реакции, которая приводит к гибели биологических систем в присутствии света, красителя, и кислорода.

Применение фотодинамического эффекта в онкологии берёт своё начало с работы A.Polcard, в которой было показано, что при облучении ультрафиолетом некоторые злокачественные опухоли человека флюоресцируют в оранжево-красной области спектра. Данное явление объяснили наличием в опухолях эндогенных порфиринов. Позднее это было подтверждено на экспериментальных опухолях, которые начинают флуоресцировать в красной области спектра, если животным предварительно ввести гематопорфирина.

В 30-х годах прошлого века Kautsky (Kautsky и de Bruijn, 1931; Kautsky et al., 1933; Kautsky, 1939) провел очень простые и элегантные эксперименты, показав, что оксидант, участвующий в реакции фотооксигенации, может быть газообразен. По мнению Kautsky возбужденный фотосенсибилизатор переводит молекулу кислорода в активное состояние. Запись этого объяснения в сегодняшней нотации будет выглядеть так:

где, С0 - основное синглетное состояние сенсибилизатора; С1 - первое возбужденное синглетное состояние; Т1 - первое возбужденное триплетное состояние; isc (intersystem crossing) - внутрисистемный перенос; 3О2 - двухатомный триплетный кислород в основном состоянии; 1О2 - первое синглетное возбужденное состояние двухатомного кислорода.

Много позже гипотеза Kautsky, по какой-то причине не принимавшаяся на протяжении 30 лет, была подтверждена и названа механизмом фотооксигенации - тип II.

1948 году F.H. Figge и соавторы продемонстрировали повышенное родство (т.е. свойство поглощать, накапливать) к порфирину тканей с высокой пролиферативной активностью, таких как неопластическая, эмбриональная и регенеративная ткань. Они доказали это на модели экспериментальных животных и высказали мнение о возможности ФДТ рака с использованием порфиринов.

Важным моментом в развитии современной ФДТ явилась разработка фотосенсибилизатора с улучшенными свойствами - производного гематопорфирина (ПГП), обозначаемого в англоязычной литературе HpD, т.к. сам гематопорфирин, представлял собой смесь порфиринов и инертных примесей. Производное гематопорфирина оказалось вдвое более токсичным, чем первоначальный препарат, и обладало в 2 раза более высоким фотодинамическим действием. Впервые HpD было приготовлено S.Schwartz путем обработки гематопорфирина концентрированной серной и уксусной кислотами и применено в клинике Мейо (США) в 1960 году для выявления опухолей.

В 1960 году R.L. Lipson и E.J. Baldes 15 больным раком вводили внутривенно по 2 мг на кг веса тела HpD приблизительно за 3 часа до эндоскопической процедуры. При эндоскопии флюоресценция не давала ни ложно-положительных, ни ложно-отрицательных результатов при попадании достаточного количества активирующего света на опухолевые очаги. По мнению авторов, флюоресцентная эндоскопия после системного применения HpD может быть пригодной методикой для определения злокачественных новообразований. Были получены объективные данные эффекта фотодинамического воздействия у больной с обширным изъязвленным рецидивным раком молочной железы, которую подвергли лечению путем многократного введения HpD и локальной экспозиции опухоли фильтрованным от ксеноновой лампы светом (спектр не указан). Это наблюдение явилось основанием для сообщения на IX Международном Противораковом Конгрессе в Токио в 1966 году.

Механизмы цитотоксичного действия ФДТ были детально показаны в работах T.J.Dougherty и представить их можно следующим образом.

Введенные в организм молекулы фотосенсибилизатора избирательно фиксируются на мембранах опухолевых клеток и митохондриях. Причем, максимальная концентрация препарата в тканях достигается через 24-72 часа. При облучении фотосенсибилизированной опухолевой ткани лазерным излучением происходит переход нетоксичного триплетного кислорода (IIIO2) в синглетный (IO2) кислород, обладающий выраженным цитотоксичным действием, что приводит к разрушению клеточных мембран опухолевых клеток. Синглетный кислород, несмотря на короткое время действия, успевает полностью разрушить опухолевые клетки. При этом цитотоксический эффект зависит от концентрации фотосенсибилизатора, глубины проникновения света в ткани опухоли.

Рис.2. Схема выполнения фотодинамической терапии.

Лечение онкопатологии стало одним из первых направлений, включивших в свой арсенал фотодинамическое воздействие. Сегодня метод с успехом применяется для лечения доброкачественных и злокачественных новообразований любой локализации, но наибольшее распространение он получил при заболеваниях кожи, дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта, мочевого пузыря. Особое значение фотодинамическая терапия приобрела при удалении опухолей, расположенных в труднодоступных для хирургического вмешательства областях (поджелудочная железа, большой дуоденальный сосочек, общий желчный проток, внутрипеченочные протоки), а также местах, где операция приводит к грубым косметическим и функциональным дефектам (на губе, в полости рта, на веке, на ушных раковинах). оптический квантовый фотосенсибилизатор онкопатология

2. Сущность метода фотодинамической терапии

Фотодинамическая терапия (ФДТ) -- метод лечения онкологических заболеваний, некоторых заболеваний кожи или инфекционных заболеваний, основанный на применении светочувствительных веществ -- фотосенсибилизаторов (в том числе красителей), и, как правило, видимого света определённой длины волны.

Фотодинамическая терапия проводится в два этапа. Сначала в организм внутривенно вводится фотосенсибилизатор, вещество, способное вступать в химические реакции под действием света. Через определенное время препарат накапливается в опухоли в гораздо большем количестве, чем в здоровой ткани. Это объясняют особенностями опухолевых клеток и их кровоснабжения. Кровеносные сосуды опухоли обычно капиллярного типа с несовершенной базальной мембраной и измененными клетками внутреннего слоя (эндотелия), поэтому молекул сенсибилизатора довольно легко проникают из кровеносного русла в быстрорастущие и интенсивно делящиеся клетки опухоли и накапливаются там. Для современных препаратов соотношение концентрации фотосенсибилизатора в опухоли и окружающей нормальной ткани составляет от 3:1 до 10:1 в зависимости от химических свойств препарата и природы опухоли.

После накопления препарата производят облучение измененных тканей светом определенной длины волны в течение нескольких минут (десятков минут). В качестве источника излучения используется лазер. В участках опухоли, содержащих сенсибилизатор, развиваются фотохимические реакции, которые приводят к гибели раковых клеток. В последующие за облучением 2-4 недели происходит разрушение злокачественной опухоли и восстановление пораженных участков.

Обычно молекула фотосенсибилизатора находится в стабильном синглетном электронном состоянии. Это состояние соответствует самой низкой внутренней энергии. После поглощения фотона света определенной длины волны, молекула переходит в возбужденное состояние, тоже синглетное, с очень коротким временем жизни. Далее может произойти возврат молекулы в основное состояние с эмиссией фотона (флюоресценция) или преобразованием энергии в тепло. Но молекула может также перейти в триплетное состояние, если поменяется спин одного из электронов. Это триплетное состояние обладает более низкой энергией, чем возбужденное синглетное, но более продолжительным временем жизни, что позволяет сенсибилизатору вступить в реакции с другими молекулами. Вероятность перехода молекулы фотосенсибилизатора в возбужденное триплетное состояние при поглощении одного фотона называется квантовым выходом реакции. Чем выше квантовый выход, тем более активно проходит фотодинамические процессы разрушения опухолевых клеток.

Далее реакции фотосенсибилизатора с молекулами, образующими биологическую ткань, могут пойти по одному из двух путей. Фотосенсибилизатор может реагировать с биомолекулами непосредственно (реакции I типа) а может, что случается наиболее часто, вступить во взаимодействие с кислородом, присутствующим в ткани с образованием высокоактивного синглетного кислорода (реакции II типа).

В реакциях I типа происходит перенос электрона или иона водорода между молекулами сенсибилизатора и субстрата (липидов мембраны клетки, аминокислот и других веществ) с образованием высокоагрессивных свободных радикалов. Эти радикалы затем реагируют с другими веществами, например, с кислородом, с образованием высокоактивных перекисных соединений, атакуют мембраны клеток и органоидов, запуская цепные реакции, приводящие к гибели клеток.

В реакциях II типа основным «действующим лицом» является кислород, постоянно присутствующий в живых биологических тканях. Молекулы кислорода, находящиеся в основном триплетном состоянии переходят при взаимодействии с возбужденным сенсибилизатором в синглетное состояние. При этом молекула сенсибилизатора снова переходит в основное невозбужденное состояние и может далее участвовать в фотохимической реакции. Синглетный кислород - сильный окислитель, способный вызвать гибель клеток при повышенных концентрациях. Синглетный кислород токсичен и для опухолевых, и для нормальных клеток. С ним могут вступать во взаимодействие аминокислоты (особенно цистеин, гистидин, триптофан и тирозин и метионин), нуклеозиды (преимущественно гуанин) и ненасыщенные липиды. Для эффективной генерации синглетного кислорода сенсибилизатор должен иметь высокий квантовый выход триплетного состояния, достаточно продолжительное время жизни (10-4-10-2с) и энергию (не ниже 94 кДж/моль) триплетного состояния для возможности передачи энергии молекуле кислорода. Квантовый выход синглетного кислорода является основным параметром при подборе сенсибилизатора. Большое значение имеет также наличие интенсивного максимума поглощения в красной и ближней инфракрасной области спектра, где биологические ткани относительно прозрачны, для более полного воздействия на обширные и глубокие опухоли.

На распределение и накопление фотосенсибилизатора в тканях, и, следовательно, на его фотоповреждающее действие влияет множество факторов: способ введения сенсибилизатора, время, прошедшее с момента введения, и, самое главное, химические свойства вещества, его структура, масса и заряд молекулы гидрофильность (склонность растворяться в воде) или липофильность (склонность растворяться в жирах, липидах). Гидрофильные препараты можно использовать для приготовления водных растворов для внутривенного введения. Они связываются с альбуминами и другими белками сыворотки крови и накапливаются преимущественно в межклеточном пространстве и строме сосудов опухолевой ткани. Если сенсибилизатор плохо растворяется в воде, требуется приготовление липосомальных форм препарата. Липофильные сенсибилизаторы лучше проникают в опухолевую клетку, накапливаясь в мембранах клетки, ядра и лизосом, в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме. Поэтому и механизм повреждающего действия этих сенсибилизаторов несколько разный. Липофильные препараты атакуют опухолевую клетку изнутри, а растворимые в воде сенсибилизаторы способствуют гибели быстрорастущих клеток косвенно, повреждая кровеносные сосуды и прекращая снабжение опухоли кислородом и другими питательными веществами.

Свойствами гидрофильности-липофильности, зарядом молекулы сенсибилизатора в растворе, положением максимума поглощения и другими параметрами можно до некоторой степени управлять при синтезе препарата, получая производные с различными заместителями.

Различают три пути гибели клеток под действием фотодинамической терапии:

1. Прямая гибель клеток.

В клетке основными мишенями повреждающего действия фотосенсибилизатора являются мембраны, митохондрии и лизосомы. Перекисное окисление липидов мембраны может привести к нарушению ее целостности, увеличению проницаемости, образованию в мембране структурных дефектов и разрушению. Взаимодействие с белками мембраны приводит к дезактивации ферментов, рецепторов и ионных каналов, прекращению трансмембранного переноса молекул и ионов. Еще одной важной мишенью повреждающего действия являются митохондрии - энергетические станции клеток. В нормальных условиях в них происходит синтез АТФ, вещества, необходимого для всех энергозатратных процессов в клетке (синтеза ДНК, белков, транспорта веществ, деления клеток и т.д.). Нарушение дыхания и синтеза АТФ приводит к нарушению всех функций клетки и ее гибели. Разрушение лизосом в результате повреждения их мембраны также вносит вклад в гибель клеток. Высокоактивные лизосомальные ферменты, высвобождающиеся при этом, способствуют гибели клетки.

2. Гибель клеток за счет повреждения сосудов.

Действие ФДТ значительно усиливается, если в опухоли есть функционирующая сосудистая система. Повреждение сосудов при ФДТ приводит к непрямой гибели клеток за счет ухудшения снабжения опухоли питательными веществами и кислородом. Чувствительность к ФДТ проявляют клетки эндотелия, макрофаги, нейтрофилы и тромбоциты. Под действием света запускается каскад физиологических событий: повреждаются клетки сосудистого эндотелия, происходит нарушение целостности сосудов и их сужение, происходит аггрегация тромбоцитов и склеивание (агглютинация) лейкоцитов и нейтрофилов, - что приводит к остановке кровоснабжения опухоли.

3. Иммунологический отклик на ФДТ.

Фотодинамическая терапия активизирует местную иммунную реакцию организма на опухолевые ткани и клетки, подвергшиеся воздействию. Поврежденные клетки и клетки иммунитета высвобождают цитокины, хемокины и других медиаторы воспаления. Вырабатываются вещества, привлекающие в зону повреждения лейкоциты. Развивается местная воспалительная реакция, которая также приводит к гибели измененных клеток.

Явление флюоресценции, то есть испускания света при переходе из возбужденного состояния в основное, также используется в медицине, но уже с целью диагностики. Поскольку фотосенсибилизаторы накапливаются преимущественно в опухолевых тканях, их флюоресценцию можно зафиксировать приборами и, таким образом, обнаружить даже совсем небольшие (в несколько миллиметров) по размеру опухоли (они флюоресцируют белым светом), а также места воспалительных процессов, которые светятся на приборе светло-зеленым, и другие проблемные зоны. Накопление фотосенсибилизатора перед началом фотодинамической терапии также контролируется при помощи флюоресцентной диагностики.

Взаимодействие света и тканей

Для проведения ФДТ требуется источник света, испускающий световые волны в диапазоне спектра поглощения данного фотосенсибилизатора.

При попадании света на кожу происходят три основных явления:

1) свет отражается поверхностью кожи;

2) свет рассеивается кожей после того, как он проник в нее;

3) свет поглощается внутрикожными структурами.

Отраженный свет можно использовать для диагностических целей, однако клинического действия он не оказывает. Рассеянный свет также не имеет клинического значения. К клиническому эффекту может привести лишь свет, поглощенный определенными структурами кожи. После поглощения он преобразуется в различные типы энергии, такие как тепловые или акустические волны, либо -- как в случае с ФДТ -- активирует различные атомы.

Поглощение света и его воздействие на ткань зависит от следующих факторов:

1) длина световой волны;

2) энергия или интенсивность света;

3) наличие в ткани хромофоров.

Детальный анализ этих факторов выходит за рамки рассматриваемых в данной главе вопросов, однако мы все же считаем необходимым коснуться некоторых простых понятий с целью лучшего понимания ФДТ. Для достижения какого-либо терапевтического эффекта необходимо, чтобы свет достиг ткани-мишени, был поглощен ею и имел достаточную энергию для получения желаемого эффекта.

В целом, чем больше длина волны, тем глубже проникающая способность света. Свет с длиной волны 630 нм проникает на глубину до 20 мм, в то время как при длине волны 700 -- 800 нм его проникающая способность достигает 40 мм. Однако важно уяснить, что как только свет поглощается фотосенсибилизатором или каким-либо другим хромофором, глубже он уже не проникнет. Например, зеленый свет с длиной волны 532 нм может проходить на глубину до 1 мм непигментированной ткани, в то время как гораздо более длинные волны инфракрасной части спектра (10 600 нм) могут проникать в ткань лишь на глубину 20 -- 30 мкм, т.к. они поглощаются водой. Важно подобрать такой активирующий свет, который обладал бы не только глубокой проникающей способностью, достаточной для достижения им ткани-мишени, но и характеризовался бы отсутствием других конкурирующих абсорбентов в окружающих тканях.

В основном для ФДТ кожных заболеваний используется свет видимого либо ближнего инфракрасного участка спектра. Причиной этого является то, что все имеющиеся в наличии фотосенсибилизаторы поглощают свет именно в этом диапазоне спектра. Пик абсорбции у порфиринов наблюдается при воздействии света с длиной волны 450 (максимальные значения), 580 и 630 нм. Степень фотоактивации зависит от количества абсорбируемого света, достигающего фотосенсибилизатора в ткани-мишени.

Преимущество света большей длины волны ограничивается тем, насколько активно волны данной длины поглощаются фотосенсибилизатором. Например, свет с длиной волны 630 нм глубже проникает в ткань, чем свет с длиной волны 450 нм, однако порфирии гораздо активнее поглощает 450-нм волны, чем 630-нм. Уменьшение абсорбирующего эффекта может быть частично компенсировано удлинением времени светового воздействия либо увеличением плотности мощности. Таким образом, выбор длины волны и дозы света зависит от глубины локализации опухоли-мишени, а также от того, какую абсорбирующую способность имеет фотосенсибилизатор.

3. Селективность накопления фотосенсибилизаторов в опухолевых тканей

К сожалению, в настоящее время механизмы, лежащие в основе селективного накопления ФС в опухолях, до конца не ясны. При введении фотосенсибилизатора отмечают его накопление во всех тканях организма, однако большей тропностью отличаются опухолевые ткани. Это связано с наличием в опухолях большого числа рецепторов, чувствительных к низкомолекулярным белкам. Более низкой по сравнению с нормальными тканями рН опухоли и особенностями её стромы, такими, как большой объём интерстициального пространства, повышенная проницаемость сосудов, нарушенный лимфатический дренаж, большое количество вновь синтезированного коллагена, который связывает порфирины, и большое количество липидов, имеющих сильное сродство к липофильным красителям. При этом тропность фотосенсибилизаторов к неопластическим тканям возрастает с увеличением степени гидрофобности молекулы ФС. В конечном итоге повышенное накопление фотосенсибилизатора приводит к тому, что клетки опухоли поглощают большее количество световой энергии, чем нормальные ткани.

Механизмы разрушения ткани опухоли. Процессы, происходящие в ткани опухоли после фотодинамической реакции.

После разрушения опухолевых клеток в результате фотодинамической реакции в тканях происходят все те процессы, которые сопровождают гибель клеток, независимо от причины, к ней приведшей. Специфической особенностью ФДТ можно отчасти лишь образование атомарного кислорода и свободных радикалов, частично вступающих в химические реакции с другими веществами и обуславливающих развитие биохимических реакций между вновь образованными свободными радикалами.

Оставшиеся свободные радикалы и обломки клеток удаляются через венозные и лимфатические капилляры, согласно теории E.H. Starling. Включается также механизм фагоцитоза.

Важную роль в разрушении опухоли в результате ФДТ играет так называемый сосудистый компонент. Повреждение сосудов при ФДТ впервые обнаружила B.W. Henderson (1985г.), она считала его основным в механизмах деструкции опухолей. Результатом фотодинамической реакции является разрушение эндотелия кровеносных сосудов, активация тромбоцитов с высвобождением тромбоксана и агрегация тромбоцитов, образование пристеночных и окклюзирующих, сдавление капилляров в результате интерстициального отёка. Все вышеперечисленное приводит к нарушению кровотока в ткани опухоли, вплоть до полного его прекращения, и развитием некроза.

В последние годы появились работы, утверждающие, что одним из механизмов ФД является апоптоз. Апоптоз, индуцированный фотоокисленными дистрессом в результате фотодинамического воздействия, был описан группой N.L. Oleinick et al. Получены результаты, указывающие на роль апоптоза в гибели клеток при локализации фотосенсибилизаторов в митохондриях. Однако вопрос о месте апоптоза в механизмах фотодинамической терапии остаётся открытым и требует дальнейшего исследования.

Ещё менее изученным остаётся вопрос влияния иммунной системы на фотодинамическую терапию. Известно о снижении гуморального и клеточного иммунитета у пациентов со злокачественными новообразованиями. Однако G. Canti et al. отмечено повышение гуморального и клеточного иммунитета у онкологических пациентов при проведении фотодинамической терапии.

J. Nieva et al. считают, что в защите организма при злокачественных опухолях играют роль все иммуноглобулины как эффекторные участники иммунной системы. При этом независимо от источника их антигенной специфичности они могут катализировать реакцию между синглетным кислородом и водой с образованием Н2О2, что открывает путь к противоопухолевой защите организма при фотодинамической терапии.

4. Классы фотосенсибилизаторов

Известно более 1 000 соединений, способных выступать в качестве

фотосенсибилизаторов. Среди них как специально разработанные красителиФС (хлорин е6, фотолон, фотосенс), так и традиционные лекарственные

препараты, способные выполнять функции ФС и использоваться для проведения АФДТ. Для их классификации в литературе предложено несколько различных принципов.

Таблица 1 ? Классификация ФС (Ebermann et al, 1996)

Химическая группа ФС	Представители
продукты распада хлорофилла	Хлорин
продукты распада полиацетеленов
продукты распада тиофенов
продукты распада хинонов	Церкоспорин
продукты распада атрахинонов	фагопирин, гиперицин
Псоралены	9-метоксипсорален

Таблица 2 ? Классификация ФС (M. Wainwright, 1998).

Химическая группа ФС	Химическая подгруппа	Представители
Фотосенсибилизаторы, относящиеся к катионным азинам	Фенотиазины	метиленовый синий, толуидиновый синий
	Феназины	нейтральный красный
	Акридины	профлавин, акридиновый оранжевый, аминакридин, этакридин
цианины и мероцианин 540		пирвиниум, стилбазиум
макроциклические фотосенсибилизаторы	порфирины	гематопорфирин, бензопорфирин
	фталоцианины=тетрабе-нзотетраазапорфирины	Al-фталоцианин, Gaфталоцианин, Zn-фталоцианин
природные ФС	псоралены==фурано-кумарины	Аминометилтриметил псорален
	периленквиноноидные пигменты	гиперицин, экстракт Hypocrellabambusae, содержащий гипокрелин
	другие ФС природного происхождения	терфиофены, бензофенантридины

Wainwright приводит длины волн источников света, оптимальные для активации различных классов ФС.

Таблица 3 ? Максимум абсорбции ФС

Тип ФС	Лmax (нм)
Фенотиазины	620-660
Феназины	500-550
Акридины	400-500
Цианины	500-600
Порфирины	600-650
Фталоцианины	660-700
Псорален	300-380
Периленхиноноид	600-650

Последние исследования позволили предложить практическому здравоохранению целый ряд новых ФС: различные лекарственные формы хлорина е6, другие препараты на основе хлорофилла (хлорофиллипт, галенофиллипт и другие). Выраженность фотосенсибилизирующего действия этих препаратов подтверждена лабораторными и клиническими исследованиями.

Более поздняя публикация P. Meisel и T.Kocher (2005) также содержит классификацию ФС, однако и в ней не представлены все используемые на сегодняшний день фотосенсибилизаторы.

Таблица 4 ? Классификация фотосенсибилизаторов.

Химическая группа	Представители
Тетрациклические красители с различными мезоатомами	Профлавин, рибофлавин, эозин, эритрозин, метиленовый синий, толуидиновый синий
Фурокумарины	Псорален и его метокси-производное ксантотоксин, бергаптен
Тетрапирролы	Порфирины, их производные, хлорофилл, филлоэритрин, фталоцианины.

Таблица 5 ? Классификация фотосенсибилизаторов с учетом химической структуры и максимума абсорбции (Курочкина А.Ю., Плавский В.Ю., Юдина Н.А., 2010).

Группа ФС	Химический класс препаратов	Представители	Длина волны источника света (максимум абсорбции), нм	Приборы лазерной техники с необходимыми параметрами, зарегистрированные в Республике Беларусь
тетрациклины	антимикробные вещества	доксициклин, хлортетрациклин	280-325	Нет
Сульфанилами-ды		Сульфаниламид
производные нитрофурана,		фурагин, фуразолидон
фторхинолоны		ципрофлоксацин, норфлоксацин
фурокумарины	природные ФС	псорален и его метокси-производное ксантотоксин	300-380	Нет
экстракты лекарственных растений на основе хлорофилла		хлорофиллипт; 20% настойка листьев эвкалипта на 70% спирте, галенофиллипт	390-465, 650-690	«Айболит КН-15» «Родник-1» «Ромашка» «Сенс»
акридины	красители (катионные азины)	профлавин, акридиновый оранжевый, аминакридин, этакридин	400-500	«Родник-1» «Ромашка» «Сенс»,
феназины		нейтральный красный	500-550	«Ромашка»
цианины	макроциклические ФС	пирвиниум, стилбазиум	500-600	«Ромашка»
порфирины		Гематопорфирины, бензопорфирины	600-650	«Айболит КН-5» «Айболит КН-15» «Родник-1» «Ромашка» «ФДТ-лазер»
Периленквино-ноид	природные ФС	гиперицин, экстракт Hypocrellabambusae, содержащий гипокрелин
фенотиазины	красители (катионные азины)	метиленовый синий, толуидиновый синий	620-660	«Айболит КН-15 «Родник-1» «Ромашка» «ФДТ-лазер»
хлоринсодержищие препараты	природные ФС	хлорин е6 (коммерческое название «Фотодитазин», «Фотолон»)
фталоцианины	макроциклические ФС	Al фталоцианин, силикон фталоцианин	660-700	«Родник-1» «Айболит КН-15» «ФДТ-лазер» (РБ),Beam 660 (Израиль)

Преимуществом представленной классификации является возможность обоснованного выбора препарата в зависимости от характеристик имеющегося оборудования. Синий спектр света оказывает поверхностное воздействие, поэтому сочетание ФС и источника света с длиной волны 390-465 нм показано при различных формах гингивита и хроническом простом периодонтите (легкой и средней степени тяжести). Это позволит добиться желаемых результатов при минимизации побочных эффектов. При тех клинических состояниях, где требуется более глубокое проникновение (тяжелые формы болезней периодонта с глубокими периодонтальными карманами и вовлечением фуркации зубов) более эффективной будет схема лечения АФДТ с использованием лазера красного спектра и ФС.

В некоторых последних публикациях ФС разделены на поколения:

1-е поколение ? наиболее широко используемый и известный представитель Фотофрин.

2-е поколение ? 5-аминолевулиновая кислота, бензопорфириновое соединение, лютеция тексафирин, темопорфин, тинэтилетопурпурин, натрия талапорфин. Фоскан наиболее сильный ФС второго поколения

3-е поколение ? включает препараты, наличие радиоактивного радикала в составе которых позволяет связываться только с определенными белковыми носителями (моноклональные антитела, системы рецепторов и др). Исследования 3-го поколения ФС продемонстрировали минимальную аккумуляцию в здоровых тканях с высокой специфичностью по отношению к патологически измененным тканям.

В настоящее время все фотосенсибилизаторы делятся на три поколения. Фотосенсибилизаторы первого поколения являются это различные производные гематопорфирина.

Рис.3. Формула порфина (простейший порфирин).

В основе всех порфириновых соединений лежит сопряженное макроциклическое кольцо, состоящее из четырех пиррольных остатков, соединенных между собой метиновыми мостиками. Хлорины имеют два добавочных атома водорода (вместо двойной связи) в положениях 17 и 18, а бактериохлорины - 4 атома водорода в положениях 7, 8, 17 и 18. Наиболее перспективным среди них оказался гематопорфирин IX, и именно на его основе Липсон с сотрудниками в 1961 году получил так называемое "производное гематопорфирина", которое Т. Догерти применил при лечении своих первых пациентов. Многочисленными работами, включая ряд наших исследований, показано, что образующийся по методике Липсона продукт состоит из мономерных порфиринов, димеров и высокомолекулярных олигомеров. Причем именно последние обладают наибольшей активностью при ФДТ. Порфириновые макроциклы в олигомерах соединены тремя типами связи - сложноэфирной (А), простой эфирной (Б) и углерод-углеродной связью (В).

Предполагается, что олигомеры при попадании в клетку подвергаются расщеплению по связи А и В, высвобождая мономерные порфирины. Этим можно объяснить повышение флуоресценции опухоли при ФДТ, несмотря на то, что первоначально накапливающиеся там олигомеры имеют слабое свечение. Таким образом, можно говорить о том, что олигомеры выполняют роль переносчиков мономерных порфиринов в клетку

Коммерческий препарат первого поколения Фотофрин представляет собой смесь, содержащую менее 20% неактивных мономеров и более 80% активных димеров и олигомеров.

Время от времени на рынке появлялись другие коммерческие «очищенные» формы HpD, они включали: Фотокарцинорин (Китай), Фотосан (Германия), Фотогем (Россия) и Гематодрекс (Болгария). Преимуще ствами фотофрина являются простота изготовления из широко доступных веществ; бесспорная эффективность в качестве фотосенсибилизатора при ФДТ. Безусловно, HpD важен и исторически, поскольку этот препарат был первым, получившим официальное одобрение (FDA) для применения в ФДТ. Однако этим преимуществам может быть противопоставлен целый ряд недостатков: 1) HpD представляет собой очень сложную смесь, состав которой трудно воспроизвести, а при исследованиях дозовых зависимостей эффекта почти невозможно сопоставить результаты с молекулярной структурой вещества; 2) фотодинамическая активность HpD весьма умеренна; 3) препарат недостаточно селективен, а фотосенсибилизация нормальной кожи продолжается в течение нескольких недель; 4) HpD хуже, чем в других областях спектра, поглощает в красном диапазоне (примерно при 630 нм). Вместе с тем, известно, что именно в этой части спектра излучение глубже проникает в ткани. Относительно невысокую генерацию синглетного кислорода при облучении лазером с длиной волны излучения 630нм приходится компенсировать высокими дозами препарата и мощностью источника света. Несмотря на неоспоримые успехи использования Фотофрина для ФДТ, в начале 80-х годов уже было понятно, что этот препарат не станет средством выбора.

Все это послужило основанием для активного поиска новых фотосенсибилизаторов, относящихся ко второму поколению, которым свойственны активная фармакодинамика, большая избирательность накопления в опухолевой ткани и лучшие спектральные характеристики с максимумом поглощения в диапазоне волн более 650нм. Со временем пришло понимание того, какие свойства важны для идеального противоопухолевого фотосенсибилизатора. Таких свойств названо 5. Во-первых, сенсибилизатор не должен проявлять никакой фототоксичности или иметь крайне низкую темновую фототоксичность. Во-вторых, требуется, чтобы фармакокинетика препарата обеспечивала селективность накопления в опухоли по сравнению с нормальной тканью и быстрое выведение препарата после сеанса терапии для уменьшения общей фототоксичности. Поскольку порфириновый скелет гидрофобен, требовалось добавить гидрофильные заместители. Не все исследователи придерживались этого похода, а потому было предложено несколько гидрофобных фотосенсибилизаторов (например, фталоцианин цинка II). Для этих веществ требовались системы доставки, такие как липидные эмульсии, липосомы или липопротеины. В-третьих, сенсибилизатор должен иметь неизменный состав и, желательно, состоять из одного вещества. В-четвертых, желательно, чтобы сенсибилизатор имел высокий квантовый выход в триплетном состоянии с энергией триплета >94 кДж/моль (энергия возбуждения, необходимая для образования синглетного кислорода) и обеспечивал достаточный перенос энергии для образования синглетного кислорода. Наконец, препарат должен иметь выраженное поглощение в красной части видимого спектра, поскольку именно такой свет лучше всего проникает в ткани. Этот класс фотосенсибилизаторов вскоре появился и включает порфирины, хлорины, бензопорфирины, фталоцианины и нафталоцианины.

Хлорины

Рис 4. Общая формула производных хлорофилла и бактериохлорофилла

В отличие от порфиринов хлорины сильно абсорбируют в красной области спектра. Им было посвящено множество исследований по ФДТ. Хлориновые фотосенсибилизаторы получаются двумя путями: модификацией хлорофилла-a и химическим синтезом. На сегодня далеко продвинулись клинические испытания этого фотосенсибилизатора в качестве препарата для применения при раке верхних отделов дыхательной системы и пищеварительного тракта (Scotia QuantaNova plc.). На сходном этапе находятся еще два препарата: производное бензопорфирина (Вертепорфин: QLT PhotoTherapeutics Inc) и комплекс олова с этиопурпу рином. Первое из этих веществ особенно интересно тем, что требует короткого интервала между введением препарата и облучением, приводя к слабой общей фотосенсибилизации. В ходе поиска и совершенствования, используемых для ФДТ фотосенсибилизаторов, в России был получен препарат из группы хлоринов, названный Фотодитазин. Фотодитазин обладает сильной полосой поглощения в длинноволновой красной области спектра (662 нм для комплексов с альбумином) и проявляет в 50 раз большую световую токсичность, чем синтетический металлокомплекс из класса фталоцианинов «Фотосенс» (674 нм). Поглощение энергии фотосенсибилизатором в зависимости от светопроводящих свойств ткани. Спектры поглощения схематичны, и показана полоса Соре (полоса поглощения с наименьшей энергией), за исключением типичного спектра поглощения порфирина слева. В качестве тканевой модели взята человеческая мошонка толщиной 7 мм.

Бактериохлорины

У бактериохлоринов наблюдается дальнейший сдвиг пика поглощения в красную область. Эти вещества естественного (из бактериохлорофилла) и синтетического происхождения (например, m-THPBC). m-THPBC готовится к коммерческому применению (Scotia QuantaNova plc).

Фталоцианины

Эти вещества (и родственные им нафталоцианины) активно поглощают в красном спектре. Однако они чрезвычайно гидрофобны. Комплекс фталоцианина с цинком оказался биологически активным, но для доставки требуется приготовление липосомного препарата. Фталоцианины можно сделать гидрофильными путем сульфатирования. Описан первый опыт применения сульфатированного фталоцианина алюминия («Photosens») . Одной из наиболее интересных разработок было создание препарата, превращающегося в эндогенный протопорфирин, являющегося фотосенсибилизатором. Идея заключалась в использовании d-аминоливулиновой кислоты

Рис. 5.d-аминоливулиновой кислоты.



(предшественника активного препарата, применяемого перорально, инъекционно или местно в виде лосьона). Поскольку это вещество находится в цепи биосинтеза гема после точек обратных связей, то при введении этого препарата можно заставить нормальный аппарат биосинтеза гема продуцировать порфирин (преимущественно протопорфирин [15]. Эта очень элегантная идея привлекает всё большее внимание.

Мишени для фотосенсибилизаторов

Наиболее значительная роль в транспорте фотосенсибилизатора к клеткам или молекулам-мишеням приписывается антителам, липосомам и лектинам. Липопротеиды плазмы крови, особенно их низкомолекулярная фракция, способны доставлять любые фотосенсибилизаторы к клеткам-мишеням, прикрепляясь к их специфическим рецепторам. Наибольшим числом рецепторов к липопротеидам обладают активно пролиферирующие клетки, включая опухолевые и эндотелий сосудов. Другим способом доставки фотосенсибилизатора к клеткам являются моноклональные антитела. Фотоиммунология даже использует специальный термин - антител-опосредованный фотолизис.Конъюгаты моноклональное антитело - фотосенсибилизатор в больших концентрациях прикрепляются к цитоплазматической мембране опухолевой клетки. При генерации синглетного кислорода происходит повреждение мембраны с последующей гибелью клеткимишени. Такая целенаправленная доставка фотосенсибилизатора к клетке-мишени позволяет снизить дозу лекарственного препарата. Внутриклеточные мишени фотосенсибилизаторов С помощью электронной и флуоресцентной микроскопии удалось показать, что фотосенсибилизатор наиболее активно накапливается на цитоплазматической мембране, в органеллах клетки, в частности митохондриях, приводя к немедленной инактивации митохондриальных ферментов (цитохром - С оксидазы, сукцинатдегидрогеназы, кальциевой помпы). Хлорин, бензопорфирин, фталоцианин приводят к повреждению лизосом, результатом чего становится утечка гидролитических энзимов. Наблюдается также повреждение ДНК ядра клетки.

Источники света для ФДТ

Наряду с поиском новых и эффективных фотосенсибилизаторов, разрабатывались и многочисленные источники света, как лазерные, так и нелазерные. К нелазерным источникам относятся ксеноновые и ртутные лампы, а в последнее время и матрица, состоящая из светодиодов. Выбор источника зависит от спектральных характеристик используемого фотосенсибилизатора, а также от локализации и размеров новообразования. Для возбуждения производных гематопорфиринов и других фотосенсибилизаторов при проведении фотодинамической терапии используются различные лазерные системы: лазер на красителях с накачкой аргоновым лазером, лазер на парах золота, лазер на красителях с накачкой лазером на парах меди, лазер на красителях с накачкой эксимерным лазером, твердотельные лазеры с удвоенной частотой излучения. Но, в последние годы наибольшей и заслуженной популярностью пользуются диодные лазеры.



Заключение

Метод ФДТ основан на применении природных или синтетических фотосенсибилизаторов (ФС), которые обладают способностью к избирательному накоплению (тропностью) в опухолевой ткани. При облучении светом определенной длины волны ФС переходит в активированное состояние, которое инициирует образование цитотоксических агентов - синглетного кислорода и свободных радикалов, вызывающих разрушение структурных элементов опухолевой ткани.

Основное ограничение метода ФДТ - глубина действия лазерного излучения. Используемые в клинике препараты имеют спектр фотодинамического воздействия с максимумами в области 620 - 690 нм. Проницаемость биологических тканей в этом диапазоне незначительна и составляет несколько миллиметров. Известно, что максимальная проницаемость тканей находится в дальней красной и ближней ИК области 750 - 1500 нм и соответствует диапазону генерации эффективных, надежно работающих и доступных лазеров. Создание и внедрение фотосенсибилизаторов, обеспечивающих эффективную генерацию синглетного кислорода в этой области спектра, могло бы существенно расширить сферу применения ФДТ.

Снижение эффективности ФДТ возможно при недостаточной тропности фотосенсибилизатора, нарушении васкуляризации стромы опухоли и снижении содержания кислорода в новообразовании. Единичные осложнения при проведении ФДТ связаны с кожной фототоксичностью и зависят от используемого фотосенсибилизатора. Во всяком случае, превентивные меры, включающие соблюдение светового режима и ношение защитных очков, использование современных фотосенсибилизаторов, сводят реальность развития осложнений к минимуму. Таким образом, применение традиционной и интраоперационной ФДТ явилось эффективным компонентом комбинированного лечения злокачественных новообразований, существенно улучшающим качество, а в ряде случаев и продолжительность жизни больных.

В настоящее время проводится направленный поиск таких фотосенсибилизаторов среди производных хлоринов, бактериохлоринов, пурпуринов, бензопорфиринов, тексафиринов, этиопурпуринов, нафтало- и фталоцианинов. При этом особый интерес представляют фотосенсибилизаторы, обладающие способностью не только быстро накапливаться в опухолях, но и с высокой скоростью распадаться. Со временем, как это принято в химиотерапии опухолей, будет создан банк препаратов адресного спектра применения, адаптированных к определенным нозологическим и гистологическим формам рака.



Литература

1. Meisel, P. Photodynamic therapy for periodontal diseases: state of art / P. Meisel, T. Kocher. JPhotochem photobiol 79 (2005) 159-170.

2. Миронов, А. Ф. Фотосенсибилизаторы на основе порфиринов и родственных соединений / А. Ф. Миронов // Итоги науки и техники. Совр. пробл. лаз. физ. М.: ВИНИТИ, 1990. Т. 3. С. 5-62.

3. Лозовская, Е. Л. [и др.] // Биофизика. 1997. № 3. С. 549-557.

4. Лозовская, Е. Л. [и др.] // Вопросы медицинской химии. 1998. № 2. С. 118-134.

5. Ebermann, R. [et al.]. Natural products derived from plants as potential drugs for the photodynamic destruction of tumor cells. J Photochem Photobiol B 36 (1996) 95-97.

6. M. Wainwright photodynamic antimicrobial chemotherapy (PACT), Journal of antimicrobial chemotherapy 1998-42, 13-28.

7. Плавский, В. Ю. Перспективы использования полупроводниковых лазеров и сверхярких светодиодов для антимикробной фотодинамической терапии. Полупроводниковые лазеры и системы на их основе: сб. статей 7-го Белорусско-Российского семинара. 1-5 июня 2009 / В. Ю. Плавский [и др.]. Минск: Институт физики НАН Беларуси, 2009. С. 239-242.

8. Наумович, С. А. Фотодинамическая терапия в лечении заболеваний периодонта (экспериментальное исследование) / С. А. Наумович, А. В. Кувшинов // Медицинский журнал. 2007. № 1. С. 71-75.

9. Кречина, Е. К., Ефремова, Н. В., Маслова, В. В. // Стоматология. 2006. № 4. С. 20-25.

10. Рисованная, О. Н. экспериментально-клиническое обоснование бактериотоксической светотерапии воспалительных заболеваний тканей периодонта: автореф. дис. … д-ра мед. наук / О. Н. Рисованная. М., 2005.

11. L B Josefsen1 and R W Boyle. Photodynamic therapy: novel third-generation photosensitizers one step closer? // British Journal of Pharmacology 154 (2008) 1-3.

12. Красновский А.А. Синглетный молекулярный кислород и первичные механизмы фотодинамического действия оптического излучения. // Там же.

13. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. М., "Высшая школа", 1989, 198 стр. Лазерная медицина.-2007.-Т. 11, вып.3.

14. М.Л. Гельфонд, 2007 ББК Р562,4-522

15. Илларионов В.Е. Основы лазерной терапии. - М.: Респект. - 1992. - 123 с.

Размещено на Allbest.ru

...