This must be hidden
При поддержке препарата АФАЛАЗА

Фотодинамическая терапия: основные принципы и механизмы действия

23.11.2014
1981
0

М. Н. Слесаревская, А. В. Соколов

Кафедра урологии Санкт-Петербургского государственного медицинского университета имени акад. И. П. Павлова

Лечебное действие фотодинамической терапии (ФДТ) основано на локальной активации видимым красным светом накопившегося в опухолевой ткани фотосенсибилизатора, приводящей к развитию фотохимической реакции и разрушению опухолевых клеток. Опыт клинического применения ФДТ свидетельствует о ее эффективности. При этом, несмотря на 40-летнюю историю применения ФДТ, далеко не все ее возможности изучены.

Ключевые слова: фотодинамическая терапия; фотосенсибилизация.

На сегодняшний день в клинической онкологии широкое распространение получили новые методы диагностики и лечения, основанные на достижениях фотохимии, фотобиологии и квантовой физики. Их применение стало возможно после изобретения и освоения лазерной техники. При этом использование лекарственных препаратов, эффект которых основан на их фотохимических свойствах, продолжается не одно столетие. Фотодинамическая терапия (ФДТ) представляет собой относительно новый метод лечения, заключающийся в применении лекарственных препаратов — фотосенсибилизаторов, то есть веществ, чувствительных к свету, и низкоинтенсивного лазерного излучения с длиной волны, соответствующей пику поглощения фотосенсибилизатора. ФДТ быстро нашла свое место в клинической онкологии и оказалась эффективной в лечении рака различных стадий и локализаций, а также целого ряда неопухолевых заболеваний.

В настоящее время, когда различными аспектами ФДТ и тесно связанной с ними флюоресцентной диагностики (ФД) занимаются тысячи ученых и практикующих врачей, когда пролечены десятки тысяч больных различными формами рака и открываются новые перспективы их использования, большой интерес представляет история развития ФДТ и фотомедицины.

История появления фотодинамической терапии

ФДТ является разновидностью химиотерапии, основанной на фотохимической реакции, катализатором которой является кислород, активированный фотосенсибилизатором (ФС) и воздействием лазерного излучения. Классическое определение ФДТ дал Е. Ф. Странадко [3], который рассматривает ФДТ как метод локальной активации накопившегося в опухоли фотосенсибилизатора видимым красным светом, что в присутствии кислорода тканей приводит к развитию фотохимической реакции и разрушению опухолевых клеток.

Впервые фотодинамический эффект был описан О. Raab в Мюнхенском университете в 1900 г. [25]. Было показано, что при освещении солнечным светом в присутствии акридинового и некоторых других красителей парамеции погибают, в то время как при освещении светом в отсутствии красителя либо с красителем в темноте парамеции выживают. Термин фотодинамическая реакция был введен H. von Tappeiner в 1904 г. для описания специфической фотохимической реакции, которая приводит к гибели биологических систем в присутствии света, красителя, поглощающего световое излучение, и кислорода [30].

Применение фотодинамического эффекта в онкологии берет свое начало с работы A. Policard [24], в которой было показано, что при облучении ультрафиолетом некоторые злокачественные опухоли человека флуоресцируют в оранжево-красной области спектра. Данное явление объясняли наличием в опухолях эндогенных порфиринов. Позднее это было подтверждено на экспериментальных опухолях, которые начинают флуоресцировать в красной области спектра, если животным предварительно ввести гематопорфирин [10]. Важной вехой в развитии ФДТ явилось получение фотосенсибилизатора с улучшенными свойствами, известного как HpD и являющегося производным гематопорфирина [27]. В начале 60-х годов прошлого века было показано, что HpD накапливается в опухолевой ткани и тем самым способствует возможности регистрировать их флюоресценцию [17]. В 1976 г. ФДТ с использованием HpD была впервые успешно проведена в США у больного с раком мочевого пузыря [15]. Через 48 часов после внутривенного введения HpD исследователи наблюдали селективный некроз рецидивирующей папиллярной опухоли мочевого пузыря, причем нормальная слизистая не повреждалась.

Начала широкого клинического применения ФДТ в онкологии обычно считают 1978 год, когда T. J. Dougherty и соавт. описали развитие частичного или полного некроза в 111 из 113 кожных или подкожных очагов злокачественных опухолей человека. И если для проведения ФДТ в данной работе был использован ламповый источник света с системой фильтров, то уже в 1980 г. впервые было применено воздействие лазерным излучением длиной волны 630 нм [9].

Механизмы действия фотодинамической терапии

Механизм фотодинамической терапии сложен и до конца не изучен. Выделяют две фазы воздействия ФДТ на опухолевую ткань: фотодинамический эффект, иногда называемый фотодинамической реакцией, и процессы, происходящие в опухоли после ее завершения, то есть процесс разрушения непосредственно ткани опухоли. Известно, что основную роль в ФДТ играет так называемый синглетный, или активный, кислород, который образуется в молекулах липидов и белков мембран клеток и внутриклеточных органелл при воздействии на них кванта света [4]. При этом синглетный кислород разрывает атомарные связи с другими атомами в составе молекулы и начинает поступательное движение, продвигаясь за 1 мкс на расстояние 50 Å [4]. Происходит разрыв цепочки молекулы и ее разрушение с образованием свободных радикалов и повреждением клеточных мембран, причем этот процесс происходит в течение нескольких минут после начала облучения лазером [19, 20, 21, 29]. Молекула фотосенсибилизатора при поглощении кванта света также переходит в синглетное и в более долгоживущее триплетное состояние. При этом наблюдается резонанс, усиливающий фотодинамическую реакцию, или находящаяся в триплетном состоянии молекула фотосенсибилизатора передает энергию молекуле кислорода, переводя ее в синглетное состояние [1]. Возбужденные молекулы кислорода и фотосенсибилизатора возвращаются в исходное состояние и способны вступать в химические реакции. Весь цикл может быть запущен заново после поступления нового кванта световой энергии. После нескольких циклов фотосенсибилизатор «выгорает», т. е. теряет способность участвовать в фотодинамической реакции. Этот эффект называется фотобличингом [18].

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 считать лишь образование атомарного кислорода и свободных радикалов, частично вступающих в химические реакции с другими веществами и обусловливающих развитие биохимических реакций между вновь образованными свободными радикалами. Оставшиеся свободные радикалы и обломки клеток, согласно теории E. H. Starling [8, 31], удаляются через венозные и лимфатические капилляры. Включается также механизм фагоцитоза [13, 26].

Важную роль в разрушении опухоли в результате ФДТ играет так называемый сосудистый компонент. Повреждение сосудов при ФДТ впервые обнаружила B. W. Henderson (1985), считавшая его основным в механизме деструкции опухолей. Результатом фотодинамической реакции является разрушение эндотелия кровеносных сосудов, активация тромбоцитов с высвобождением тромбоксана и агрегация тромбоцитов [14], образование пристеночных и окклюзирующих тромбов, сдавление капилляров в результате интерстициального отека [11]. Все вышеперечисленное приводит к нарушению кровотока в ткани опухоли вплоть до полного его прекращения и развитию некроза. В ряде исследований в качестве одного из механизмов ФДТ упоминается апоптоз, индуцированный фотоокислительным дистрессом в результате фотодинамического воздействия [6, 16, 23]. Показана роль апоптоза в гибели клеток при локализации фотосенсибилизаторов в митохондриях. Однако вопрос о месте апоптоза в механизме фотодинамической терапии остается открытым и требует дальнейшего исследования. Еще менее изученным остается вопрос влияния иммунной системы на ФДТ. Известно о снижении гуморального и клеточного иммунитета у больных со злокачественными новообразованиями [5]. Однако G. Canti и соавт. (2002) отметили повышение гуморального и клеточного иммунитета у онкологических больных при проведении фотодинамической терапии [7]. J. Nieva и соавт. (2004) 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 ФДТ [22].

Эффективность фотодинамического повреждения биологической ткани определяется, главным образом, уровнем накопления фотосенсибилизатора, его локализацией в клетке и фотохимической активностью. Флюоресцентные микроскопические исследования показали, что основными местами локализации фотосенсибилизаторов, относящихся к производным гематопорфирина, в опухолевой клетке являются ее мембранные стркутуры (плазматическая мембрана, мембраны митохондрий). Полностью не ясен механизм проникновения и селективного удерживания фотосенсибилизатора в опухолевых клетках. Имеющиеся данные позволяют предположить, что возможно проникновение фотосенсибилизатора в клетку как пассивным, диффузным путем, так и посредством рецепторноопосредованного механизма с помощью липопротеинов низкой плотности [28].

Туморотропность фотосенсибилизаторов определяется более длительной задержкой его опухолью и более быстрым выведением из окружающей нормальной ткани. Многие исследователи указывают, что селективность накопления фотосенсибилизатора в опухоли обусловлена свойствами самой опухолевой ткани, для которой характерно закисление межклеточной среды, аномальное строение ее кровеносных и лимфатических сосудов, их повышенная проницаемость и связывание красителя с сывороточными альбуминами. Другая причина высокой концентрации фотосенсибилизаторва в опухолевой ткани может быть связана с особенностями липидного обмена биомембран опухолевых клеток [12]. Cледует отметить, что практически все известные на сегодняшний день фотосенсибилизаторы, помимо способности к накоплению в злокачественных опухолях, обладают повышенной тропностью к тканям с высоким содержанием ретикулоэндотелиальных компонентов (кожа, печень, почки, селезенка и др.).

Фотосенсибилизаторы

В России экспериментальные исследования в области фотосенсибилизации проводились многие десятилетия, однако ФДТ опухолей стала развиваться только с 1992 года, когда была создана лекарственная форма первого отечественного фотосенсибилизатора Фотогем [2]. Все известные к сегодняшнему дню фотосенсибилизаторы можно разделить на две основные группы, представленные в таблице 1.

К препаратам первой группы относят Фотогем, Фотофрин, Фотосан, Аласенс. Они являются производными гематопорфиринов, разработаны в течение последних 10 лет, производятся из крови животных и разрешены к применению в клинической практике. Лечебный и диагностический эффекты у этих препаратов проявляются при взаимодействии со светом с длиной волны 630–635 нм. Излучение этих длин волн проникает в ткани на глубину до 2 мм, что существенным образом ограничивает возможность лечения опухолей более глубоких локализаций. Другими недостатками, ограничивающими клиническое применение этих средств, являются относительно низкий коэффициент накопления в опухолях (1:2) и наличие фототоксичности (в течение нескольких недель при попадании яркого света на кожу пациента возможны ожоги). Фототоксичность является следствием низкой скорости выведения препаратов из организма. Зарубежные аналоги этих препаратов очень дороги.

Новые препараты второй группы в качестве основного компонента содержат соединение с химическим названием Хлорин-е6. Препараты фотолон, фотодитазин и радахлорин наиболее перспективны при использовании однокурсовой или многокурсовой ФДТ, когда достижение эффекта возможно при однократном введении фотосенсибилизатора в сочетании с однократным курсом лазерного облучения. Повторные курсы ФДТ проводят либо для запланированного лечения опухолей, не подвергавшихся лечению при предыдущих курсах, либо для лечения рецидива опухоли в зоне ФДТ. При этом большая перспективность использования хлоринового ряда в данной ситуации обусловлена меньшим сроком соблюдения больным светового режима после их введения — в течение 4–5 дней в отличие от 3–4 недель для фотогема. К преимуществам фотогема можно отнести возможность проведения двух сеансов ФДТ при однократном введении препарата.

Таблица 1. Фотосенсибилизаторы

Отечественные Зарубежные аналоги Длина
волны, нм
Глубина
проникновения, мм
Название Разработчик Название Разработчик
Гематопорфирины
Фотогем МИТХТ им. Ломоносова, Россия Фотофрин
Фотосан
США
Германия
630
630
2
Аласенс НИОПИК, Россия Аласенс, ALA-PDT Германия 635
Хлорины
Фотолон Беларусь –  –  662 20 и более
Фотодитазин Россия ВЕТА-ГРАНД –  662 20 и более
Радахлорин Россия Радафарма –  662 20 и более

В ряде случаев длительное удержание фотосенсибилизатора в тканях, наряду с длительной кожной фототоксичностью, дает преимущества в лечении сложных групп больных. Фотосенс удерживается в опухолевой ткани на протяжении первых 5–7 дней в количестве не менее 30–35 % от исходного уровня максимальных значений. Данное обстоятельство позволило разработать методику пролонгированной ФДТ, суть которой заключается в однократном введении фотосенса с последующим лазерным облучении на протяжении 5–7 сеансов.

Особенностью препарата аласенс является возможность его применения, в зависимости от локализации, только для ФДТ предрака, преинвазивного рака и поверхностных форм рака, а также для проведения ФДТ в адьювантном режиме после хирургического лечения с высоким риском местного рецидивирования. При этом стандартным является выполнение многокурсовой ФДТ с местным применением аласенса. Повторные курсы ФДТ проводят с интервалом в 7–10 дней.

В последнее время появились фотосенсибилизаторы, которые по своим свойствам и критериям относят к третьему поколению (например, бактериохлорофиллид-серин, Израиль) [2].

К настоящему времени для ФДТ на основе указанных препаратов создана отечественная лазерная диагностическая и терапевтическая аппаратура, разработаны методики проведения ФДТ.

ФДТ можно применять для лечения опухолей практически всех основных локализаций как самостоятельный метод, так и в сочетании с традиционными видами лечения (хирургическое, лучевая и химиотерапия). Указанные варианты сочетанной и комбинированной терапии направлены на улучшение результатов радикального и паллиативного лечения. В зависимости от стадии, характера и формы роста опухоли для повышения эффективности ФДТ разработаны различные варианты лазерного облучения: однои многопозиционное, инвазивное и неинвазивное внутритканевое и другие.

Список литературы

1. Красновский А. А. Фотодинамическое действие и синглетный кислород // Биофизика. 2004. Т. 49. № 2. С. 305–321.

2. Салмин Р.  М. Основные направления фотодинамической терапии в медицине // Новости хирургии. 2008. № 3. С. 155–162.

3. Странадко Е. Ф. Исторический очерк развития фотодинамической терапии // Лазер. мед. 2002. Т. 6. Вып. 1. С. 4–8.

4. Толстых П. И., Клебанов Г. И., Шехтер А. Б. и др. Антиоксиданты и лазерное излучение в терапии ран и трофических язв. М.: ЭКО, 2002. С. 13.

5. Якубовская Р. И.,  Немцова Е. Р. и др. Влияние фотодинамической терапии на состояние иммунной системы и антиоксидантного статуса у oнкологических больных // Рос. онкол. журн. 1997. № 2. С. 27–32.

6. Agarwal R.,  Korman N. J.,  Mohan R. R. et al. Apoptosis is an early event during phthalocyanine photodynamic therapy-induced ablation of chemically induced squamous papillomas in mouse skin // J. Photochem Photobiol. 1996. Vol. 63. N 4. P. 547–552.

7. Canti G.,  De  Simone A.,  Korbelik M. Photodynamic therapy and the immune system in experimental oncology // J. Photochem. Photobiol. 2002. Vol. 1. P. 79–80.

8. Courtice F. C. Lymph flow in the lunge // Brit. Med. Bull. 1963. Vol. 19. P. 76–79.

9. Dougherty T. J.,  Kaufman J. E.,  Goldfarb A. et al. Photoradiation therapy for the treatment of malignant tumors // Cancer Res. 1978. Vol. 38. P. 2628–2635.

10. Figge F. H. J.,  Weiland G. S.,  Manganiello L. O. Cancer detectionand therapy: affinity of neoplastic, embryonic, and traumatized tissues for porphyrins and metalloporphyrins // Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 1948. Vol. 68. P. 181–188.

11. Fingar V. H., Wieman T. J., Doak K. W. Role of thromboxane and prostacyclin release on photodynamic therapy induced tumor destruction // Cancer Res. 1990. — Vol. 50. P. 2599–2603.

12. Freitas I. Lipid accumulation: the common feature to photosensitizer-retaining normal and malignant tissues [news] // J. Photochem. Photobiol. B. 1990. Vol. 7. P. 359–361.

13. Gough M. J.,  Melcher A. A.,  Ahmed A. et al. Macrophages orchestrate the immune response to tumor cell death // Cancer Res. 2001. Vol. 61. P. 7240–7247.

14. Henderson B. W., Fingar V. H. Relationship of tumor hypoxia and response to photodynamic treatment in an experimental mouse tumor // Cancer Res. 1987. Vol. 47. P. 3110–3114.

15. Kelly J. F., Snell M. E. Hematoporphyrin derivative: a possible aid in the diagnosis and therapy of carcinoma of the bladder // J. Urol. 1976. Vol. 115. P. 150–151.

16. Kerr J. F.,  Wyllie A. H.,  Currie A. R. Apoptosis: a basic biological phenomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics // Brit. J. Cancer. 1972. Vol. 26. P. 239–257.

17. Lipson R. L., Baldes E. J., Olsen A. V. The use of a derivative hematoporhirin in tumor detection // J. Natl. Cancer Inst. 1961. Vol. 26. P. 1–8.

18. McCaughan Jr. J. S. Photodynamic therapy // Drugs and Aging. 1999. Vol. 15(1). P. 49–68.

19. Moan J.,  Pettersen E. O.,  Christensen T. The mechanism of photodynamic inactivation of human cells in vitro in the presence of haematoporphyrin // Brit. J. Cancer. 1979. Vol. 39. P. 398–407. 20. Moan J., Christensen T. Cellular uptake and photodynamic effect of hematoporphyrin // J. Photobiochem. Photobiophys. 1981. Vol. 2. P. 291–299.

21. Moan J., McGhie J., Jacobsen P. B. Photodynamic effects on cells in vitro exposed to hematoporphyrin derivative and light // J. Photochem. Photobiol. 1983. Vol. 37. P. 599–04.

22. Nieva J., Wentworth P. Jr. The antibody-catalyzed water oxidation pathway — a new chemical arm to immune defense? // Trends. Biochem. Sci. 2004. Vol. 29, N 5. P. 274–278.

23. Oleinick N. L., Morris L., Varnes M. E. The peripheral benzodiazepine photosensitizer Pc4 // J. Photochem. and Photobiol. 2002. Vol.75(6). P. 652–661. 24. Policard A. Etudes sur les aspects offerts par des tumeur experimentales examinee a la lumiere de woods // CR Soc Biol. 1924. Vol. 9. P.1423–1428.

25. Raab O. Über die Wirkung fluorescierender Stoffe auf Infusorien // Biol. 1900. Vol. 39. P. 524–529. 26. Reiter I., Krammer B., Schwamberger G. Gutting edge: differential effect of apoptotic versus necrotic tumor cell on macrophage anti tumor activies // J. Immunol. 1999. Vol. 163. P.1730–1732.

27. Schwartz S., Absolon K., Vermund H. Some relationships of porfyrins, X-rays and tumors // Univ. Minnesota Med. Bul. 1955. Vol. 71. P. 727–732.

28. Siegel K. A., Fingar V. M., Wieman T. J. Mechanisms of tumor destruction using photofrin, HPPH and N Peb // Photochem. and Photobiol. 1993. Vol. 57. P. 20

29. Specht K. G.,  Rodgers M. A. Depolarization of mouse myeloma cell membranes during photodynamic action // J. Photochem. Photobiol. 1990. Vol. 51. P. 319–324.

30. Tappeiner H., Jesionek A. Therapeutische Versuche mit fluoresziernder Stoffen // Munch. Med. Wochenschr. 1903. Vol. 50. P. 2042.

31. Taylor A. E., Gibson W., Granger H. J., Guyton A. C. Review in lymphology. The Intraction between Intracapillary and Tissue Forces in the Overall Regulation of Interstitial Fluid Volume // Lymhologe. 1973. Vol. 6. P. 192–208.

Photodynamic therapy (pdt): the main principles and mechanism of action

Slesarevskaya M. N., Sokolov A.V.

Summary. The effect of photodynamic therapy is based on local activation of the photosensitizer in the tissue by the infrared radiation that leads to photochemical reaction and tumor cells destruction. The clinical experience of using PDT demonstrates it’s efficacy. However, despite of 40-years history of this method, not all its benefits are researched.

Key words: photodynamic therapy; photosensivity.

Комментарии