You are currently viewing Фотосенсибилизаторы, используемые для диагностики и терапии рака фотодинамическим методом

Оксана Жосан, гинеколог-онколог. Редактор А. Герасимова

Врач гинеколог-онколог. Руководитель сети Университетских клиник. Эксперт по патологиям вульвы и шейки матки, ведущий консультирующий врач в Центре патологии шейки матки в Санкт-Петербурге. Стаж 20+ лет. Принимает в Университетской клинике. Стоимость приема 3000 руб.
  • Reading time:15 минут чтения

Фотодинамический метод диагностики и лечения опухолей — один из новейших методов с использованием фотосенсибилизаторов, избирательно удерживающихся в тканях опухоли.

Методика обладает высокой эффективностью и минимальным количеством побочных эффектов. Также ФДТ практически не дает осложнений.

Суть фотодинамического метода

Метод фотодинамической терапии основан на способности некоторых лекарств – фотосенсибилизаторов накапливаться и задерживаться в ткани раковых опухолей. Благодаря этому ФДТ может одновременно использоваться в диагностических и терапевтических целях.

  • Диагностика. Ткань, содержащая сенсибилизатор, облучается лазером, испускающим свет с определенной длиной волны. В ответ в сенсибилизированных клетках протекают фотохимические реакции. Датчик фиксирует специфическое свечение, указывающее на форму и размер опухоли. Этот эффект используется для диагностики злокачественных опухолей. 
  • Лечение. Терапевтический эффект ФДТ обусловлен образованием цитотоксических агентов (синглетного кислорода или свободных радикалов) при облучении фотосенсибилизаторов и их реакцией с растворенным в тканях кислородом. Агенты избирательно, не затрагивая здоровые клетки, уничтожают и разрушают опухолевые ткани.
Этапы фотодинамической терапии
Этапы фотодинамической терапии

Диагностическая ФДТ

Диагностика методом ФДТ подразумевает проведение флуоресцентной диагностики и спектроскопии.

  • Флуоресцентная диагностика. Это реакция на повышенные концентрации эндогенных порфиринов, их производных и других экзогенных фотоактивных веществ, флюоресцирующих при облучении, в раковых тканях.
  • Спектроскопия. Спектроанализаторы определяют и фиксируют уровень флюоресценции в определенных точках. Это позволяет измерить концентрацию ФС в тканях и определить распространенность злокачественной опухоли.

Лечебная ФДТ

ФДТ при лечении рака дает активный противоопухолевый эффект за счет комбинации трех факторов: фотоповреждения клеток опухоли, разрушения сосудов, питающих злокачественное образование и активации иммунитета.

При этом, в отличие от многих методов лечения, фотодинамическое облучение разрушает только клеточные элементы, не затрагивая коллагеновые волокна клеток. Благодаря этому ткани заживают без рубцевания, что дает хороший косметический результат и обеспечивает сохранение функций. Благодаря этому ФДТ можно применять при лечении опухолей на лице, во рту и на слизистой половых органов.

Процедура ФДТ
Процедура ФДТ

Огромный плюс фотодинамической терапии — возможность применения, как самостоятельно, так и в комплексе с другими методиками лечения рака — облучением, хирургическим лечением, электро- и химиотерапией.

Требования к фотосенсибилизаторам для ФДТ

Фотосенсибилизаторы — это специальные вещества, легко активирующиеся под воздействием света с соответствующей длиной волны. Именно ФС являются основой ФДТ и обеспечивают безопасность и эффективность диагностики и лечения.  

Фотосенсибилизаторы должны соответствовать нескольким условиям:

  • Возможность избирательного накопления и сохранения в раковой ткани не менее нескольких десятков часов (до 150 часов);
  • Отсутствие вредного фототоксического влияния (цитотоксичность, мутагенность) на здоровые ткани;
  • Участки поглощения фотосенсибилизатора (наиболее интенсивные полосы поглощения в «окнах» ткани) в инфракрасной области не должны совпадать с зонами поглощения эндогенных красителей, таких как меланин, гемоглобин, оксигемоглобин;
  • Высокая эффективность синглетного кислорода или радикальных окислительных форм в реакции со светом, что гарантирует высокую цитотоксичность для раковых клеток;
  • Наименьшее количество побочных эффектов.
Механизм повреждения биомембран при перекисном окислении липидов
Механизм повреждения биомембран при перекисном окислении липидов

Требования к препаратам, используемым в качестве фотосенсибилизаторов, высоки, и трудно найти те, которые соответствовали бы всем критериям одновременно. Чтобы выбрать лучшие, учеными были протестированы сотни известных и вновь синтезированных красителей и лекарств с фотосенсибилизирующими свойствами. 

Например, одобрение FDA (Управления по контролю за продуктами и лекарствами) в США, Японии и Канаде ещё в 90-х годах получил димер гематопорфирина DHE (дигематопорфиринового эфира), известный в Европе под торговым названием Photofhrin II (Порфимер натрия, Фототрин). Препарат до сих пор используется в клинической практике в различных странах.

В России один из липосомальных препаратов с противоопухолевой активностью создан на основе тетра-3-фенилтиофталоцианина гидроксиалюминия. Липофталоциан обладает широким спектром противоопухолевой активности против рака поверхностной локализации (слизистые оболочки, кожа).

В настоящее время при ФДТ используется более десятка ФС, каждый из которых обладает особыми свойствами и применяется для лечения различных видов опухолей. 

Классификация и свойства фотосенсибилизаторов, применяемых для фотодинамической терапии

Фотосенсибилизирующие и, следовательно, цитотоксические свойства ФС зависят от их химической структуры, физико-химических свойств, а также от способности проникать в раковые ткани и удерживаться в них. Из-за различной морфометрической структуры тканей при различных видах рака (объем соединительной ткани, эндогенного некроза, сосудистой сети опухоли) трудно представить, что один препарат был бы одинаково эффективен при различных типах рака.

Испытанные к настоящему времени фотосенсибилизаторы по их физико-химическим свойствам можно разделить на множество групп в зависимости от ведущих параметров.

Основная классификация связана с растворимостью в воде или жире:

  • Гидрофобные фотосенсибилизаторы в первую очередь взаимодействуют с липидами. Являясь липофильными они накапливаются в липидных частях клетки;
  • Гидрофильные фотосенсибилизаторы водорастворимы. Они накапливаются в водной части клетки. Гидрофильные фотосенсибилизаторы по своей химической структуре можно разделить на:
    • катионные, которые при растворении в воде образуют фотосенсибилизирующий агент, который представляет собой положительный ион;
    • анионные, образующие в водном растворе ион, наделенный одним или несколькими отрицательными зарядами.
  • Амфифильные фотосенсибилизаторы. Они имеют наибольшее клиническое значение из-за возможности фиксации как в липидной, так и в водной сферах клетки. 

Амфифильные препараты содержат в своей структуре гидрофобный и гидрофильный фрагмент, могут взаимодействовать с липидными депо и с гидратированными клеточными фрагментами. Такие ФС включают, прежде всего, производные порфирина, имеющие различные боковые цепи, распределенные асимметрично вокруг макроциклического кольца. 

Фрагмент молекулы порфирина — макрокольцо порфирина, проявляет гидрофобные свойства, а боковые элементы, имеющие полярные группы, проявляют гидрофильные свойства.

Молекула порфирина
Молекула порфирина

Наиболее важные фотосенсибилизаторы (европейские данные) представлены в таблице 1.

Таблица 1. Спектроскопические свойства наиболее часто используемых фотосенсибилизаторов

НазваниеМаксимальные полосы

поглощения [нм]

Максимальные полосы

свечения [нм]

БПД-МА бензопорфирин688700
Моно аспартил хлорин NPE 6660670
Метатетра (гидроксифенил) хлор420

519

555

599

650

652
Этиопурпурин олова SnET2442

660

670
ZnPC цинк фталоцианин350

670

675
Производное дианина из PP (Ala) 2 протопорфирин400

500

530

630

615

675

Порфириновые фотосенсибилизаторы

Наиболее изученная группа фотосенсибилизаторов для ФДТ — производные крови — гем, то есть порфириновые препараты. В зависимости от модификации порфиринового кольца и других элементов производные порфирина встречаются во всех трех классах фотосенсибилизаторов: гидрофобных, гидрофильных и амфифильных.

Фототоксические свойства эндогенных порфиринов известны давно. Интерес к порфирии и первые попытки борьбы с этим загадочным заболеванием заставили исследователей проявить усиленный интерес к этим веществам. В настоящее время различные производные порфирина используются в качестве фотосенсибилизаторов при разрушении раковых клеток, атеросклеротических бляшек и даже в противовирусной терапии.

Большинство производных порфиринов как in vitro, так и in vivo работают связываясь со структурами мембран, цитоплазмы, митохондрий, эндоплазматического ретикулума и даже клеточных ядер. Объем повреждений, после активации порфирина светом, зависит от структуры этих соединений.

Примеры:

  • Протопорфирин (ПП) относится к гидрофобным соединениям и обладает сродством с липидами, что дает эффект быстрого прикрепления к мембранам. 
  • Производное – уропорфирин — гидрофильное, и обладает сродством к водному компоненту клетки, вызывая повреждение цитоплазматических ферментов. 

Поскольку время жизни синглетного кислорода в органических растворителях и мицеллах намного больше (20-25 секунд), чем в водных растворах (3-4 секунды), представляется, что гидрофобные фотосенсибилизаторы будут клинически более эффективными, чем гидрофильные фотосенсибилизаторы.

Все порфириновые вещества, применяемые в фотодинамической терапии, имеют тенденцию к большей или меньшей агрегации, что влияет на их цитостатические свойства. Многочисленные исследования показали, что способность продуцировать высокоокислительные цитотоксические среды (синглетный кислород, свободные радикалы) уменьшается с ростом агрегации, потому что эффективно продуцировать синглетный кислород могут только мономеры.

Эффективность фотодинамического процесса также зависит от расположения ФС в клеточных органеллах. Пигмент работает наиболее эффективно, если он прикреплен непосредственно к клеточной мембране или к органеллу опухолевой клетки. Это связано с коротким путем диффузии синглетного кислорода в биологическом материале (0,1 мкм).

Реализация фотодинамических эффектов на молекулярном уровне
Реализация фотодинамических эффектов на молекулярном уровне

Расположение ФС в клетке зависит от:

  • физико-химических свойств фотосенсибилизатора;
  • условий среды в опухолевой ткани (рН внутри клетки);
  • природы носителя (если фотосенсибилизатор гидрофобный, носителем является жировая эмульсия, искусственные липосомы или комплексы ЛПНП);
  • времени инкубации.

Каждый из этих факторов в отдельности и все вместе влияет на производительность процесса фотодинамической терапии. Исследования показали, что боковые группы (порфирины) в тетрапроловом кольце играют важную роль в транспорте ФС в клетку. Замена гидрофильных и гидроксиэтильных элементов атомами водорода увеличивает сродство к дейтеропорфириновым мембранам относительно гематопорфирина в 30 раз.

Таким образом, липофильная природа фотосенсибилизатора тесно связана с его способностью диффундировать в липофильные структуры клетки и субклеточные мембраны.

Интересно, что порфириновые дианионы с диссоциированными карбоксильными группами в остатках пропионовой кислоты были также обнаружены в липидных структурах клеточных мембран. Эти порфириновые дианионы характеризуются асимметричным распределением заряда. Их гидрофобная часть (тетрапроловое кольцо) расположена в липидной части мембраны, а ионные цепи — около полярных «головок» двойного слоя в мембранах. Большинство исследований проводилось при физиологическом pH, при котором карбоксильные группы частично ионизованы.

Исследования также проводились при более низких значениях рН, поскольку рН многих злокачественных опухолей часто явно ниже, чем у здоровых тканей. Более низкий локальный рН может быть важным фактором, влияющим на предпочтительную абсорбцию дианионных производных порфирина. 

После проникновения внутрь клетки при рН ~ 6,9, порфириновые соединения существуют в форме моно- и дианионов, которые блокируют выход из клетки через мембраны. Тонкие различия в pH межклеточной и внутриклеточной жидкости влияют на изменение динамического баланса между диссоциированной и недиссоциированной форм:

-H +-H +
P (H 2 )

PH –

П -2

Дианионные порфирины не должны находиться в митохондриях и в эндоплазматической сети из-за высокого отрицательного потенциала органелл этих мембран. Однако многие ученые сообщают о высоких уровнях дианионных порфиринов в этих частях клетки. Было показано, что митохондрии лучше всего накапливаются в производных протопорфирина IX, который является предшественником красного пигмента крови – гема и транспорт которого зависит от потенциала трансмембранного иона калия и энергии метаболизма.

Некоторые ученые считают, что облегченное накопление порфиринов в раковых клетках может быть связано с уменьшением микровязкости в мембранах этих клеток.

Было отмечено, что только фотосенсибилизаторы, встроенные в мембрану, могут вызывать цитотоксичность, возможно, потому, что синглетный кислород, образующийся вне мембраны, имеет слишком длинный путь диффузии и не достигнет клетки в течение ее жизненного цикла. Это также связано с тем, что во внеклеточной среде существует множество соединений, которые являются «гасителями» синглетного кислорода.

Таким образом, одной из наиболее важных особенностей, демонстрирующих хорошие фототоксические свойства, является способность проходить через клеточную мембрану и принимать правильное расположение в органеллах. Возможность транспортировки пигмента через мембрану зависит от его вида. In vivo фотосенсибилизаторы порфиринов могут мигрировать в цитоплазматические структуры и в ядерную мембрану.

Диаминокислотные производные протопорфирина PP (dAA) 2 Arg 2 – новый класс амфифильных фотосенсибилизаторов

Многочисленные исследования различных пигментов показывают, что наиболее полезными свойствами в качестве фотосенсибилизаторов должны обладать амфифильные пигменты. Они имеют в своей структуре липофильные включения и, как правило, боковые цепи с гидрофильными свойствами. 

Амфифильные соединения хорошо накапливаются в раковых клетках, благодаря двойной связи – часть молекулы связана с липидными структурами клетки, а боковые заместители – с водными частями клетки.

Многие ученые занимаются разработкой амфифильных фотосенсибилизаторов с оптимальными свойствами уже несколько десятилетий. Например, в Военном технологическом университете в Варшаве (лаборатория института оптоэлектроники), была разработана технология получения и очистки нового класса амфифильных фотосенсибилизаторов — производных ди-аминокислотных протопорфирина PP (DAA) 2 . Эти соединения были получены из эритроцитарной массы.

Специалисты с помощью химической обработки — отщепления глобулина от гем в гемоглобине — выделяли хемин. Следующим этапом синтеза было удаление железа из порфиринового кольца. После получения свободного лиганда – протопорфирина к нему вместо виниловых мостиков были присоединены две молекулы аминокислот. Таким способом было получено 23 производных протопорфирина РР (dAA) 2 из диаминокислот.

PP (dAA) 2 обладает липофильными свойствами и лишь незначительно растворяется в воде. Для получения водорастворимых соединений две карбоксильные группы (боковые заместители порфиринового кольца в протопорфирине) были засолены аргинином с образованием ионных соединений. 

PP (dAA) 2 Arg 2 представляют собой соединения, которые хорошо растворимы в воде, но в то же время хорошо проходят через клеточные мембраны различных клеточных линий. При разработке синтеза этих комплексов можно было надеяться, что присоединение аминокислотных заместителей к порфириновому кольцу повысит эффективность взаимодействия с рецепторами мембран опухолевых клеток, что должно способствовать облегчению проникновения этих соединений в клетки. 

Предполагая, что разные раковые клетки имеют разную химическую структуру рецепторов, для каждого типа рака можно выбрать наиболее эффективное производное из группы PP (dAA) 2 Arg 2 и, таким образом, повысить эффективность разрушения раковых клеток .

Исследования, проведенные на клеточных линиях, подтвердили правильность этой концепции, и результаты, полученные для некоторых производных, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Количество мертвых клеток, выраженное в (%), различных опухолевых линий, обработанных фотосенсибилизаторами из группы производных диаминокислоты протопорфирина PP (dAA) 2 Arg 2 и света 400 нм; E = 150 Дж / см 2.

Клеточные линии
ОтношенияТ-47DХелаОН р -2KBHBT-

39 Вт

GRMT

/ F6

M 4 5M

TC / c 1

L1MCFДЭТАMew-132BT5cNB 2 аSoT
HpDArg 2758285100100678360919828,399,399,899,7
PP (Ala) 2 Arg 275959788891008899,510099,59999,880,688,2
ПП (сыр) 2 Арг 281857510078886310098,595,69982,581,495,2
PP (Phe) 2 Arg 2158979100895099,598,897,197
PP (Met) 2 Arg 2909510095927592
PP (Asp) 2 Arg 23562538452753055,19910079
T-47D — клетки

Hela — клетки рака шейки матки

He p -2 — клетки рака гортани

KB — клетки рака полости рта

HBT-39w — рак молочной железы

GRMT / F 6 — рак молочной железы штамма GR

M 4 5MTC / c 1 — рак молочной железы мыши C3H

L1 — саркома легкого

MCF — рак молочной железы

DETA — рак толстой кишки

Mew-132 — меланома

BT5c — глиобластома (клетки крысы)

NB 2 a – незрелый

невротический SoT — рак эпителиальных клеток мочевого пузыря

Исследования рака молочной железы С3Н и саркомы легких у мышей BalbC подтвердили результаты in vitro для клеточных линий. С 1996 года проводились клинические испытания I фазы с использованием PP (AA) 2 Arg 2 при лечении первичного и метастатического рака кожи, легких, гортани и некоторых гинекологических заболеваний. 

Клинические исследования подтвердили нетоксичность этих соединений для организма человека, хорошую задержку в раковых тканях и быстрое выведение из здоровой кожи.

Положительные клинические эффекты были получены при интратекальном введении и в более обширных изменениях при внутривенном введении, смеси трех производных: PP (Ala) 2 Arg 2 , PP (Ser) 2 Arg 2 и PP (FAla) 2 Arg 2 в соотношении 1: 1: 2.

Фталоцианиновые фотосенсибилизаторы

Помимо фотосенсибилизаторов, которые являются производными порфиринов, вторая наиболее изученная группа пигментов — другие родственники порфиринов – фталоцианин (Pc) и нафтоцианин (Npc) и их производные. Есть много работ, посвященных фтало- и нафтоцианинам Zn, Al, Ga, Si и даже Sn.

Поскольку все эти соединения нерастворимы в воде, большинство исследований касается как сульфо-производных Pc, так и Npc. Каждая молекула Pc имеет четыре фенильных кольца, а Npc имеет четыре нафтильных кольца, к которым легко могут быть присоединены SO3H-сульфоновые группы с образованием более или менее гидрофильных соединений в зависимости от количества этих групп. 

Изучая моно-, ди-, три- и тетрасульфо-Pc или Npc, можно проследить связь между степенью гидрофильности и расположением фотосенсибилизатора в различных внутриклеточных органеллах. Например, несульфированный гидрофобный Pc или Npc был включен в лизосомы для увеличения абсорбции этих фотосенсибилизаторов эндоцитозом. 

В исследованиях в пробирке для нескольких NPc были продемонстрированы лучшие фотосенсибилизирующие свойства, чем для HpD и фотофрина II. В случае сульфированных производных Pc и Npc степень сульфирования влияет на их фотосенсибилизирующие свойства. Оба раствора Pc и Npc, такие как порфирины, агрегируют. Склонность к агрегации уменьшается с увеличением гидрофильности, что связано с количеством сульфоновых групп.

Исследования клеточных линий показали, что, несмотря на агрегацию Ga, Zn, Al моно- и дисульфофталоцианины являются гораздо более эффективными фотосенсибилизаторами, чем три- и тетрасульфонированные производные.

Флуоресцентные микроскопические исследования показали, что после 24 часов инкубации в среде, содержащей низко сульфированный альбумин Pc, в цитоплазме возникает однородная флуоресцентная картина. 

Кроме того, было отмечено, что моно- и дисульфофталоцианины цинка или алюминия (ZnPcS 2 , AlPcS 2 ) имеют более высокую фотодинамическую эффективность реакции, чем их три- и тетрасульфонированные производные (ZnPcS 4 и AlPcS 4 ). 

Использование более высоких энергетических доз, например порядка 135 Дж /см 2, позволило наблюдать эффект фотообесцвечивания ZnPc; тогда как AlPcS 4 во время перемещения был перемещен, и его интенсивность флуоресценции сначала увеличивалась, а затем уменьшалась. 

В зависимости от количества групп SO 3 H- Производные Pc и NPc более или менее гидрофильны и могут поглощаться различными механизмами. Производные PcS 3 и PcS являются гидрофильными, поэтому они поглощаются главным образом по механизму пиноцитоза, а затем накапливаются в больших количествах в различных органеллах (однако во время ФДТ они могут перемещаться). 

Подобные явления наблюдались также для тетрасульфо-тетрафенилпорфиринов (TPPS 4). На перемещение пигмента внутри клетки во время облучения влияют несколько факторов, в первую очередь физиологическое состояние клетки, а также использование большой дозы энергии в одном излучении. Следует отметить, что перемещение красителей наблюдалось только в пролиферирующих клетках, тогда как в покоящихся клетках оно не было обнаружено. 

Такое смещение ФС часто связано со смещением полосы поглощения в направлении длинных волн на 10-15 нм. Это наблюдение важно, потому что при использовании монохроматических источников света (лазеров) можно выйти за пределы области их излучения. Ламповые источники не имеют таких ограничений. 

Гидрофильные фотосенсибилизаторы всасываются по механизму пиноцитоза, а гидрофобные по механизму эндоцитоза, чаще всего в комплексах с ЛПНП. В клетках с высокой митотической активностью, показывающих пониженный рН, лизосомы могут действовать как ловушка для пигментов, находящихся в них. Это в основном относится к слабым основным ФС, таким как метиленовый синий, 4-N-метил-пидолопорфирин4 MP 4 Р) или анионные красители, такие как TPPS 4. 

Из-за протонирования этих веществ градиент их концентрации в лизосомах увеличивается. Поскольку рН лизосом порядка 5 (и, следовательно, повышенная концентрация протонов), все пигменты проторецепторов – и, следовательно, анионные – будут локализоваться в них. Напротив, незаряженные ПС будут накапливаться в нейтральной среде цитоплазмы. 

Перераспределение фотосенсибилизаторов связано с их высвобождением из лизосом в цитоплазму. Особенности перераспределения были обнаружены только в быстрорастущих клетках, и не были обнаружены в клетках в ранней стационарной фазе. 

Движение фотосенсибилизаторов между внутриклеточными органеллами всегда сопровождается сдвигами в спектрах поглощения, возбуждения и флуоресценции и даже 2,5-кратным увеличением интенсивности люминесценции. Отток фотосенсибилизаторов из этих органелл вызывает их смещение в ядро ​​клетки, которое может быть повреждено. 

В то же время литические ферменты высвобождаются в цитоплазму из поврежденных лизосом, и также могут участвовать в разрушении клеток. Утечка лизосомальных мембран приводит к выбросу в цитоплазму живых кислотных гидролаз. Это происходит сразу после воздействия. Высвобождение гидролаз в основном наблюдалось в клетках с пиноцитотической активностью. 

Фталоцианиновый и нафталоцианиновый фотосенсибилизаторы, однако, дают длительную сенсибилизацию кожи свету и могут проявлять гепатотоксичность, что является серьезным ограничением при их широкомасштабном использовании. который также может быть вовлечен в разрушение клеток. 

Утечка лизосомальных мембран приводит к выбросу в цитоплазму живых кислотных гидролаз. Это происходит сразу после воздействия. Высвобождение гидролаз в основном наблюдалось в клетках с пиноцитотической активностью. Фталоцианиновый и нафталоцианиновый фотосенсибилизаторы, однако, дают длительную сенсибилизацию кожи и могут проявлять гепатотоксичность, что является серьезным ограничением при их широкомасштабном использовании. 

Утечка лизосомальных мембран приводит к выбросу в цитоплазму живых кислотных гидролаз. Это происходит сразу после воздействия. Высвобождение гидролаз в основном наблюдалось в клетках с пиноцитотической активностью. Фталоцианиновый и нафталоцианиновый фотосенсибилизаторы, однако, дают длительную сенсибилизацию кожи свету и могут проявлять гепатотоксичность, что является серьезным ограничением при их широкомасштабном использовании.

5-аминолевулиновая кислота как предшественник порфириновых фотосенсибилизаторов

Эффект сенсибилизации кожи и других тканей может наблюдаться не только после введения фотосенсибилизатора, но также в результате нарушения синтеза эндогенных порфириновых пигментов. 

Порфирины являются единственными полностью синтезированными фотосенсибилизаторами, и нарушения в их синтезе могут привести к накоплению в тканях различных светочувствительных соединений, образующихся при синтезе гема и других гемопротеинов. 

Это явление можно наблюдать у разных видов порфирий. Это группа заболеваний, при которых из-за нарушения нормального синтеза гема в тканях происходит чрезмерное накопление различных производных порфиринов. Это обычно вызывает острую или хроническую светочувствительность.

Биологическая роль циклических тетрапиролов и их металлических комплексов связана с их способностью опосредовать реакции биологического окисления. Хелатируя внутри порфиринового кольца, переходные металлы (металлопорфирины), которые могут изменять свою валентность, могут контролировать электронные переходы и повышать эффективность реакций. По этим причинам существует мнение, что порфирины сыграли важную роль в создании жизни на Земле, что может быть подтверждено тем фактом, что они были найдены в ископаемых и докембрийских породах.

Хотя порфирины продуцируются во всех клетках млекопитающих, их основной синтез происходит в костном мозге и печени. Синтез Hem состоит из восьми ферментативно контролируемых стадий, первая и последние три из которых происходят в митохондриях, и промежуточные четыре в цитозоле.

Идея метода ФДТ с использованием ALA

ALA (ALAS) — синтезированная 5-аминолевулиновая кислота (ALA). Эта реакция требует участия пиридоксальфосфата в качестве кофактора. Это стадия, ограничивающая скорость биосинтеза гема, контролируемая в обратной связи с внутриклеточным гемовым ресурсом. 

Синтез ALA происходит в митохондриях. Затем кислота активно транспортируется в цитоплазму. В цитоплазме две молекулы ALA конденсируются и циклизуются под воздействием ALA-дегидратазы (ALAD), образуя первый и единственный физиологический монопиррол – порфобилиноген (PBG). 

Четыре молекулы PBG конденсируются под воздействием деаминазы PBDG («голова к хвосту»), образуя линейный тетрапирол – гидроксиметилмобилан. Вещество, в свою очередь, изомеризуется и циклизуется под воздействием уропорфириногена III, урогена III S или изомеразы (часть сложной системы, известной как PBGase). При отсутствии или слабой активности изомеразы гидроксиметилмобилан может самопроизвольно циклизоваться с образованием урогена I, который не является биологически активным и может накапливаться в тканях при патологических условиях. 

Последний ц