Университетская клиника

Официальный сайт

многоканальный

+7 (812) 337-2-007

Для экстренных ситуаций

+7 (812) 337-20-24

Университетская клиника

Официальный сайт

многоканальный

+7 (812) 337-2-007

Фотосенсибилизаторы, используемые для диагностики и терапии рака фотодинамическим методом
Терапия рака фотодинамическим методом

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

Название Максимальные полосы

поглощения [нм]

Максимальные полосы

свечения [нм]

БПД-МА бензопорфирин 688 700
Моно аспартил хлорин NPE 6 660 670
Метатетра (гидроксифенил) хлор 420

519

555

599

650

652
Этиопурпурин олова SnET2 442

660

670
ZnPC цинк фталоцианин 350

670

675
Производное дианина из PP (Ala) 2 протопорфирин 400

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
Отношения Т-47D Хела ОН р -2 KB HBT-

39 Вт

GRMT

/ F6

M 4 5M

TC / c 1

L1 MCF ДЭТА Mew-132 BT5c NB 2 а SoT
HpDArg 2 75 82 85 100 100 67 83 60 91 98 28,3 99,3 99,8 99,7
PP (Ala) 2 Arg 2 75 95 97 88 89 100 88 99,5 100 99,5 99 99,8 80,6 88,2
ПП (сыр) 2 Арг 2 81 85 75 100 78 88 63 100 98,5 95,6 99 82,5 81,4 95,2
PP (Phe) 2 Arg 2 15 89 79 100 89 50 99,5 98,8 97,1 97
PP (Met) 2 Arg 2 90 95 100 95 92 75 92
PP (Asp) 2 Arg 2 35 62 53 84 52 75 30 55,1 99 100 79
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 цитозольный фермент, декарбоксилаза урогена (уро-I), выполняет стадию декарбоксилирования ацетатных групп боковых цепей урогена III (и I) до метильных групп, что дает соответствующие переходные соединения с семью, шестью, пятью и, наконец, четырьмя карбоксильными группами, известными как копропорфириноген (koprogen). 

Следующие реакции снова происходят в митохондриях, где копропорфириногеноксидаза (CPGase) катализирует окислительное декарбоксилирование двух из четырех боковых цепей в положениях 2 и 4 пиррольного кольца копрогена III до винильных групп, давая протопорфириноген IX (протоген IX). 

Завершающей стадией синтеза гема является введение иона железа Fe +2 внутрь кольца протопорфирина IX, причем эта стадия катализируется ферментной матрицей (митохондриальной матрицей) – феррохелатазой. Комплекс Fe +2 и протопорфирина IX (PPIX), связанный с различными белками, образует различные биологически активные соединения, такие как гемоглобин, миоглобин, цитохромы, каталаза, пероксидаза, триптофан пиролаза. 

Жизнь клеток и тела в значительной степени зависит от синтеза и метаболизма порфириновых соединений. Почти все клетки млекопитающих, кроме зрелых эритроцитов, обладают способностью синтезировать гем.

При добавлении экзогенного ALA протопорфирин IX может накапливаться в клетках из-за превышения эффективности феррохелатазы. В раковых опухолях активность феррохелатазы снижена по сравнению со здоровыми тканями, поэтому PPIX накапливается в раковых тканях с определенной дозой селективности.

Поскольку PPIX известен как хороший фотосенсибилизатор, было решено использовать этот эффект в фотодинамическом методе диагностики и терапии рака.

В 1987 году Малик и Лугаччи первыми получили фотосенсибилизацию опухолей путем введения экзогенной ALA. Максимальная концентрация PPIX достигается через 1-6 часов после приема ALA. 

В 1990 году Кеннеди и Поттье впервые использовали ФДТ на основе введения экзогенной АЛК у людей. ALA часто используется для лечения раковых заболеваний кожи, таких как базальноклеточный рак (BCCs), плоскоклеточный рак (SCCs), а также для диагностики рака мочевого пузыря, желудочно-кишечного тракта и легких. 

ALA обладает гидрофильными свойствами и не может легко проходить через неповрежденную кожу и через клеточные мембраны. Его высокая концентрация необходима для получения терапевтической концентрации PPIX в опухоли.

Опухоли кожи, толщина которых превышает 2-3 мм, не показывают присутствие PPIX во всем объеме после местного введения ALA, поскольку ALA не достигает стромы опухоли. Поэтому были проведены исследования липофильных производных АЛК. Более липофильными являются сложные эфиры (например, метил, этил, пропил, гексил, гептил и октил). Следовательно, они легче проникают в клеточные мембраны, проникая глубже в опухоли, чем одна ALA.

Проникновение оптического излучения в кожу
Проникновение оптического излучения в кожу

Из-за активности эстеразы происходит гидролиз сложного эфира и высвобождение ALA. Исследования, опубликованные в последние годы, показали, что после одновременного введения экзогенной аминолевулиновой кислоты (АЛК) и ингибитора феррохелатиназы концентрация PPIX в раковых тканях быстро увеличивается, и эффекты, полученные в результате ФДТ, будут намного лучше. 

После введения ингибиторов АЛК и феррохелатазы гибель клеток была вызвана, среди прочего, механизмом апоптоза. при раке молочной железы, простаты или шейки матки. Проблема заключается в том, что наиболее эффективными из известных в настоящее время ингибиторов феррохелатазы являются соли свинца, которые проявляют высокую токсичность для живых организмов.

Фотосенсибилизаторы можно вводить различными способами в зависимости от расположения опухоли. Если необходимо исследовать внутренние органы или крупные поражения на коже, фотосенсибилизатор обычно вводят внутривенной инъекцией и контролируют через 24 часа после введения с помощью тонкого волоконного лазера в сочетании с эндоскопическим оборудованием. 

Если поражения имеют форму бугорков на коже, препарат можно вводить интерстициально. При плоских поражениях кожи, наружных половых органов, слизистой оболочки полости рта или наружной части глаза препарат вводят в виде мази с содержанием фотосенсибилизатора в концентрации 3-5% или с содержанием аминолевулиновой кислоты от 10-15%. Тест следует сделать через несколько часов после нанесения мази.

Выводы

В настоящее время во всем мире ведутся работы по созданию новых эффективных и безопасных  вариантов диагностики и лечения рака, среди которых фотодинамическая терапия занимает одно из лидирующих мест. Но основная проблема и задача онколога — правильный выбор фотосенсибилизаторов и методов их введения. 

Врач обязан знать, как работает тот или иной препарат, он должен постоянно следить за новыми разработками. И ни в коем случае нельзя отказываться от современных методик в угоду более привычных, но травматичных вариантов лечения рака.

Источники

  1. Boyle R.W., Dolphin D.: Структурные и биораспределительные зависимости фотодинамических сенсибилизаторов.  Photochem. Photobiol. 1996, 3: 469-85.
  2. Kaye A.H. i wsp.: Фоторадиационная терапия и ее потенциал в лечении неврологических опухолей. J. Neurosurg. 1988, 69: 1-14.
  3. Manyak N.J. i wsp.: Фотодинамическая терапия. J. Clin. Onc. 1988, 6: 380-91.
  4. Takemura T. i wsp.: Локализующие опухоль флуоресцентные диагностические средства без фототоксичности. Photochem. Photobiol. 1994, 3: 366-70.
  5. Kennedy J. C. i wsp.: естное применение 5-аминолевулиновой кислоты избирательно индуцирует фототоксические концентрации протофорфирина IX в актиновых кератозах, первичных базально-клеточных и водно-клеточных карциномах и трансдермальных вторичных клетках рака молочной железы. 3rd Biennal Meeting of the International Photodynamic Asociation, Buffalo,NY, july 1990 (abstact XVI/7).
  6. Nelson J.S. i wsp.:Исследования in vivo по использованию моно-1-аспартилхлорида (Npl6) для фотодинамической терапии. Cancer Res. 1987, 47: 4681-5
  7. J.L.Sessler, T.Murai, V.Lynch,M. Cyr: «Расширенный порфирин», синтез и структура нового ароматического пентадентатного лиганда. J.Am Chem Soc 1988, 110, 5586-8.
  8. Alfreda Graczyk: Źródło: “TERAPIA” NR 8 z. 2 (110), SIERPIEŃ 2001, Strona 36-41
  9. P.Dong, P.Choi, U.P.Schmiedl ,et al: Взаимодействие марганца-мезопорфирина с везикулами олеиновой кислоты.. Biochemistry 1995,34, 3416-22.
  10. P.Charleswoth, T.G.Truscott, R.C.Broks, B.C. Wilson: Фотофизические свойства фталоцианина, замещенного рутением. J. Photochem Photobiol B. Biol: 1994 .26, 277-282.
  11. M.Shopova, D.Wohrle et al:Гидрофобные Zn (II) -нафталоцианины в качестве агентов фотодинамической терапии для лечения рака легких Льюиса. J.Photochem Photobiol B: Biol 1994,23,35-42
  12. M.M.Zuk, B.D.Rihter, M.E.Kenney et al: Влияние системы доставки на фармакокинетику и распределение в тканях бис (диизобутилооктадецилсилокси) кремний 2,3-нафталоцианина (isoBOSINC), фотосенсибилизатора для терапии опухолей.
  13. D.S.Lawrence, L.Scott, et al: Исследования фотосенсибилизации и распределения тканей потфирина из заборов, 3, 1-TPRO, кандидата на фотодинамическую терапию. Photochem Photobiol 1995, 61,1 ,90-98.
  14. J.D.Spikes, J.E.van Lier, J.C.Bommer: Сравнение фотопрепаратов фталоцианина цинка и нафталоцианина тетрасульфонатов цинка; модельные сенсибилизаторы для фотодинамической терапии опухолей. J. Photochem Photobiol A: Chem 1995, 91 , 193-8.
  15. W.Freyer, D.Leupold; На пути к сенсибилизаторам ФДТ с внутренним источником синглетного кислорода. J.Photochem Photobiol B: Biol 1995,30,77-8.
  16. N.Brasseur, R.Ouellet et al; Фотодинамическая активность и фоточувствительность кожи 2,3-нафталоцианина бис (диметилтексилсилокси) кремния у мышей. Photochem Photobiol 1995,62,6,1058-65.
  17. P.Margaron, M-J.Gregoire et al: Отношения структура-фотодинамическая активность ряда 4-замещенных фталицианинов цинка. Photochem Photobiol 1996, 63, 2, 217-223.
  18. W.E.Ford, B.D.Rihter, M.E.Kenney, M.A.J.Rodgers: Photoproperties of alkoxy- substituted phthalocyanines with deep-red optical absorbance. Photochem Photobiol 1989,50, 3, 277-282.
  19. W.R.Epstein, A.J.Szeple: Олигофталоцианины и полимеры на их основе. Структура, термостойкость. Sojedinienija 1990, (A), 32,8,1655-62.
  20. L.Leibovici, N.Schoonfeld, H.A.Yehoshua, R.Maneet, E.Rakowski, A.Shindel, A.Atsmon: Активность порфобилиноген-деаминазы в мононуклеарных клетках периферической крови пациента с метастатическим раком. Cancer 1988, 62 ,2997-2300.
  21. Musser D.A. Wagner J,M. Datta-Gupta N:взаимодействие локализующих опухоль порфиринов с коллагеном и эластином. Res Commun Chem Pathol Pharmacol 1982,36,251-9.
  22. C.Richert: Липосомальная композиция для порфириноидных фотосенсибилизаторов J. Photochem Photobiol B: Biol. 1993,19,67-73.
  23. Spikes J. D, Jori G : Фотодинамическая терапия опухолей и других заболеваний с использованием порфиринов. Laser Med Sci, 1986, 2, (3), 3-15.
  24. Valenzeno D. : Фотомодификация биологических мембран с упором на механизмы синглетного кислорода. Photochem, Phtobiol, 1987, 46, 146-160.
  25. Sandberg S, Romslo I.: Порфирин-индуцированное фотоповреждение на клеточном и субклеточном уровнях в связи с растворимостью порфина. Clin Chim Acta, 1981, 109, 193-201.
  26. Moan J, Petterson E. O, Christensen T.: Спектры действия производного гематопорфирина и фотофринаII в отношении сенсибилизации клеток человека in vitro к фотоинактивации. Br J Cancer 1979, 39, 398-402.
  27. Salet C, Moreno G: Фотосенсибилизация митохонгрии. Молекулярный и клеточный аспекты. J Photochem Photobiol B: Biol., 1990, 5, 133-150.
  28. Brault D, Vever-Bizet C, Dellinger M.: Фундаментальные аспекты в опухолевой фотохимиотерапии: взаимодействие порфиринов с мембранными модельными системами и клетками. Biochimie, 1986, 68, 913-921.
  29. Moan J, Sommer S.: Спектры действия производного гематопорфирина и фотофринаII в отношении сенсибилизации клеток человека in vitro к фотоинактивации. Photochem Photobiol 1984, 40, 631-634.
  30. Gross E,Malik Z, EhrenbergB. : Эффекты мембранного физического спектроскопического исследования. 1987 , 97,215-221.
  31. Ehrenberg B, Gross E: Влияние мембранного состава липосом на связывание фотосенсибилизаторов HPD и фотофрина II. Photochem Photobiol. 1988,48,461-466.
  32. Nitzan Y, Gozhansky S, Malik Z.: Влияние фитоактивированного производного гематопорфирина на жизнеспособность золотистого стафилококка. Curr Microbiol 1983, 8, 279-284.
  33. Emiliani C, Delmelle M. : Растворимость порфиринов в липидах модулирует их фототоксичность на мембранных моделях. Phtochem Phtobiol 1983, 37, 487-490.
  34. Kuzelova K, Brault D. : Кинетические и равновесные исследования взаимодействия порфиринов с однослойными липидными везикулами. Biochemistry, 1994, 33, 9447-9459.
  35. Barret A. J, Kennedy J. C, Jones R. A, Nadeau P, Pottier R. H.: Влияние тканевого и клеточного рН на селективное биораспределение фотохимиотерапевтических агентов порфиринового типа: исследование объемного титрования. J Photochem Photobiol B: Biol., 1990, 6, 309,321.
  36. Bhasin G. i wsp: Феррохелатаза, новая разновидность фотодинамической терапии рака. Oncology Reports, 6 1439-42 1999.

Записаться
Задать вопрос

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделиться ссылкой:

Оксана Жосан, гинеколог-эндокринолог. Под редакцией А. Герасимовой (Даллес)

Врач гинеколог-эндокринолог. 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 1700 руб.

Задайте вопрос или прокомментируйте статью

Закрыть меню

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: