Фотодинамическая терапия (обзор литературы) Часть I

Н.Н. Булгакова, доцент, к.ф.-м.н., руководитель Научно-образовательного Центра Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН, Москва И.А. Шугайлов, профессор, д.м.н., заведующий кафедрой стоматологии Российской Медицинской Академии Последипломного Образования, Москва

Введение

За два  последних десятилетия фотодинамическая терапия (ФДТ) заняла достойное место в арсенале  современных лазерных технологий в различных отраслях медицины. Основу  ФДТ составляет химическая сенсибилизация биологических тканей к воздействию светового излучения. В результате взаимодействия светового излучения определенной длины  волны  и молекулы фотосенсибилизатора (ФС),  предварительно введенного в организм пациента, возникает серия фотофизических  процессов, приводящих к образованию синглетного кислорода, агрессивного цитотоксического продукта, вызывающего  быструю   и  селективную деструкцию и гибель клеток  (Dougher- ty, 1996;  Dougherty et al., 1998).

Применение света в лечении различных заболеваний имеет многовековую историю  (Соколов В.В. и соавт., 2008).  Концепция ФДТ была  известна  еще  3000  лет  назад, о  чем  свидетельствуют упоминания о лечении кожных заболеваний с помощью  света и ФС, которые встречаются в древних индийских и египетских источниках. Такое лечение  применяли для репигментации депигментированных участков кожи путем  их облучения солнечным  светом после местного нанесения фотосенсибилизаторов растительного происхождения.

Научное открытие фотодинамического эффекта гибели живых систем было сделано в 1897-1900  гг. студентом О.  Raab в  лаборатории профессора H.  von  Tappeiner в  Фармакологическом Институте  Мюнхенского Университета.  Суть  открытия  заключалась в  следующем: токсичность некоторых лекарственных препаратов резко возрастает в присутствии света (Raab, 1900).  Термин фотодинамическая реакция был  введен профессором H. von Tapiener в 1907  г. для описания специфической фотохимической реакции, которая приводит к гибели биологические системы в присутствии света, красителя, поглощающего световое  излучение, и кислорода (Tapiener et al., 1907).

В последующие годы  были  опубликованы результаты ряда исследований, сыгравших ключевую роль  в разработке  метода. Хронология развития  ФДТ подробно описывается во многих  обзорах (см., например, McCaughan, 1999;  Странадко,  2002;   Красновский, 2004,   Соколов и  соавт.,2008). 

Отметим две  принципиально важные публикации. В 1911  г. австрийский врач  W. Hausman провел целенаправленный поиск ФС для системного введения. Он впервые показал фототоксичность гематопорфирина при внутривенном введении мышам (Hausmann, 1911).  В 1924 г. немецкий ученый  Policard  обнаружил, что при облучении синим светом злокачественные опухоли человека флуоресцируют в красной области спектра, и объяснил этот феномен накоплением в них эндогенных порфиринов (Policard,1924).

Современная эпоха ФДТ началась с работ группы  Lipson  R. (США) в начале 60-х  годов  XX столетия и относится к области онкологии. В 1960 г. был  синтезирован препарат – производные гематопорфирина (HpD, ПГП), который после внутривенного введения более длительно удерживался в злокачественных опухолях  человека. Это позволяло проводить их визуализацию по характерной  экзогенной флуоресценции порфиринов в красной области спектра (Lipson  et  al,  1960).   В 1966  г. было  проведено флуоресцентное детектирование и первое фотодинамическое лечение пациента с раком молочной железы после введения ПГП (Lipson et al, 1966).

Настоящий прорыв в  области ФДТ  рака был сделан в США в 70-80-х  годах  в Roswell Park  Сan- cеr Institute, Buffalo, группой под руководством Т.Dougherty, в которую входили ученые различных специальностей –  медики, химики,  биологи, физики. В 1978 г. были опубликованы результаты пилотных  клинических испытаний, которые показали высокую  эффективность ФДТ в лечении кожных   и  подкожных злокачественных   поражений, резистентных к другим  видам противоопухолевой терапии (Dougherty et al., 1978).  Эта  публикация  вызвала огромный интерес и стимулировала проведение исследований в области ФДТ.  Значительный прогресс в области фотобиологии, лазерной и оптоволоконной техники  способствовал бурному   развитию метода ФДТ во всем мире.

В  настоящее  время  клинические испытания прошли многие фотосенсибилизаторы, 24 препарата имеют разрешения на клиническое применение во многих странах мира. ФС, применяемые в клинической практике, обладают сродством к патологическим тканям, включая ткани  злокачественных  опухолей, очаги  воспаления и клетки, инфицированные вирусом (Allison R.R.  et al.,2004b; Денисова и соавт., 2010).  При  введении в  организм  они в большем количестве обнаруживаются в  патологических очагах  по  сравнению с  окружающей здоровой тканью,  что  происходит либо вследствие селективного накопления, либо более длительного удержания ФС  в  очагах патологии.

Данный  феномен, в сочетании со  способностью ФС флуоресцировать в красной или ближней ИК области спектра, лежит  в  основе метода флуоресцентной диагностики (ФД) рака (Чиссов и со- авт.,  2003;  Соколов и соавт., 2008;  Русаков и со- авт.,  2008;  Чиссов и соавт., 2012).  Флуоресценция фотосенсибилизаторов  используется при  изучении их  фармакокинетики, а также  позволяет изучать  кинетику  их накопления, выведения и распределения в тканях  пациентов (Stefanaki  et al., 2003;  Шугайлов и соавт., 2011)  как в биопсийном материале, так и in vivo...

В настоящее время метод ФДТ рака одобрен для клинического применения в 20 странах мира, включая США, Японию,  Канаду, Россию, страны ЕС, Китай.  Клинические испытания показали его высокую  эффективность в лечении злокачественных   опухолей основных локализаций,  в  том числе опухолей головы и шеи  (Dougherty, 1998; Allison et al, 2005; Biel, 2006, Чиссов и соавт., 2012; Цыб и соавт., 2009).  Лидирующие позиции занимает  онкодерматология (Stapleton et  al.,  2003). Многочисленные исследования   показали   возможность эффективного и безопасного применения ФДТ в сочетании с другими  видами противоопухолевого лечения (Казачкина и соавт., 2006, 2009;  Jin et al., 1992).

Неуклонно расширяется  сфера   применения ФДТ для лечения неонкологических заболеваний: возрастной макулярной дегенерации сетчатки, псориаза, ревматоидного артрита и др. (Trauner et al., 1996;  Bressler et al 2000,  Wainwright  1998;  Itoh et al., 2000;  Boehncke et al 2000;  Kozak et al, 2006).
Все  более широкое применение находит метод антимикробной ФДТ (АФДТ) (Demidova et al., 2004),  который позиционируется многими авторами  как  альтернативный метод  антибактериальной,  протигрибковой и противовирусной терапии в лечении хронических язв,  инфицированных ожоговых ран,  актинического кератоза,  бактериальной и грибковой инфекции (Wainwright  et  al., 1998;  Calzavara-Pinton et  al.,  2005;  Hamblin  et  al., 2005;  Komerik  et al., 2006). 

Особую  актуальность данному направлению придает наблюдаемое в последнее десятилетие резкое увеличение резистентности многих  штаммов  микроорганизмов  к антибиотикам.

Основными преимуществами метода ФДТ являются:  низкая токсичность (или  отсутствие токсичности); селективная  деструкция  патологических участков, которая достигается и за счет тропности ФС, и за счет направленности светового воздействия; минимальное повреждение окружающей здоровой ткани;  отсутствие резистентности  к  повторным циклам  ФДТ  in  vivo;  отсутствие токсичности при  повторном приеме ФС  и возможность многокурсового лечения; отсутствие мутагенности и, следовательно, отсутствие риска  возникновения ятрогенных опухолей; хорошая  переносимость, незначительная болезненность  и отсутствие кровотечения во  время ФДТ, минимальная  продолжительность процесса  заживления послеоперационной раны, отсутствие образования эрозий и рубцов после лечения, хорошие косметические результаты лечения.

По мере расширения знаний в области биомеханизмов ФДТ раскрывается всё  больший потенциал  этого  метода, увеличивая диапазон показаний для  его  применения. В данном обзоре освещаются основные механизмы  ФДТ,  проводится краткий обзор современных фотосенсибилизаторов,  обсуждается аппаратное обеспечение ФДТ. Вторая  часть   обзора  посвящена  применению ФДТ в лечении антибактериальной инфекции полости рта.

Механизмы ФДТ

Фотофизические механизмы фотосенсибилизации в  полном  объеме представлены в  обзоре проф. А.А. Красновского (2004).
Для реализации фотодинамического эффекта необходимо наличие трех  компонент: света, фотосенсибилизатора и кислорода. При поглощении фотона с заданной энергией молекула фотосенсибилизатора переходит в одно  из  верхних  возбужденных электронных состояний, а затем, в результате быстрой релаксации, на  самый нижний колебательный  уровень синглетного возбужденного состояния, время жизни которого очень мало (10-20  нс).  Дезактивация этого  состояния может протекать различными путями:  за счет  флуоресценции, внутренней конверсии, путем тушения флуоресценции и интеркомбинационной конверсии.  В последнем случае образуется долгоживущее  (100-300 мкс) возбужденное триплетное состояние, которое и является источником образования  цитотоксических продуктов.

Эффективность фотосенсибилизации определяется по  существу квантовым выходом образования триплетного состояния. С этого момента заканчивается световая  и начинается темновая фаза развития фотодинамической реакции. Дезактивация метастабильного триплетного состояния фотосенсибилизатора протекает через его взаимодействие с молекулярными структурами клетки.  При этом  возможно  два  пути  развития дальнейших событий: образование  свободных радикалов  ФС  (тип  I), либо резонансный перенос энергии возбужденно- го  триплетного состояния  ФС  на  молекулярный кислород с образованием синглетного кислорода (тип  II).

Находясь  в  возбужденном  синглетном состоянии, молекула кислорода вступает в реакции  с различными биологическими молекулами, окисляя их с образованием свободных радикалов и перекисей. В результате начинается каскад фотодинамических повреждений, приводящих к быстрой и селективной гибели клеток-мишеней. При этом  химической трансформации ФС не происходит,  и после  передачи энергии возбуждения молекулярному кислороду молекула ФС  возвращается в основное стабильное состояние, и весь цикл может  быть запущен заново после поглощения нового  кванта световой энергии. После нескольких  циклов поглощения ФС  может  фотодеградировать и потерять способность запускать фотодинамическую реакцию. Этот эффект называется фотобличинг (McCaughan,1999).

Поскольку время жизни  синглетного кислорода  в  клетке очень   мало (менее 0.05  мкс)  и  за время своего существования он может  мигрировать  на расстояние не более 0.02 мкм, первичными мишенями его окислительного действия являются  клеточные  структуры, в которых  локализуется  ФС (Peng, 2004;  Moan, 1991).  Если ФС не локализуется в  клетке, его  фотодинамическая активность относительно низка, несмотря на высокий  выход   образования  синглетного кислорода. Внутриклеточными мишенями ФДТ являются митохондрии, эндоплазматический  ретикулум, лизосомы,  аппарат Гольджи, плазматическая мембрана.  Индуцируемые фотоповреждения данных структур  запускают различные процессы, приводящие к клеточной гибели (Castano et al., 2005). Большинство современных ФС  не  локализуются в ядрах, поэтому ФДТ не вызывает повреждений ДНК, мутаций и карциногенеза.

В настоящее время доказано существование трех различных механизмов ФДТ in vivo:

1. Мишенью  ФДТ являются непосредственно опухолевые клетки, которые погибают по механизму некроза или  апоптоза в зависимости от типа  ФС.  Вероятность клеточной гибели  значительно ниже  для  гидрофильных, чем  для  липофильных ФС,  что  указывает на  определяющую роль  повреждений мембранных структур  (Moan,1986).   Фотосенсибилизаторы, локализующиеся в митохондриях, по-видимому, вызывают  фотодинамическую гибель клеток  в результате апоптоза (Oleinich  et al., 2002;).  Фотосенсибилиазторы, локализующиеся на    мембранах, индуцируют  некроз (Castano et al., 2004,  2005).  Повреждения плазматической мембраны возникают в течение нескольких минут после начала облучения.

2. Мишенью  ФДТ является сосудистая система  патологического  очага   и  окружающих  тканей  (Dougherty et al., 1998;  Castano et al.,2005,  2004;  McCaughan, 1999).  Механизмы реализации этого эффекта также  существенно зависят от типа  ФС. Показано, что уже в первые минуты облучения при ФДТ возникает тромбоз и стаз сосудов,   нарушение их  проницаемости. Огромное влияние  на  результат  проведенной ФДТ  имеет повреждение сосудистой системы окружающей нормальной ткани,  окружающей опухолевую ткань.

3. Третьей составляющей противоопухолевого  эффекта ФДТ является иммунная система:  проведение ФДТ сопровождается сложными воспалительными процессами, индуцирующими противоопухолевый  иммунный   ответ   (Korbelik,.1996;  Gollnick et al., 2006).
При  ФДТ  возникают фотоповреждения  всех указанных мишеней, причем вклад каждого воздействия, их взаимосвязь, возможный синергетический  эффект в суммарную реакцию на лечение, до конца  не изучен. Большое значение имеет тип и структура молекулы ФС; его локализация в патологическом очаге  (сосудистая  система,  мембрана клетки, внутриклеточная локализация); временной интервал после введения ФС.

Фотосенсибилизаторы

Фотосенсибилизаторы на основе ПГП относятся   к  препаратам  первого  поколения:  Фотофрин  (США), Фотофрин 2 (Канада), Фотогем (Россия), Фотосан (Германия). Впервые препарат Фотофрин был  разрешен для  клинического применения  для  лечения раннего рака мочевого пузыря   в 1993 в Канаде. Позже, в 1997 г. Фотофрин был  разрешен в ряде  стран  Европы, США и Японии для  лечения рака легкого, пищевода, желудка, шейки  матки  (Dougherty et al., 1998;  Castano et al.,  2005,   2004;  McCaughan, 1999).  Клинические испытания первого отечественного ФС для ФДТ – препарата Фотогем, разработанного в МИТХТ им. Менделеева, были начаты в России 1992.  Его высокая эффективность в лечении опухолей основных  локализаций была  показана уже  в  ходе клинических испытаний (Чиссов и соавт., 1994).

Наряду с высокой терапевтической активностью, эти препараты обладали существенными недостатками, к которым, прежде всего, относится длительное удержание в кожных покровах и, обусловленная  этим,   кожная  фототоксичность, что требовало соблюдение светового режима. Помимо   опухоли   и  кожи,  в  высоких   концентрациях эти препараты задерживались в клетках ретикулоэндотелиальной  системы: печени   селезенке, а также   в  почках   и  очагах  воспаления. Сеансы облучения проводились через 47-72 часа после внутривенного введения,  когда ФС  выводился  из большинства нормальных тканей и удерживался в тканях злокачественных опухолей (Dougherty, 1998).  Кроме этого,  данные препараты имели неоднородный химический состав, высокую  себестоимость. Все  это  стимулировало научные исследования на поиск и создание новых эффективных ФС для  клинического применения, которые были  начаты в середине 80-х годов.

Известны тысячи  фотоактивных химических соединений, в том числе естественного происхождения, имеющие сильное  поглощение в ближнем ИК-диапазоне, где биологические ткани наиболее  прозрачны  (700-1200 нм).  Однако, не все  они  могут  рассматриваться как потенциальные фотосенсибилизаторы для клинического применения.

Понятие  «идеальный фотосенсибилизатор» было  впервые сформулировано в работе MacRobert A.J. (1989).  Оно   включает следующие характеристики:

•  Фотофизические:  высокий квантовый выход образования синглетного кислорода, высокий квантовый выход  флуоресценции, сильное поглощение в ближнем ИК-диапазоне.
•  Химические: однородный химический состав, низкая  темновая  токсичность, фотостабильность  при  хранении, растворимость в воде и других биологических жидкостях.
•  Биологические: быстрое выведение из организма (кожных  покровов), высокая селективность   накопления в патологических очагах.
•  Кроме этого,  большое значение для широкого применения имеет низкая себестоимость и коммерческая доступность.

В течение последних 10-15  лет  клинические испытания прошли более 20 фотосенсибилизаторов второго поколения. В основном эти  соединения относятся к классу тетрапирроллов (хлорины, бактериохлорины, фталоцианины,   и др.)  (Allison et al., 2004b). При этом  следует отметить, что особенностью современного этапа развития ФДТ является разработка ФС  для  лечения конкретной патологии.

В качестве примера можно  привести следующее препараты: Пурлитин  (Purlytin, этиопурпурином селена,  США) для  лечения кожных метастазов рака груди и саркомы Капоши у ВИЧ инфицированных пациентов; Лютекс  (Lu-tex, тек- сафирин лютеция, США) для  лечения злокачественных  поражения кожи; Фоскан (Foscan, производное хлорина е6, Германия) для лечения опухолей головы и шеи,  Tookad (Израиль) для лечения рака предстательной железы  и многие другие.

В России разработаны  фотосенсибилизаторы второго  поколения Фотодитазин и Радахлорин (хлорин е6), Фотосенс (сульфированный фталоцианин аллюминия), которые применяются как  в онкологии, так  и для  лечения неонкологической патологии (Цыб и соавт., 2009;  Чиссов и и соавт., 2012).
Современные экзогенные фотосенсибилизаторы   вводятся  системно  путем   внутривенных инфузий в дозах от 0,3 до 2 мг/кг в.т. Фармакокинетика этих препаратов различна и определяется типом ФС.

Препараты 1-го  поколения на  основе гематопорфирина выводятся из  большинства нормальных тканей в первые сутки после введения. Исключением  являются  кожа,   печень, почки,  селезенка и ткани злокачественных опухолей, где препарат задерживается. Именно  через 48-72  часа после введения различия в содержании ФС между  окружающими нормальными  и  опухолевыми тканями становятся максимальными, что и позволяет  проводить ФДТ. Для описания опухолетропности этих препаратов принято  использовать термин  «удержание».

Большинство ФС 2-го поколения  выводятся из организма в течение 24 часов и    селективно накапливаются в  патологических очагах уже  в первые часы  после внутривенного введения. Для  описания  опухолетропности этих препаратов более  правильно использовать термин «селективное накопление».

Причины  повышенного накопления и удержания ФС в патологических очагах исследовались в течение многих  лет  различными авторами. Было показано, что этот феномен определяется специфическими особенностями опухолевых тканей (Dougherty et al., 1998;  Allison et al., 2004b). К таковым  относятся: повышенное содержание  рецепторов   к  белкам низкой   плотности,  присутствие большого количества  макрофагов,  пониженные значения pH, особенности стромы опухоли,  такие как большой объем интерстициального пространства,  повышенная проницаемость сосудов опухоли,  нарушенный лимфатический  отток,  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 возрастет с увеличением степени гидрофобности молекулы ФС.
Как  отмечалось ранее, тропность фотосенсибилизаторов  к патологическим тканям (злокачественным опухолям, очагам  воспаления)  и  возможности их обнаружения по характерной флуоресценции составляет основу  ФД или фотодинамической  диагностики (ФДД). 

В России первые исследования в области ФД злокачественных опухолей были проведены в МНИОИ им. П.А. Герцена совместно с ИОФ РАН в 1992  г. в рамках клинических испытаний препарата  Фотогем. (Чиссов и соавт., 1994).  Впоследствии это сотрудничество было  плодотворно продолжено, были разработаны методики и аппаратура для ФД ранних форм рака  (Чиссов и соавт., 2003,  Соколов и соавт., 2005).

Основным побочным эффектом  при  системном введении является временная фотосенсибилизация кожных  покровов, длительность которой может   варьироваться  от   нескольких  дней до нескольких месяцев, что требует соблюдения светового  режима, нанесения солнцезащитных средств и приема антиоксидантов (Соколов и со- авт.  2008).

В этой  связи, особое значение имеет направление, основанное на применении для  целей ФД и ФДТ  эндогенного соединения,  5-АЛК,  которое является  промежуточным продуктом синтеза гема (Peng et al., 1997).  Избыточное введение экзогенной  5-АЛК нарушает контроль биосинтеза гема и приводит к индукции  избыточного количества   эндогенного фотосенсибилиазтора   –  протопорфирина IX. В нормальных клетках протопорфирин IХ быстро утилизируется путем превращения в гем, в то время как в патологических очагах (воспаление, вирусная инфекция, раковые клетки),  в  течение нескольких часов происходит накопление протопорфирина IХ.

Помимо  эндогенного  происхождения, большим  преимуществом  5- АЛК является возможность ее местного применения в виде  мазей, гелей и растворов, что позволяет  избежать системного воздействия. ФДТ при оральном или  местном приеме 5-АЛК использовалась в лечении предраковых изменений слизистой  оболочки полости рта  предрака (лейкоплакии и веррукозной гиперплазии) (Chen  t al., 2005), в лечении фоновой патологии и предрака вульвы и шейки  матки  (Денисова и соавт., 2010;  2011), воспалительных заболеваний  кожи   (Itoh  et   al.,2000).   Данная технология широко используется для целей ФДТ поверхностного рака мочевого пузыря  (Русаков и соавт., 2008).

Источник: журнал "Инновационная стоматология 1/2012" 

Академия Инновационной Стоматологии "АИСт" - http://academia-aist.ru/