Фотодинамическая терапия (обзор литературы) Часть II

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

Источники и средства доставки излучения.

Поскольку для реализации фотодинамического эффекта требуется активация ФС, выбор длины волны и источника света для проведения ФДТ определяется, прежде всего, из спектра поглощения ФС и зависит от целей и объекта фотодинамического воздействия. Современные фотосенсибилизаторы имеют несколько полос поглощения в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне.

Как отмечалось ранее, биологические ткани наиболее прозрачны в красном и ближнем ИК диапазоне спектра (700-1200 нм). Поэтому чем больше длина волны поглощения ФС, тем больше глубина проникновения активирующего излучения в ткань и глубина фотоиндуцируемых некрозов (Profio et al.,1987; Brancaleon et al., 2002).

Достижение максимальной глубины фотоиндуцируемых некрозов наиболее актуально для деструкции опухолей, поэтому для онкологического применения выбираются источники излучения с длиной волны, соответствующей последнему длинноволновому максимуму в спектре поглощения ФС.

Для препаратов первого поколения оптимальной длиной волны фотоактивации является длина волны 630 нм, при которой максимальная глубина проникновения излучения в ткани составляет от 3 до 8 мм. Фотосенсибилизаторы второго поколения имеют сильные полосы поглощения в длинноволновой области спектра в районе 650-800 нм. Излучение с такой длиной волны проникает в биологические ткани на глубину до 1-1.5 мм.

Для неонкологического применения, когда не требуется большой глубины фотоиндуцируемых некрозов, применяют источники света с длинами волн излучения в синей или желто-зеленой областях спектра. При ФДТ в принципе могут использоваться любые непрерывные источники света, обладающие соответствующим спектральным составом и достаточной выходной мощностью.

В первых клинических исследованиях для облучения опухолей кожи применялись нелазерные источники – мощные ксеноновые лампы с системами светофильтров. В 1980 г. группа под руководством Dougherty впервые применили для ФДТ лазерное излучение с длиной волны 630 нм (Dougherty, 1996).

Преимущества лазеров для целей ФДТ очевидны. Это, прежде всего, (1) высокая спектральная плотность излучения, (2) возможность ввода излучения в оптоволоконные транспортные системы доставки, (3) высокая выходная мощность излучения, а также, (4) возможность точно измерить и контролировать дозу облучения. В целом использование лазеров существенно расширяет возможности ФДТ и позволяет применять метод для лечения внутренних органов. Кроме того, применение волоконно-оптических устройств доставки излучения позволяет максимально сфокусировать лазерное воздействия, что, в сочетании с преимущественным накоплением ФС в патологических тканях, создает особенность метода, наиболее привлекательную для врачей, а именно – минимальную травматичность окружающих здоровых тканей.

Однако, в начале развития ФДТ в 70-80-х годах прошлого столетия не существовало лазерных аппаратов с длиной волны 630-632 нм, адаптированных для медицинского применения. Активное участие физиков в проводимых исследованиях способствовало решению проблемы. В качестве источника непрерывного излучения стали широко применять перестраиваемые лазеры на красителях с аргоновой накачкой, с накачкой лазером на парах меди, либо лазеры на парах золота. Эти лазеры были громоздки, сложны в эксплуатации и требовали профессионального инженерного сопровождения, однако они широко применялись до середины 90-х годов 20 века. Новой эрой в истории ФДТ стало появление коммерчески доступных компактных и удобных в эксплуатации диодных лазеров.

Появление лазерных медицинских установок на основе диодных лазеров с длинами волн генерации в красном и ближнем ИК диапазонах (630-810 нм) способствовало расширению применений ФДТ в раз- личных областях медицины. В последнее десятилетие арсенал источников для ФДТ пополнился дешевыми, легкими и компактными устройствами на основе светоизлучающих диодов (LED), которые применяются для наружного облучения. Для успешного применения метода необходимо равномерное адекватное облучение всей поверхности опухоли либо органа.

Для успешного решения этой проблемы разрабатываются оптоволоконные инструменты различной конфигурации, которые позволяют наиболее адекватно и в полном объеме проводить ФДТ. Световоды, снабженные на конце микролинзами, дают однородное распределение света при освещении фронтальной поверхности и применяются при облучении кожи и слизистых оболочек полых органов. Циллиндрические диффузоры обеспечивают однородное распределение излучения перпендикулярно оси волокна и применяются при облучении пищевода, трахеи, бронхов. Для ФДТ полости рта разработаны и широко применяются специальные оптоволоконные на- садки, снабженные цилиндрическими диффузорами различной длины полимерными рассеивателями излучения, адаптированными для интегрального облучения верхней или нижней челюсти (Шугайлов и соавт. 2010).

При ФДТ используется низко-интенсивное лазерное излучение. В среднем, мощность лазерного излучения с конца волокна составляет от 300 до 1000 мВт, средние плотности мощности варьируют в диапазоне 50-200 мВт\см2. При повышении плотность мощности выше 200 мВт/см2, возникает гипертермия, т.е. перегрев тканей. Эффективные световые дозы существенно зависят от типа ФС, размеров, локализации и типа патологического очага, а также от длины волны фотоактивации. Световые дозы максимальны при ФДТ в онкологии и составляют в среднем от 50 до 500 Дж/см2. При этом в многочисленных исследованиях показано, что снижение плотности мощности терапевтического излучения приводит к увеличению противоопухолевого эффекта (например, Чиссов и соавт., 1999; Henderson, 2006).

При больших плотностях световой дозы происходит быстрая утилизация содержащегося в тканях кислорода, что ингибирует фотохимические реакции, необходимые для эффективной фотодеструкции опухолевых клеток. На сегодняшний день минимальные световые дозы применяются для ФДТ с препаратом Фоскан (Германия). Фотодинамическая активность препарата настолько высока, что даже при минимальных дозах введения (0.1 мг/кг в.т.) и света (10 Дж/см2) лечение может сопровождаться опасными побочными явлениями (Dougherty et al., 1998). Глубина фотоиндуцируемых некрозов при ФДТ определяется не только глубиной проникновения излучения, но также концентрацией ФС в тканях, уровнем их оксигенации (Dougerthy et al., 1998, Allison et al., 2005, 2006). Для ФДТ с ФС на основе порфиринов глубина фотоиндуцированных некрозов не превышает 0.5 см.

Применение ФС на основе хлоринов позволяет достигать большей глубины некрозов. Однако в целом, очевидно, что ФДТ может быть эффективным методом лечения только относительно небольших опухолевых очагов. Антибактериальная фотодинамическая терапия в стоматологии Несмотря на то, что открытие фотодинамического действия и метода ФДТ исторически было связано с летальным воздействием света, красителя и кислорода на простейшие микроорганизмы, открытие антибиотиков в середине XX столетия надолго охладило интерес ученых к антибактериальной ФДТ (АФДТ).

Интерес к возможностям АФДТ возрос в последнее десятилетие в связи с резким увеличением резистентности многих штаммов микроорганизмов к антибиотикам. В настоящее время применение ФДТ технологий для селективной деструкции микроорганизмов находится в начале развития, однако анализ зарубежной и отечественной литературы показывает огромный потенциал, который имеет данное направление (Maisch, 2007; Jori, 2006).

Области применения АФДТ включают лечение хронических язв, инфицированных ожоговых ран, акне вульгарис, многочисленной инфекции полости рта и других локализаций (Гейниц и соавт., 2004; Jori et al., 2006; O'Riordan et al., 2005). В течение последнего десятилетия были проведены многочисленные исследования, доказавшие эффективность фотодинамического воздействия на микроорганизмы, связанные с зубным кариесом, периодонтитами и перимплантитами (Meisel, 2005; Konopka, 2007; Орехова и соавт.,2010; Шугайлов и соавт., 2011).

Принципиальная возможность фотосенсибилизации патогенной микрофлоры, содержащейся в субгингивальных бляшках человека, за счет эндогенных порфиринов, являющихся продуктами метаболизма бактерий, впервые описана в работе Konig et al (2000). Для фотоактивации порфиринов было использовано непрерывное излучение в красной области спектра (632,8 нм). Поскольку эндогенные порфирины имеют незначительное поглощение в этой области спектра, положительный эффект достигался при очень большой световой дозе: 360 Дж/см2. Детальное исследование фотоинактивации черных пигментированных бактерий за счет собственных эндогенных порфиринов было проведено в работе Soukos et al (2005).

Эксперимент был проведен in vitro на чистых культурах этих бактерий и на образцах, полученных из дентальных бляшек пациентов, страдающих хроническими периодонтитами. Методом жидкостной хроматографии было показано, что данные патогенны содержат различные виды эндогенных порфиринов, в числе протопорфирин IX. Содержание различ- ных порфиринов в различных видах черных пигментированных бактерий значительно варьировалось и составляло 267 нг/мг белка (P. intermedia), 47 нг/мг белка (P. nigrescens), 41 нг/мг белка (P. melaninogenica) и 2.2 нг/мг белка (P. gingivalis).

Содержание фотосенсибилизатора протопорфирина IX в общем количестве порфиринов было максимально в P. melaninogenica (85%) и P. intermedia (83%). В P. gingivalis был обнаружен только копропорфирин (100%), не обладающий фотосенсибилизирующими свойствами. Облучение проводили в широком спектральном диапазоне в синезеленой области спектра (380-520 нм), где порфирины имеют максимальное поглощение.

Было показано, что фотоинактивация P.intermedia и P.nigrescens в культуре происходила при световой дозе 4,2 Дж/см2, P. melaninogenica – при дозе 21 Дж/см2 . При световой дозе 42 Дж/см2 погибало 99% бактерий вида P. gingivalis. Наибольшая чувствительность к фотоинактивации выявлена у бактерий вида P. intermedia и P. nigrescens, которые полностью погибали в течение 1 минуты облучения при минимальных световых дозах.

В случае P. intermedia эффективность фотоинактивации коррелировала с наибольшим содержанием в них эндогенного протопорфирина IX (83%). При облучении дентальных бляшек наибольшая фоточувствительность была выявлена у P. Melaninogenica, P. Nigrescens, P. Intermedia, P. Gingivalis. Полученные результаты позволили сделать вывод о полезности профилактического облучения полости рта светом широкого спектрального диапазона для ингибирования роста потенциально патогенных бактерий.

По мнению авторов, такой вид терапии имеет много преимуществ в сравнении с традиционными методами лечения периодонтита: безболезненность, быстрота, отсутствие медикаментозной токсичности, селективность воздействия.

В настоящее время в литературе описано большое количество экзогенных соединений, фотосенсибилизирующих микроорганизмы к воздействию света, которые можно разделить на 3 группы.

1-я группа – это препараты естественного происхождения: псоралены, содержащиеся в плодах и корнях растения псоралеи костянковой (Рsoralеа drupacea Bge.), семейства бобовых (Fabaсеаe), и гиперицин, содержащийся в зверобое.

2-я группа – синтетические красители из класса фенотиазинов: метиленовый синий (МС), толуидиновый синий (ТС) и акридиновые красители.

3-я группа – циклические тетрапирролы, к которым относятся фталоцианины (сульфированные фталоцианины алюминия, фталоцианин цинка), порфирины (производные гематопорфирина, фотофрин, фотосан, фотогем и 5-АЛК-индуцированный протопорфирин IX) и хлорины (хлорин T6, Sn(IV)-хлорин е6, различные коньюгаты хлорина), ксантеновые красители (эритрозин) и азулен.

Эффективность АФДТ различна в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий, т.е. чувствительность бактерии к воздействию света зависит от ее заряда (Komerik et al.,2000; Konopka et al., 2007). Анионные и нейтральные ФС эффективно связываются с грамположительными бактериями и инактивируют их: облучение светом приводит к резкому замедлению их роста либо гибели.

Причиной, по-видимому, является возможность прохождения ФС через относительно пористый слой внешней мембраны грамположительных бактерий и связывания с определенными центрами внутри самой бактерии. Такого эффекта не наблюдается в отношении грамотрицательных бактерий, мембрана которых действует как барьер на пути проникновения ФС внутрь клетки. Анионные и нейтральные ФС cлабо связываются с внешней мембраной грамотрицательных бактерий. Их тропность может быть повышена за счет (1) связывания молекулы ФС с катионной молекулой; (2) при использовании поверхностно-активных молекул (трис-ЕДТА) или (3) путем синтеза коньюгатов ФС с моноклональными антителами (Hamblin et al., 2004, 2002; Komerik, 2006; Rovaldi et al., 2000; Wainwright, 1998).

В результате проведенных исследований было предложено 2 основных механизма фотодинамических повреждений, которые приводят к гибели бактерий. Первый механизм состоит в повреждении ДНК, второй включает повреждение цитоплазматической мембраны. Повреждение ДНК в процессе светового воздействия на бактерии в присутствии различных ФС убедительно подтверждено во многих работах (Capella et al., 1996; Jori, 2006 ).

В то же время, по мнению ряда авторов, повреждения ДНК не могут быть первичной причиной клеточной гибели, поскольку системы репарации могут убирать возникающие поломки. Возможность летальной фотоинактивации кариесогенных бактерий при использовании ТС и дисульфированного фталоцианина алюминия при облучении излучением в красной области спектра (He-Ne-лазер с длиной волны генерации 632,8 нм и диодный лазер с длиной волны 662 нм) была показана в работах многих зарубежных авторов (Burns et al., 1993,1995; Dobson et al., 1992).

АФДТ для лечения пародонтитов изучалась многими авторами (Орехова и соавт., 2010; Рисованная, 2005; Konopka et al., 2007). Очевидно, что пародонтиты являются крайне удобным объектом для лечения методом АФДТ в силу доступности очага для препарата и светового воздействия. Во-первых, ФС можно легко ввести непосредственно в периодонтальный карман. Во-вторых, доставка лазерного излучения в периодонтальный карман может быть легко осуществима как с помощью гибкого оптического волокна, так и через тонкий слой прилегающий слизистой оболочки десны при ее облучении лазерным излучением в красной области спектра.

В первых публикациях эффект АФДТ изучали на субгингивальных бляшках, взятых у пациентов, страдающих пародонтитами (Wilson et al.,2003). Исследования in vitro показали, что при обработке бляшек раствором ТС в концентрации 50 мг/мл и последующим облучением в течение 30 мин излучением He-Ne лазера (632,8 нм). P. gingivalis, F. nucleatum и черные пигментированные анаэробные бактерии были полностью элиминированы. Позднее было показано, что многие бактерии, такие как P. gingivalis, A. actinomycetemcomitans, B. forsythus, Campylobacter rectus, Eikenella corrodens and F. nucleatum крайне чувствительны к АФДТ, если в качестве ФС использовать коньюгат хлорина е6 с пентализином.

При облучении бактерий излучением диодного лазера в красной области спектра, соответствующей последней полосе поглощения хлоринов (662 нм), значительный бактерицидный эффект достигался при низкой концентрации данного препарата (Hamblin et al., 2002; Meisel et al., 2005). Одной их характерных особенностей пародонтита является кровоточивость десен. В ряде работ было показано, что АФДТ оказывается эффективным методом элиминации данных бактерий даже в присутствии крови (Wilson et al., 1995). В работе Chan et al. (2003) изучали зависимость эффективности АФДТ от длины волны и дозы светового воздействия в элиминации пародонтальной патогенной микрофлоры: Actinobacillus actinomycetemcomitans, Fusobacterium nucleatum, Porphyromonas gingivalis, Prevotella intermedia и Streptococcus sanguis.

Патогены облучали излучением He-Ne лазера (632,8 нм, 30 мВт), диодного лазера с длиной волны 665 нм (100 мВт), диодного лазера с длиной волны 830 нм (100 мВт) в присутствии ФС и без ФС. В качестве ФС использовали МС. Наиболее эффективной была комбинация МС и светового воздействия с длиной волны 665 нм. При выходной мощности 100 мВт погибало 95 – 99% бактерий. Для оценки эффективности АФДТ in vivo были разработаны экспериментальные модели инфекции ротовой полости на животных. Sarkar S. (1993), Wilson M. (2004) провели исследование эффективности АФДТ с ТС на P. gingivalis у крыс. ФС наносили местно в концентрации 1 и 0,1 мг/мл) в десневые бороздки максилярных (верхнечелюстных) моляров, которые предварительно были инфицированы P. gingivalis. В качестве источника света использовали излучение светодиодов с длиной волны 630 нм, световую дозу варьировали в широком диапазоне, вплоть до максимальных значений 48 Дж/см2 100 и 99% бактериальная элиминация была достигнута при световой дозе 6 Дж/см2 и концентрации ТС 1 и 0,1 мг/мл соответственно.

Гистологические исследования окружающей слизистой оболочки десны показали полное отсутствие побочных эффектов. Кроме того, потеря альвеолярной кости у животных после АФДТ была значительно меньше, чем в контрольной группе. Таким образом, было показано, что метод не только оказывает бактерицидный эффект, но и предотвращает разрушение альвеолярной кости, что является одной из главных патологических особенностей пародонтита. Sigusch et al. (2005) провели исследования эффективности АФДТ на экспериментальной модели у собак.

Животные были инфицированы взвесью P. gingivalis and F. Nucleatum, которая вводилась субгингивально. АФДТ проводили с 2 ФС хлоринового ряда: хлорином е6 и водорастворимым хлорином е6-2,5 N-метил-d-глюкамин, которые наносили местно после инфицирования животных. Для фотоактивации фотосенсибилизаторов использовали излучение диодного лазера с длиной волны 662 нм при выходной мощности 0,5 Вт. В результате АФДТ отмечен значительный противовоспалительный эффект, однако фотобактерицидный эффект был получен только в отношении P. Gingivalis. 2-й патоген (F. nucleatum) оказался нечувствителен к воздействию.

Эффективность хлорина е6 и коньюгата хлорина е6 с поли-L-лизином в АФДТ дентальных бляшек была подтверждена также другими авторами (Soukos et al., 2003). Эффективность АФДТ была показана при инфицировании корневых каналов и лечении пери- имплантитов как in vitro, так и in vivo на экспериментальных моделях у животных (Spratt et al., 2001). Проведенные исследования выявили зависимость эффекта от концентрации ФС и от дозы света. Наиболее эффективными оказались следующие режимы: концентрация ФС – 100 мкг/мл; доза света – 21 Дж/см2 (Spratt et al 2001; Shibli et al 2003, 2006). В работе Dortbudak et al., (2001) на ограниченной группе из 15 пациентов были проведены клинические испытания АФДТ в лечении периимплантитов.

В качестве ФС был использован ТВО, который наносили местно, непосредственно на поверхность импланта. Для светового воздействия использовали низкие дозы излучения светодиода (LED) с длиной волны 690 нм. Значительный бактерицидный эффект был достигнут в отношении A.actinomycetemcomitans, P. gingivalis и P. intermedia. Несмотря на хорошие клинические результаты, ТВО не нашел широкого применения как ФС для АФДТ, поскольку он окрашивает зубную эмаль. В России инициатором применения фотосенсибилизаторов в стоматологии является профессор Рисованая О.Н. (2005). Она впервые применила в стоматологической практике препарат «Радахлорин», разработанный для онкологического применения. Рисованая О.Н. разработала метод селективного подавления патогенной микрофлоры при фотоактивации ФС излучением диодного лазера (652 нм) в нетрадиционных для АФДТ световых режимах.

В виду особенностей светового воздействия, которые применяются в разработанном алгоритме лечения, автор называет свой метод «бактериотоксической светотерапией». В работе было показано, что бактерицидное действие на Streptococcus pyogenes in vitro оказывает суперимпульсный режим излучения диодного лазера при плотности энергии 200 Дж/см2 и концентрации ФС 3,6 нм.

Полное уничтожение Bacteroides fragilis наблюдается при плотности энергии 200 Дж/см2 и концентрации ФС 28,8 нм. Кроме того, проведение бактериостатической терапии воспалительных заболеваний тканей пародонта способствует ускорению остеогенеза, активации минерального обмена, приводит к увеличению плотности костных структур челюстей (Рисованная О.Н., 2005). Возможность применения АФДТ с гелем «Фотодитазин» (хлорин е6) в пародонтологии изучалась в работе Ефремовой Н.В. (2005), где был получен положительный клинический эффект и доказана нормализация кислородного обмена в тканях десны после проведения АФДТ.

В работе Ореховой Л.Ю. и соавт. (2010) для лечения методом АФДТ различных стоматологических заболеваний использовалась система «Lazurit» (Великобритания), ФС на основе TC и препарата Фотодитазин (Россия) с соответствующими лазерными излучателями. По данным микробиологических исследований отмечена бактерицидная активность в отношении патогенных микроорганизмов (Streptococcus spp., Staphylococcus aureus, Candida albicans, Bacteroides и др.).

Проведено исследование эффективности Фотодитазина в отношении кариес-специфичных микроорганизмов S. mutans и L. Casei, которое показало существенное уменьшение жизнеспособности бактерий S. mutans и L. casei. В работе Гадзацевой З.М (2010) для лечения воспалительных заболеваний пародонта была применена фотодинамическая система «HELBO» (на основе ТС) и получен бактерицидный эффект в отношении основных пародонтопатогенов (Porhpyromonas gingivalis, Prevotella intermedia, Veillonella parvulla, Fusobacterium nucleatum, Peptostreptococcus micros). Джанчатова А.Р. (2011) изучила возможность применения нового ФС «Рададент плюс» (хлорин е6, смесь хлоринов) в лечении воспалительных заболеваний пародонта. Методом локальной флуоресцентной спектроскопии было изучено накопление и распределение ФС в слизистой оболочки десны при различных способах его изоляции.

Показано, что максимальное накопление «РадаДент плюс» в слизистой оболочке десны при изоляции каппой наступает через 45 минут, а при изоляции пленкой – через 60 минут после нанесения, при этом накопление ФС в тканях десны было в 4 раза выше при изоляции каппой, чем при изоляции пленкой (Шугайлов и соавт., 2011). Наиболее выраженный противовоспалительный эффект без местных и общих токсико-аллергических реакций достигался при времени экспозиции 45 минут и фотодинамическом воздействии в дозе 2.5 – 6 Дж/см2 (диодный лазер, длина волны фотоактивации 662 нм).

В целом, АФДТ с применением данного препарата способствовала повышению эффективности комплексного лечения воспалительных заболеваний пародонта. Период ремиссии при хроническом катаральном гингивите увеличивался в 3,5 раза, при хроническом генерализованном пародонтите легкой степени тяжести – в 2 раза (по сравнению с традиционным методом лечения с «Метрогил-Дента»).

С применением разработанной методики АФДТ было достигнуто достоверное снижение количества потенциальных пародонтопатогенов и устранение Candida albicans при сохранении стабилизирующей микрофлоры (Джанчатова, 2011; Шугайлов и соавт., 2011). Наряду с уменьшением воспалительных проявлений, использование АФДТ в комплексном лечении воспалительных заболеваний пародонта оказывает выраженный положительный эффект на микроциркуляцию и кислородный обмен в тканях десны.

В результате в системе тканевой микроциркуляции усиливаются регуляторные влияния на микрососуды, что обеспечивает активную модуляцию тканевого кровотока (Гадзацева, 2010; Ефремова, 2005; Рисованная, 2005). В заключение этой части обзора следует еще раз подчеркнуть преимущества АФДТ: (1) возможность местного нанесения ФС в очаг инфекции и его селективного облучения светом приводит к высокой локальности бактерицидного эффекта, что позволяет избежать или минимизировать повреждения окружающих здоровых тканей и воздействия на нормальную микрофлору; (2) возможность быстрой эрадикации бактерий за очень короткий промежуток времени (секунды или минуты) в зависимости от световой дозы; (3) отсутствие резистентности к фотодинамическому воздействию.

Источник: журнал "Инновационная стоматология 1/2012" Академия Инновационной Стоматологии "АИСт" - http://http://academia-aist.ru/