© Borgis - Nowa Medycyna 1/2013, s. 26-30
*Anna Choromańska, Julita Kulbacka, Jolanta Saczko
Terapia fotodynamiczna – założenia, mechanizm, aplikacje kliniczne**
Photodynamic therapy – principles, mechanism, clinical applications
Katedra i Zakład Biochemii Lekarskiej, Uniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich we Wrocławiu
Kierownik Katedry i Zakładu: prof. dr hab. Andrzej Gamian
Summary
The photodynamic therapy (PDT) is a noninvasive method of treatment, involving the interaction of light, photosensitizer and oxygen present in the tissues. The result of this interaction is a cascade of processes with induction of phototoxic effect. The main cytotoxic mechanism of PDT is damaging cell membranes, intracellular organelles and nucleus. High concentrations of photosensitizer and a short time of incubation lead to the destruction of the cells by necrosis, while lower concentrations of photosensitizer and a longer time of incubation cause apoptotic cell death processes. Photodynamic therapy gives the best results in the treatment of precancerous lesions. Particularly is preferred where surgical, radiological or chemotherapy is impossible. Recently, there is also non-oncological use, including ophthalmology, dentistry or photoangioplasty. Increasing the feasibility and efficiency of the method depends mainly on the availability of photosensitizers as well as their bioavailability within malignant tissue. The main limitation of PDT is not efficient selectivity of photosensitizing drugs. The most common side effects are associated with the fact that the photosensitizers accumulate in normal tissues. Currently, studies are being conducted on how to improve the efficiency of transport medicine to the affected tissue. Currently, nanomaterials play an important role here. Liposomes, lipoproteins, monoclonal antibodies and electroporation are also applied. In combination with photosensitizers they can improve the performance of photodynamic therapy and limit its side effects.
WPROWADZENIE
Choroby nowotworowe są obok schorzeń układu krążenia najczęstszą przyczyną zgonów. Stosowane obecnie w onkologii klinicznej metody, takie jak radio- czy chemioterapia nie działają selektywnie na tkankę nowotworową, co prowadzi do licznych powikłań związanych z uszkodzeniem zdrowych tkanek. Dodatkowo, stosowanie chemioterapeutyków aktywuje wtórną oporność komórek nowotworowych. Nowa, obecnie jeszcze niestosowana powszechnie terapia fotodynamiczna – PDT (ang. photodynamic therapy), wydaje się w tym aspekcie bardzo obiecującą. Metoda ta opiera się na wykorzystaniu światłoczułych związków, które selektywnie kumulują się w tkance nowotworowej (1-3).
PDT jest procedurą kilkuetapową, której skuteczność zależy od indukcji reakcji fotocytotoksycznych, będących wynikiem aktywacji światłem zaaplikowanego wcześniej fotouczulacza (ryc. 1) (4-6).
Ryc. 1. Mechanizmy prowadzące do śmierci komórek nowotworowych. Reaktywne formy tlenu (RFT) (4-6).
Podany dożylnie lub miejscowo fotouczulacz pochłaniany jest przez wszystkie komórki. Ze zdrowych tkanek usuwany jest po kilkunastu godzinach, w nowotworowych pozostaje nawet przez kilka dni. Zjawisko to nie zostało do końca wyjaśnione. Wzmożony wychwyt tych substancji przez komórki nowotworowe może wynikać z ich wiązania się w osoczu z lipoproteinami o niskiej gęstości (LDL – ang. low density lipoprotein). LDL są szczególnie szybko wychwytywane przez komórki intensywnie dzielące się, do których należą komórki nowotworowe. Proliferujące komórki nowotworowe potrzebują do budowy błon komórkowych dużych ilości cholesterolu dostarczanego przez LDL do komórek. Dodatkowo, słabo wykształcony system naczyń limfatycznych utrudnia procesy wydalania związków z miejsc zmienionych chorobowo (1, 6-9).
MECHANIZM REAKCJI FOTODYNAMICZNEJ (RFD)
Reakcja fotodynamiczna (RFD) wymaga trzech składników: fotouczulacza, który lokalizuje się w tkance nowotworowej i uczula ją na działanie światła oraz źródła światła o odpowiedniej długości fali, które wzbudza zakumulowany w tkance nowotworowej fotouczulacz. Niezbędny jest także tlen rozpuszczony w tkance. Warunkiem zainicjowania reakcji fotochemicznej jest korelacja pasma emisji źródła światła z pasmem absorpcji barwnika (4). Proces niszczenia komórek nowotworowych metodą fotodynamiczną jest zależny od stężenia tlenu w środowisku reakcji i zachodzić może według dwóch głównych mechanizmów:
Mechanizm I
Absorpcja fotonu przez cząsteczkę fotouczulacza (PS, ang. photosenstitizer) powoduje jego wzbudzenie i przejście z singletowego stanu podstawowego (S0) do stanu singletowego wzbudzonego (S1). Następnie w wyniku bezpromienistego przejścia interkombinacyjnego, fotosensybilizator przechodzi do wzbudzonego stanu trypletowego (T1). W tej postaci może wzbudzać biomolekuły, będące w jego otoczeniu. Nadmiar energii jest przekazywany na cząsteczkę tlenu. Tak powstają reaktywne formy tlenu (RFT), niszczące komórki w procesie utleniania.
1PS + hv → 1PS* → 3PS* – absorpcja fotonu i przejście fotouczulacza do stanu wzbudzonego
3PS* + 1M → 2PS+ + 2M– – przeniesienie elektronu z fotouczulacza na biomolekuły
2M–+ 3O2 → 1M + O2.– – przeniesienie elektronu z biomolekuły na cząsteczkę tlenu i wytworzenie anionorodnika ponadtlenkowego
Mechanizm II
Przyjmuje się, że mechanizm II jest dominującym i najważniejszym procesem warunkującym skuteczność PDT. Po przejściu fotosensybilizatora do wzbudzonego stanu trypletowego dochodzi do przekazania energii bezpośrednio na cząsteczkę tlenu. W wyniku tego powstaje tlen singletowy, charakteryzujący się stosunkowo długim czasem życia oraz wyjątkowo silnymi właściwościami utleniającymi.
1PS + hv → 1PS* → 3PS* – absorpcja fotonu i przejście fotouczulacza do stanu wzbudzonego
3PS* + 3O2 → 1PS + 1O2 – przekazanie energii z fotouczulacza na cząsteczkę tlenu, powstanie tlenu singletowego
Stosunek udziału obu mechanizmów zależy od wielu czynników, m.in.: stężenia tlenu, stałej dielektrycznej tkanek, pH środowiska, struktury barwnika. Fotosensybilizatory ftalocyjaninowe wykazują większą tendencję do tworzenia form rodnikowych, natomiast porfirynowe do generacji tlenu singletowego (4).
SPOSOBY ZWIĘKSZANIA SELEKTYWNOŚCI I BIODOSTĘPNOŚCI FOTOUCZULACZY
Zastosowanie nanotechnologii
Badania dowodzą, że nanomateriały w połączeniu z fotouczulaczami mogą zwiększyć wydajność terapii fotodynamicznej oraz eliminować jej efekty uboczne (10). Co więcej, dzięki manipulacji rozmiarami nanocząsteczek można uniknąć przedostawania się toksycznego fotosensybilizatora do zdrowych tkanek (11). Biodostępność hydrofobowych porfiryn skuteczne podnosi ich koniugacja z hydrofilowym polimerem, takim jak np. PEG. Badania na cząsteczkach mezo-tetra-4-hydroksyfenyloporfiryny (mTHPP), połączonej kowalencyjnie z cząsteczką PEG o różnej liczbie merów wykazały, że utworzony kompleks powodował zwiększenie rozpuszczalności reszt porfirynowych i ograniczenie ich agregacji w środowisku wodnym (12).
Niezwykle stabilne i dobrze wchłaniane przez komórki nowotworowe okazały się konstrukty fotouczulaczy z nanocząstkami krzemowymi. Istotne jest to, że w organizmie są one degradowane do kwasu krzemowego, który jest łatwo eliminowany. Poza tym, nanocząstki krzemowe mogą generować tlen singletowy bez udziału fotouczulacza (10, 13, 14).
Naukowcy z Uniwersytetu w Michigan uzyskali stabilny kompleks błękitu metylenowego z nanocząsteczkami nietoksycznego poliakrylamidu. Konstrukt nie ulega degradacji enzymatycznej, ale jest przepuszczalny dla tlenu singletowego, który dyfundując na zewnątrz kapsuły, rozpoczyna reakcję cytotoksyczną. Zastosowanie otoczki polimerowej pozwoliło na zmniejszenie toksyczności fotouczulacza (10, 15).
Fotosensybilizatorami kolejnej generacji stają się fotouczulacze typu PUNP (ang. Photon Upconverting Nanoparticles). Są one zbudowane ze światłoczułego związku oraz nanocząstek, których rdzeń ma zdolność konwersji energii uzyskanej z fotonów – PUNPs (ang. Photon Upconverting Nanoparticles). Wyjątkowość układu polega na tym, że promieniowanie emitowane przez rdzeń posiada energię wyższą niż pochłonięte. Ponadto rdzeń ma zdolność pochłaniania promieniowania podczerwonego, które penetruje tkankę na głębokość nawet kilkanaście razy większą niż promieniowanie widzialne. Układ ten w sposób wysoce selektywny kumuluje się w tkance nowotworowej dzięki wyznakowaniu przeciwciałami (16).
Powyżej zamieściliśmy fragment artykułu, do którego możesz uzyskać pełny dostęp.
Mam kod dostępu
- Aby uzyskać płatny dostęp do pełnej treści powyższego artykułu albo wszystkich artykułów (w zależności od wybranej opcji), należy wprowadzić kod.
- Wprowadzając kod, akceptują Państwo treść Regulaminu oraz potwierdzają zapoznanie się z nim.
- Aby kupić kod proszę skorzystać z jednej z poniższych opcji.
Opcja #1
29 zł
Wybieram
- dostęp do tego artykułu
- dostęp na 7 dni
uzyskany kod musi być wprowadzony na stronie artykułu, do którego został wykupiony
Opcja #2
69 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 30 dni
- najpopularniejsza opcja
Opcja #3
129 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 90 dni
- oszczędzasz 78 zł
Piśmiennictwo
1. Hamblin MR, Mróz P: History of PDT: the first hundred years. [In:] Hamblin MR, Mróz P (ed.): Advances in Photodynamic Therapy: Basic, Translational and Clinical. Artech House, Boston-London 2008, 1-12. 2. Alexiades-Armenakas M: Laser – mediated photodynamic therapy. Clin Dermatol 2006; 24: 16-25. 3. Allison RR, Mota HC, Sibata CH: Clinical PD/PDT in North America: An historical review. Photodiag Photodyn Ther 2004; 4: 263-277. 4. Marcus SL, McIntire WR: Photodynamic therapy systems and applications. Expert Opin Emerging Drugs 2002; 7: 319-331. 5. MacCormack MA: Photodynamic Therapy. Adv Dermatol 2006; 22: 219-258. 6. Triesscheijn M, Baas P, Schellens JHM, Stewart FA: Photodynamic Therapy in Oncology. Oncologist 2006; 11: 1034-1044. 7. Moan J, Berg K: The photodegradation of porphyrins in cells can be used to estimate the lifetime of singlet oxygen. Photochem Photobiol 1991; 53: 549-553. 8. Castano AP, Demidova TN, Hamblin MR: Mechanisms in photodynamic therapy: part two – cellular signaling, cell metabolism and modes of cell death. Photodiag Photodyn Ther 2005; 2: 1-23. 9. Castano AP, Demidova TN, Hamblin MR: Mechanisms in photodynamic therapy: part three – Photosensitizer pharmacokinetics, biodistribution, tumor localization and modes of tumor destruction. Photodiag Photodyn Ther 2005; 2: 91-106. 10. Plucińska J, Podbielska H: Nanomateriały we wspomaganiu terapii fotodynamicznej. Acta Bio-Opt Inform Med 2009; 15: 178-181. 11. Wilk KA, Zielińska K, Pietkiewicz J et al.: Photo-oxidative action in MCF-7 cancer cells induced by hydrophobic cyanines loaded in biodegradable microemulsion-templated nanocapsules. Int J Oncol 2012; 41: 105-116. 12. Nawalany K: Nowe fotoaktywne nanoukłady do zastosowania w terapii fotodynamicznej (PDT). [W:] Nawrat Z (red.): Postępy Technologii Biomedycznych. M Studio Zabrze, Zabrze 2007, 105-106. 13. Roy I, Ohulchanskyy TY, Pudavar HE et al.: Ceramic-based nanoparticles entrapping water insoluble photosensitizing anticancer drugs: a novel drug-carrier system for photodynamic therapy. J Am Chem Soc 2003; 125: 7860-7865. 14. Juzenas P, Chen W, Sun YP et al.: Quantum dots and nanoparticles for photodynamic and radiation therapies of cancer. Adv Drug Deliver Rev 2008; 60: 1600-1614. 15. Tang W, Xu H, Park EJ et al.: Encapsulation of methylene blue in polyacrylamide nanoparticle platforms protects its photodynamic effectiveness. Biochem Biophys Res Com 2008; 369: 579-583. 16. Zhang P, Steelant W, Kumar M, Scholfield M: Versatile Photosensitizers for Photodynamic Therapy at Infrared Excitation. J Am Chem Soc 2007; 129: 4526-4527. 17. Zheng G, Chen J, Stefflova K et al.: Photodynamic molecular beacon as an activatable photosensitizer based on proteasecontrolled singlet oxygen quenching and activation. PNAS 2007; 104: 8989-8994. 18. Chowdhary RK, Sharif I, Chansarkar N et al.: Correlation of photosensitizer delivery to lipoproteins and efficacy in tumor and arthritis mouse models; comparison of lipid-based and Pluronic P123 formulations. J Pharm Pharm Sci 2003; 6: 198-204. 19. Cozzani I, Jori G, Bertoloni G et al.: Efficient photosensitization of malignant human cells in vitro by liposome-bound porphyrins. Chem Biol Interact 1985; 53: 131-143. 20. Guelluy PH, Fontaine-Aupart MP, Grammenos A et al.: Optimizing photodynamic therapy by liposomal formulation of the photosensitizer pyropheophorbide-a methyl ester: in vitro and ex vivo comparative biophysical investigations in a colon carcinoma cell line. Photochem Photobiol Sci 2010; 9: 1252-1260. 21. Chen B, Pogue BW, Hasan T: Liposomal delivery of photosensitising agents. Expert Opin Drug Deliv 2005; 3: 477-487. 22. Morgan J, Gray AG, Huehns ER: Specific targeting and toxicity of sulphonated aluminium phthalocyanine photosensitised liposomes directed to cells by monoclonal antibody in vitro. Br J Cancer 1989; 59: 366-370. 23. Skołucka N, Saczko J, Kotulska M et al.: Elektroporacja i jej zastosowanie. Pol Merkur Lek 2010; 168: 501-504. 24. Kotulska M: Electrochemotherapy in Cancer Treatment. Adv Clin Exp Med 2007; 16: 601-607. 25. Saczko J, Nowak M, Skołucka N et al.: The effects of the electro-photodynamic in vitro treatment on human lung adenocarcinoma cells. Bioelectrochemistry 2010; 79: 90-94. 26. Labanauskiene J, Gehl J, Didziapetriene J: Evaluation of cytotoxic effect of photodynamic therapy in combination with electroporation in vitro. Bioelectrochemistry 2007; 70: 78-82. 27. Tamosiunas M, Bagdonas S, Didziapetriene J, Rotomskis R: Electroporation of transplantable tumour for the enhanced accumulation of photosensitizers. J Photochem Photobiol B 2005; 81: 67-75. 28. Johnson PG, Hui, SW, Oseroff AR: Electrically enhanced percutaneous delivery of δ-aminolevulinic acid using electric pulses and a DC potential. Photochem Photobiol 2002; 75: 534-540. 29. Gupta AK: Photodynamic therapy: an overview. J Am Acad Dermato 2004; 50: 81-95. 30. Lanigan SW: Terapia fotodynamiczna w dermatologii. [W:] Lanigan SW (red.): Lasery w dermatologii. Czelej, Lublin 2005, 89-94. 31. Wawrzuta A, Saczko J, Kulbacka J, Chwiłkowska A: Czy terapia fotodynamiczna może być zastosowana do leczenia czerniaka? Przegl Dermatol 2009; 96: 240-243. 32. Kennedy JC, Pottier RH, Pross DC: Photodynamic therapy with endogenous protoporphiryn IX: basic principles and present clinical experience. J Photochem Photobiol B 1990; 6: 143-148. 33. Babilas P, Landthaler M, Szeimies RM: Photodyamic therapy in dermatology. Eur J Dermatol 2006; 16: 340-348. 34. Huang Z: A review of progress in clinical photodynamic therapy. Technol Cancer Res Treat 2005; 4: 283-293. 35. Grieb P: Kwas 5-aminolewulinowy (ALA) i jego zastosowania w neurochirurgii. Neurol Neurochir Pol 2004; 38: 201-207. 36. Corti L, Mazzarotto R, Belfontali S et al.: Photodynamic therapy in gynaecological neoplastic diseases. J Photochem Photobiol B 1996; 36: 193-197. 37. Muroya T, Suehiro Y, Umayahara K et al.: Photodynamic therapy (PDT) for early cervical cancer. Gan To Kagaku Ryoho 1996; 23: 47-56. 38. Allison R, Cuenca R, Downie G et al.: PD/PDT for gynecological disease: A clinical review. Photodiagnosis Photodyn Ther 2005; 2: 51-63. 39. Qiang Y-G, Zhang X-P, Li J, Huang Z: Photodynamic therapy for malignant and non-malignant diseases: clinical investigation and application. Chin Med J 2006; 119: 845-857. 40. Allison RR, Bagnato VS, Cuenca R et al.: The future of photodynamic therapy in oncology. Future Oncol 2006; 2: 53-71. 41. Yoshida T, Tokashiki R, Ito H et al.: Therapeutic effects of a new photosensitizer for photodynamic therapy of early head and neck cancer in relation to tissue concentration. Auris Nasus Larynx 2008; 35: 545-551. 42. Moghissi K, Dixon K: Is bronchoscopic photodynamic therapy a therapeutic option in lung cancer? Eur Respir J 2003; 22: 535-541. 43. Derkacz A, Biały D, Protasiewicz M et al.: Nowy dyfuzor promieniowania laserowego i jego zastosowanie w medycynie. Acta Bio-Opt Inform Med 2002; 8: 45-48. 44. Treatment of Age-Related Macular Photodynamic Therapy (TAP) Study Group. Verteporfin (Visudyne) therapy of subfoveal choroidal neovascularization in age-related macular degeneration: two year results of two randomized clinical trials-TAP Raport 2. Arch Ophthalmol 2001; 119: 198-207. 45. Fryczkowski AW: Zwyrodnienie plamki żółtej oka związane z wiekiem. Stud Med 2008; 10: 11-15. 46. Szulc M, Ziętek M: Zastosowanie terapii fotodynamicznej w chorobach przyzębia – na podstawie piśmiennictwa. Czas Stomatol 2007; 8: 527-535. 47. Gośliński T, Konopka K, Piskorz J et al.: Perspektywy zastosowania fotodynamicznej terapii skierowanej przeciw mikroorganizmom – PACT. Post Mikrobiol 2008; 47: 447-456.
