CC BY
219
2015
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Сер. 11
Вып. 1
ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ НАУКА И КЛИНИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА
УДК 616-006
В. А. Кащенко1, Д. В. Распереза1, Д. А. Творогов1,2, М. В. Добрун1 ФОТОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ:
ОТ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ К ПРАКТИКЕ
1 Клиническая больница № 122 им. Л. Г. Соколова, Российская Федерация, 194291, Санкт-Петербург, пр. Культуры, 4
2 Северо-Западный государственный медицинский университет им. И. И. Мечникова, Российская Федерация, 191015, Санкт-Петербург, Кирочная ул., 41
Представлен обзор разрабатываемых, исследуемых и применяемых в клинической практике в России и за рубежом фотосенсибилизаторов для фотодинамической терапии и флуоресцентной диагностики. Описаны основные свойства фотосенсибилизаторов на основе производных гематопорфирина, хлоринов, фталоцианинов, нафталоцианинов, бензопорфиринов, феофорби-дов, порфиценов и др. Перечислены основные лекарственные препараты на их основе, указана область клинического применения. В статье представлен обзор существующих теорий, объясняющих механизмы селективного накопления фотосенсибилизаторов в опухолевых тканях. Представлены результаты аппаратных и инструментальных разработок в области фото динамической терапии и флуоресцентной диагностики. Библиогр. 20 назв.
Ключевые слова: фотосенсибилизаторы, фотодинамическая терапия.
PHOTODYNAMIC THERAPY: FROM FUNDAMENTAL RESEARCH TO PRACTICE
V A. Kashchenko1, D. V Raspereza1, D. A. Tvorogov1,2, M. В. Dobrun1
1 Clinical Hospital N 122 n.a. L. G. Sokolov, 4, pr. Kul'tury, St. Petersburg, 194291, Russian Federation
2 North-Western State Medical University named after I. I. Mechnikov, 41, Kirochnaia ul., St. Petersburg, 191015, Russian Federation
We present a review of photosensityzers for photodynamic therapy and fluorescent diagnosis, which are being developed, investigated and applied in clinical practice in Russia and other countries. Principal properties of photosensitizers based on derivatives of hematoporirin, chlorines, phtalocyanines, naphthalocyanines, benzoporphyrins, pheophorbides, porphycenesetc are described. Main drugs based on these agents are listed, their area of clinical application is specified. The article presents a review of available theories explaining mechanisms of photosensitizer selective accumulation in tumor tissue. The results of hardware and tool development in photodynamic therapy and fluorescence diagnostics are also given. Refs 20.
Keywords: photosensitizers, photodynamic therapy.
На сегодняшний день традиционные методы лечения онкологических больных, несмотря на достижения в хирургии, использование совершенной техники для лучевой терапии, наличие множества средств и способов химиотерапии, не могут полностью удовлетворить требования клинической практики, поскольку близки к пределу своих возможностей. Каждому методу свойственны свои достоинства, не-
достатки и ограничения. Кроме этого, одной из наиболее сложных проблем является реабилитация онкологических больных после проведенного хирургического лечения, в восстановительном периоде после химиотерапии, а также лучевой терапии. Тяжесть состояния таких больных обусловлена, в первую очередь, депрессией иммунитета и интоксикацией.
Все это заставляет специалистов всего мира искать новые пути в диагностике и лечении онкологических больных. Одним из таких новых методов, показавших свою перспективность в последние десятилетия, является фотодинамическая терапия (ФДТ) [1, 2].
Основными преимуществами ФДТ перед общепринятыми методами лечения злокачественных опухолей являются избирательность поражения, отсутствие риска хирургического вмешательства и тяжелых системных осложнений, допустимость многократного повторения, сочетание в одной процедуре флуоресцентной диагностики и лечебного воздействия, низкая стоимость лечения.
Считается, что фотомедицина зародилась примерно 4 тыс. лет назад в древнем Египте и Индии, где для лечения витилиго использовали экстракты трав и обычный солнечный свет. Это был первый опыт применения фотохимиотерапии. Современное развитие это направление получило в 1900 г. после открытия явления «химической фотосенсибилизации» немецким студентом-химиком Оскаром Раабом в лаборатории Мюнхенского университета. Он наблюдал гибель простейших микроорганизмов (парамеций), находящихся в слабом растворе красителя акридинового кислого, при облучении светом. Это позволило высказать предположение о возможности некоторых флюоресцирующих субстратов трансформировать энергию света в химическую энергию [3].
Большой вклад в развитие фотомедицины внес датский врач Нильс Финсен, который получил Нобелевскую премию в 1903 г. за внедрение метода лечения туберкулезной волчанки (туберкулезное поражение кожи) с помощью концентрированного светового излучения.
Применение фотодинамического эффекта в онкологии берет свое начало с работы А. РоНсагё [4], в которой было показано, что при облучении ультрафиолетом некоторые злокачественные опухоли человека флуоресцируют в оранжево-красной области спектра. Данное явление объясняли наличием в опухолях эндогенных пор-фиринов. Позднее это было подтверждено на экспериментальных опухолях, которые начинают флуоресцировать в красной области спектра, если животным предварительно ввести гематопорфирин [5].
Современная эпоха применения ФДТ в онкологии началась с публикаций И.. Црзои в 60-х годах XX в., в которых было показано, что после внутривенной инъекции смеси производных гематопорфирина (ИрБ) злокачественные опухоли визуализируются за счет характерного флуоресцентного излучения избирательно накопленных порфиринов [4-7]. В 1966 г. было проведено флуоресцентное детектирование и первое фотодинамическое лечение пациентки с раком молочной железы [8]. В 1976 г. ИрБ был впервые успешно применен в США для лечения рака мочевого пузыря. В результате ФДТ, проведенной через 48 ч после внутривенного введения производного гематопорфирина, исследователи наблюдали селективный некроз рецидивирующей папиллярной опухоли мочевого пузыря, нормальная слизистая при этом не была повреждена [9, 10].
С начала 80-х годов ФДТ стали применять в лечении эндобронхиального рака [11, 12], опухолей головы и шеи [13], пищевода [14-16]. МсСа^Ьап е! а1. впервые использовали фотодинамическую терапию для разрушения хориоидальной мелано-мы [16, 17].
В основе поражающего действия ФДТ опухолей лежит свободнорадикальный механизм.
Механизм поражения клеток опухоли при ФДТ может быть представлен в виде следующей схемы: фотосенсибилизатор (ФС), локализованный в мембранах или цитоплазме раковой клетки, поглощая квант лазерного излучения, переходит в возбужденное состояние, в синглетное, а затем в триплетное. Из последнего ФС передает энергию возбужденного состояния на кислород с образованием радикала, т. е. синглетного кислорода, который обладает большой химической активностью. Это позволяет ему инициировать вторичные свободнорадикальные реакции с участием основных компонентов клетки, мембран, белков, ДНК, что в итоге и приводит к гибели раковой клетки. Причины специфической, контрастной аккумуляции ФС клетками опухоли по сравнению со здоровыми клетками до конца не ясны. Высказывается предположение о том, что подобная ситуация вызвана высоким уровнем митотической активности раковых клеток. В пользу этого предположения свидетельствует и тот факт, что некоторые не опухолевые клетки, обладающие высоким уровнем активности, например бактериальные клетки в очаге инфицирования, клетки эндометрия, также аккумулируют значительные количества ФС. Это обстоятельство послужило основанием для разработки метода ФДТ неопухолевых заболеваний. Одним из таких примеров является антибактериальное действие низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) в присутствии экзогенных ФС в процессе лечения гнойных, длительно не заживающих ран и трофических язв [6, 7].
Термин ФДТ обусловлен фотодинамическим механизмом образования первичных радикалов-инициаторов. Однако в основе поражающего эффекта НИЛИ при ФДТ опухолей лежит инициация вторичных фотохимических свободнорадикаль-ных реакций с участием клеточных мембран, белков, ДНК, что и приводит к формированию апоптоза или некроза опухолевых клеток. Вот почему можно предложить, в отличие от ФДТ опухолей, назвать технологию поражающего действия НИЛИ в присутствии экзогенных ФС на неопухолевые клетки фотодинамической антибактериальной терапией (ФДАТ).
Фотодинамическая антибактериальная терапия в процессе заживления гнойных, длительно не заживающих ран и трофических язв обладает преимуществом перед традиционной антибактериальной терапией хирургической инфекции, поскольку не наблюдалось внутривидовых отличий чувствительности микроорганизмов к воздействию ФДТ. В отличие от антибиотиков противомикробное действие ФДТ не убывает со временем. У патогенных микроорганизмов не развивается устойчивости к ФДТ, что важно при лечении хронических инфекционных процессов. Бактерицидный эффект метода ФДТ лимитируется зоной лазерного облучения сенсибилизированных тканей, что позволяет избежать при местной ФДТ генерализации побочных эффектов, наблюдаемых при применении антибиотиков и антисептиков [6].
Однако эти свойства ФДТ еще малоизвестны широкому кругу практикующих врачей. Метод был разработан впервые в ГНЦ ЛМ МЗРФ, имеет прототип, коему
нет аналогов, поскольку фотодинамическая терапия ран — сравнительно молодой метод.
Существует несколько гипотез механизма действия ФДТ, но основой всех неизменно являются: накопление фотосенсибилизатора в патологических клетках, воздействие светом с длиной волны, соответствующей пику поглощения ФС, генерация синглетного кислорода. Взаимодействие указанных компонентов обеспечивает фундаментальный фотобиологический процесс, на котором основана фотодинамическая терапия. В патологических клетках начинается фотохимическая реакция с образованием синглетного кислорода и кислородных свободных радикалов, оказывающих разрушающее действие на патологическую клетку.
В качестве первого ФС была использована смесь производных гематопорфири-на (HpD), обладавшая очень высокой степенью фототоксичности. Первый зарубежный препарат на его основе назывался «Фотофрин» [18]. В России А. Ф. Мироновым был разработан и зарегистрирован для медицинского применения в 1999 г. аналог фотофрина препарат «Фотогем». Пик поглощения этих ФС находится в красном диапазоне, примерно 630 нм, при этом глубина фотоиндуцированных некрозов не превышает 1 см.
В начале 80-х годов уже велась работа по созданию фотосенсибилизаторов, улучшенных по сравнению с гематопорфирином, имеющим много недостатков, и его аналогами. Препараты группы HpD получили известность как «первое поколение»; новые были названы «второе поколение». Большинство фотосенсибилизаторов второго поколения относилось к классу тетрапирролов [19, 20].
Опыт клинического применения ФДТ позволил сформулировать требования, предъявляемые к «идеальному фотосенсибилизатору»:
1. Химическая чистота и однородность состава.
2. Отсутствие темновой токсичности.
3. Высокая способность к аккумуляции в ткани-мишени.
4. Быстрое выведение из организма больного.
5. Высокая фотохимическая активность, характеризующаяся высоким квантовым выходом синглетного кислорода.
6. Поглощение света в длинноволновой части спектра (600-800 нм), в которой биологические ткани наиболее прозрачны, с высоким коэффициентом экстинкции.
В последние десятилетия были синтезированы десятки веществ, обладающих фотосенсибилизирующими свойствами. Хотя «идеальный» фотосенсибилизатор пока не получен, разработаны препараты, приближающиеся по ряду свойств к требуемым характеристикам. К настоящему времени большое количество фотосенсибилизаторов было испытано в экспериментах in vitro и in vivo. Многие фотосенсибилизаторы испытываются в клинике. Основные классы фотосенсибилизаторов — это производные порфирина, бензопорфирина, хлорина, фталоцианина, текзафирины и порфицены. На протяжении последних лет проводится активный поиск ФС бакте-риохлоринового ряда с пиком поглощения в дальней красной и ближней инфракрасной областях спектра, которые обеспечивают воздействие на пораженную ткань на глубине более 2 см и открывают возможность лечения объемных и глубокозалегаю-щих опухолей.
Несмотря на то что исследования в области применения ФДТ ведутся уже много лет, применение этого метода в лечебной практике сдерживалось отсутствием до-
статочно эффективных нетоксичных препаратов. В настоящее время в нашей стране разрешены к использованию фотосенс, фотогем, фотодитазин, радахлорин, аласенс. Все они имеют характерный спектр поглощения, но различаются положением пиков. Имеют отличия в механизмах действия внутри организма и в скорости выведения. Также существуют разные варианты накопления ФС. Они могут накапливаться в клетках злокачественных опухолей, в сосудах и бактериях. Эти данные постоянно уточняются и дополняются. Кроме того, выделяют различные способы доставки ФС в организм больного: внутривенный, интерстициальный, пероральный, локальный. Для этого используют препараты в форме раствора или геля. Задача врача заключатся в подборе оптимального фотосенсибилизатора для разных типов опухолевой ткани, их локализации при разработке методики ФДТ.
Параллельно с появлением новых ФС появлялись и новые источники излучения. Сначала для проведения процедур ФДТ использовались лампы, затем гелий-неоновые лазеры. Целую революцию в данной области произвело появление диодных лазеров. Они отличались компактностью исполнения, широким диапазоном длин волн, простотой эксплуатации, относительно невысокой стоимостью. Поглощение света и глубина проникновения в ткань также различны и зависят, в первую очередь, от длины волны.
Глубина проникновения уменьшается по направлению от длинноволнового излучения к коротковолновому излучению. Так, проникающая способность излучения от ультрафиолетовой до оранжевой части оптического спектра постепенно увеличивается от 1-20 мкм до 2,5 мм, с резким увеличением глубины проникновения в красной части (до 20-30 мм), а коротковолновое инфракрасное излучение с длинами волн от 0,76 до 1,5 мкм относительно слабо поглощается биологическими тканями и поэтому проникает в них глубоко, до 3-7 см. Глубина проникновения излучения зависит также от типа ткани.
Появился широкий спектр оптоволоконного инструмента для диагностики и проведения процедур ФДТ различной локализации. И сразу же последовал всплеск в разработке новых методик лечения. Но инженерная мысль не стоит на месте. И уже появляются принципиально новые источники на основе сверхъярких диодов, которые отличаются компактностью исполнения, широкими возможностями выбора длины волны, безопасностью излучения и самое главное — низкой стоимостью по сравнению с лазерами. Это дает возможность более широкого внедрения ФДТ в клиническую практику.
Показания. Злокачественные новообразования: легких, мозга (глиобластомы), кожи, губ, полости рта, языка, ушных раковин, век; у женщин — влагалища, вульвы, шейки матки, молочной железы; у мужчин — простаты.
Неонкологические заболевания: болезни с нечеткой этиологией (рассеянный склероз, склеродермия, псориаз и др.), вирусные болезни (герпес, гепатит В и С и др.), артриты, длительно текущая аллергия, бронхиальная астма, болезни эндокринной системы (включая диабет), кожные заболевания (угри, дерматиты, экземы, гнойные раны, трофические язвы), аутоиммунные и прочие хронические болезни, не поддающиеся традиционному лечению.
Противопоказания. ФДТ противопоказана при: сердечно-сосудистой недостаточности, гипотонии, нарушениях мозгового кровообращения, психических расстройствах, тяжелой печеночной и почечной недостаточности, болезнях крови.
Таким образом, современное состояние знаний о механизмах действия фотодинамической терапии можно резюмировать следующим образом. Метод ФДТ базируется на свойстве клеток опухоли селективно накапливать и некоторое время удерживать определенные красители, называемые фотосенсибилизаторами (ФС). В основе метода лежит эффект фотохимического поражения раковых клеток. Поглощение молекулами фотосенсибилизатора квантов света в присутствии кислорода приводит к фотохимической реакции, в результате которой молекулярный триплет-ный кислород превращается в синглетный, а также образуется большое количество высокоактивных радикалов. Синглетный кислород и радикалы вызывают в клетках опухоли некроз и апоптоз (два варианта гибели клеток). ФДТ также приводит к нарушению питания и гибели опухоли за счет повреждения ее микрососудов. Подобная фотохимическая реакция становится возможной, когда на фотосенсибилизатор, накопившийся в опухоли, воздействуют светом достаточной мощности и длины волны излучения. Заживление происходит по типу естественных репаративных процессов, поэтому метод является наиболее органосохраняющим, а также легко переносимым. Это позволяет повторять лечение, при необходимости, многократно.
На основании ряда исследований доказано, что ФС также накапливаются в аномальных клетках биоткани и микроорганизмах, что дает основание использовать метод ФДТ для лечения заболеваний неопухолевой природы. Важным достоинством метода является возможность сочетания в одной процедуре флуоресцентной диагностики и ФДТ.
Высокий флуоресцентный контраст опухоли и окружающей ткани позволяет при проведении флюоресцентной диагностики уточнять границы опухолей и выявлять визуально не определяемые опухолевые образования для последующего орга-носохраняющего лечения без повреждения ткани, окружающей опухоль. Появились диагностические системы, которые можно использовать в режиме реального времени для визуализации опухоли в ходе операции.
Так, в результате тесного сотрудничества ученых биологов, химиков, физиков и врачей появилось новое направление — фотомедицина.
Преимущества метода:
• возможность проводить одновременно лечение и диагностику;
• избирательное воздействие только на клетки опухоли;
• возможность сохранения поврежденного органа;
• хороший косметический результат;
• выраженный антибактериальный и противовоспалительный эффекты;
• лечение труднодоступных новообразований;
• возможность многократного повторения лечебных процедур;
• лечение с помощью фотодинамической терапии практически не дает тяжелых системных или местных осложнений;
• малая травматичность, отсутствие кровотечения, отсутствие рубцов и быстрое восстановление тканей;
• процедуры можно проводить даже людям с тяжелой патологией и пожилым пациентам;
• можно проводить амбулаторное лечение.
Метод ФДТ является принципиально новым подходом к лечению злокачественных опухолей и заболеваний неопухолевой природы. В настоящее время этот метод
может использоваться как альтернативный метод воздействия на первичный опухолевый очаг в качестве адъювантной терапии или в сочетании с другими методами лечения (химиотерапия, лучевая терапия и др.) при наличии противопоказаний к хирургическому методу лечения. Использование лазерных устройств с различным способом доставки пучка света предполагает использование ФДТ как при наружных новообразованиях, так и расположенных внутрипросветно (пищеварительный тракт, дыхательная система, мочеполовые пути), а в случае полостных операций — при поражении паренхиматозных органов, брюшины, плевры.
Литература
1. Странадко Е. Ф. Механизмы действия фотодинамической терапии // Российский онкологический журнал. 2008. Т. 4, № 4. С. 52-56.
2. Гейниц A. B., Сорокатый А. Е., Ягудаев Д. М., Тухманов Р. С. Фотодинамическая терапия. История создания метода и механизмы // Лазерная медицина. 2007. Т. 11, № 3. С. 42-46.
3. Странадко Е. Ф. Исторический очерк развития фотодинамической терапии // Лазерная медицина. 2002. Т. 6, №1. С. 4-8.
4. Истомин Ю. П., Чалов В. Н., Потровская Н. А. Фотодинамическая терапия в РНЦП ОМР им. Н. Н. Александрова // Фотодинамическая терапия и фотодиагностика. 2012. № 1. С. 24.
5. Каплан М. А., Капинус В. Н., Попучиев Е. В., Романко Ю. С., Ярославцева-Исаева Е. В. Фотодинамическая терапия: результаты и перспективы // Радиация ириск (Бюллетень Национального радиационно-эпидемиологического регистра). 2013. Т. 22, № 3. С. 115-123.
6. Казачкина Н. И., Якубовская Р. И., Соколов В. В. и др. Эффективность сочетанного использования фотодинамической терапии и химиотерапии в эксперименте // Российский биотерапевтический журнал. 2007. Т. 6, № 1. 16 с.
7. Странадко Е. Ф., Армичев А. В., Гейнц А. В. Источники света для фотодинамической терапии // Лазерная медицина. 2011. Т. 16, вып. 3. С. 63-69.
8. Чиссов В. И., Соколов В. В., Филоненко Е. Ф. Фотодинамическая терапия злокачественных опухолей. Краткий очерк развития и клинического применения в России // Рос. хим. журн. 1998. № 5. Т. XIII. С. 5.
9. Цыб А. Ф., Каплан М. А., Романко Ю. С., Попучиев В. В. Фотодинамическая терапия. М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2009. 192 с.
10. Цыб А. Ф., Каплан М. А., Романко Ю. С., Попучиев В. В. Клинические аспекты фотодинамической терапии. Калуга: Изд-во научной литературы Н. Ф. Бочкаревой, 2009. 204 с.
11. Bozkulak O., Wong S., Luna M., Ferrario A., Rucker N. Multiple components ofphotodynamic therapy // Photochem. Photobiol. 2007. Vol. 83, N 6. P. 1029-1033.
12. Konopka K., Goslinski T. Photodynamic therapy in dentistry // J. Dent Res. 2007. Vol. 86. P. 694-707.
13. Wang K. K. Photodynamic therapy of Barrett's esophagus // Gastrointestinal Endoscopy Clinics of North America. 2000. Vol. 10. P. 409-419.
14. Jori G. J. Photodinamic Therapy of Microdial Infections: State of the art and Perspectives //J. Environmental Pathology, Toxicology and Oncology. 2006. Vol. 25 (1-2), 1-15. P. 214.
15. Hamblin M. R., Hasan T. Photodynamic therapy: a new antimicrobial approach to infectious disease? // Photochem. Photobiol. Sci. 2004. Vol. 3. P. 436-450.
16. Bown S. G., Lovat L. B. The biology of photodynamic therapy in the gastrointestinal tract // Gastrointestinal Endoscopy Clinics of North America. 2000. Vol. 10. P. 533-550.
17. Kushibiki T., Tajiri T., Tomioka Y., Awazu K. Photodynamic therapy induces interleukin secretion from dendritic cells // Int. J. Clin. Exp. Med. 2010. Vol. 3. P. 110-114.
18. Agostinis P., Berg K., Cengel K. A. et al. Photodynamic therapy of cancer: an update. CA Cancer // J. Clin. 2011. Vol. 61. P. 250-81.
19. WangK. K., Nijhawan P. K. Complications of photodynamic therapy in gastrointestinal disease // Gastrointestinal Endoscopy Clinics of North America. 2000. Vol. 10. P. 487-495.
20. Robertson C. A., Evans D. H., Abrahamse H. Photodynamic therapy (PDT): a short review on cellular mechanisms and cancer research applications for PDT // J. Photochem. Photobiol. 2009. Vol. 96. P. 1-8.
Статья поступила в редакцию 25 декабря 2014 г.
Контактная информация
Кащенко Виктор Анатольевич — доктор медицинских наук, заведующий кафедрой факультетской хирургии; [email protected]
Распереза Дмитрий Викторович — врач-эндоскопист
Творогов Дмитрий Анатольевич — врач-хирург; кандидат медицинских наук, ассистент кафедры хирургии им. Н. Д. Монастырского
Добрун Марина Васильевна — менеджер направления ФДТ
Kashchenko Victor A. — Doctor of Medicine, Head of the Surgery department; [email protected] Raspereza Dmitriy V. — еndoscopist
Tvorogov Dmitriy A. — surgeon; Candidate of Medicine, assistant of Surgery department named after
N. D. Monastyrskogo
Dobrun Marina V. — Manager of FDT
