CC BY
74Фотодинамическая терапия при сердечно-сосудистой патологии
Ю.Е. Ефремова, Г.Н. Соболева, Е.Р. Андреева, Ю.А. Карпов, Э.М. Тарарак
Сердечно-сосудистые заболевания, вызванные атеро-склеротическим поражением артериальной стенки, являются ведущей причиной смертности как в России, так и в других странах. В последнее время существенные успехи были достигнуты в изучении патофизиологии развития атеросклероза. Однако в профилактике и лечении этого заболевания остается много нерешенных проблем. Медикаментозная терапия, действующая непосредственно на клеточные механизмы атерогенеза, в настоящее время отсутствует. Инвазивные методы лечения, применяемые в данной области, - коронарное шунтирование, эндартерэк-томия, баллонная ангиопластика и стентирование нацелены на увеличение суженного просвета сосуда, что не предотвращает развития утолщения интимы, а в некоторых случаях осложняется развитием рестеноза [1, 2].
В настоящее время одним из наиболее перспективных методов, который мог бы влиять на изменение клеточного состава сосудистой стенки, является фотодинамическая терапия (ФДТ). Данная методика основана на том, что определенные ткани и клетки селективно накапливают фото-сенсибилизирующий препарат, а последующее локальное воздействие на них низкоинтенсивным лазерным облучением индуцирует образование активных форм кислорода, оказывающих цитотоксическое действие, что в конечном счете приводит к гибели клеток [3].
С 1970-х годов ФДТ в основном применяется в онкологической практике. Еще до разработки метода ФДТ выявление флуоресценции накопленных в тканях фотосенсибилизаторов (ФС) под ультрафиолетовым светом использовалось для определения локализации злокачественных опухолей.
В связи с тем, что опухолевые клетки обладают высокой метаболической активностью, они более интенсивно
ФГУ РКНПК Минздравсоцразвития России. Юлия Евгеньевна Ефремова - аспирант, Институт клинической кардиологии им. А.Л. Мясникова. Галина Николаевна Соболева - докт. мед. наук, ведущий научный сотрудник отдела ангиологии Института клинической кардиологии им. А.Л. Мясникова. Елена Ромуальдовна Андреева - канд. мед. наук, ведущий научный сотрудник отдела клеточной биологии Института экспериментальной кардиологии. Юрий Александрович Карпов - профессор, директор Института клинической кардиологии им. А.Л. Мясникова. Эдуард Михайлович Тарарак - профессор, руководитель отдела клеточной биологии Института экспериментальной кардиологии.
по сравнению с окружающими тканями накапливают ФС, что обеспечивает преимущественную гибель этих клеток после лазерного облучения [4]. Позже ФДТ стала применяться в офтальмологии для лечения макулярной дистрофии [5], в дерматологии при лечении кератозов и акне [6] и в других областях медицины.
Было сделано предположение, что ФС предпочтительнее накапливаются в наиболее метаболически активных тканях, в том числе и в атеросклеротических бляшках артериальной стенки, что и явилось основой для проведения дальнейших исследований.
Свойства фотосенсибилизаторов и их накопление в стенке сосуда
В первой работе, проведенной в данном направлении [7], изучалось накопление производной гематопорфирина (hematoporphyrin derivative (HPD)) в аорте животных с экспериментальным атеросклерозом. Кроликам и обезьяне, получавшим гиперхолестериновую диету, вводили внутривенно 10 мг/кг HPD. Через 48 ч после инъекции у животных выделяли аорту и исследовали под ультрафиолетовой лампой. При этом в аортах кроликов во всех атеросклеротических бляшках в отличие от непораженных участков наблюдалась интенсивная флуоресценция. Несколько менее интенсивная флуоресценция наблюдалась в жировых полосах аорт обезьян. В непораженной стенке сосуда у кроликов флуоресценции HPD выявлено не было.
В другом исследовании [8] была проведена ФДТ у кроликов с экспериментальным атеросклерозом. Пятнадцати кроликам, получавшим 3% холестериновую диету в течение 12-16 нед, вводили HPD. Так же как и в предыдущей работе, было показано селективное накопление HPD в атеросклеротических бляшках. При этом флуоресценция HPD в поверхностных слоях интимы была более интенсивной, чем в медии. Как было отмечено, основным ограничением данного подхода является отсутствие возможности осуществлять в кровотоке локальное облучение пораженного участка сосудистой стенки строго определенным количеством энергии. Тем не менее гистологическое исследование всё же продемонстрировало различия между облученными и необлученными сегментами аорт, накопивших HPD.
A.M. Spokojny et al. провели сравнительное изучение накопления ФС HPD в атеросклеротических бляшках человека in vitro и кроликов in vivo [9]. Для исследования были взяты атеросклеротические бляшки из каротидной и под-
Атм/сферА. Новости кардиологии 2—3*2010
www.atmosphere-ph.ru
f
\ 15
коленной артерий, удаленные у пациентов во время эндар-терэктомии. Хирургический материал, содержащий бляшку, был немедленно инкубирован в гепаринизированной аутологичной крови с добавлением 20 мг/мл HPD. Во всех исследованных бляшках наблюдалась флуоресценция HPD. Интенсивность ее уменьшалась от поверхности вглубь поражения и предположительно соответствовала количеству накопленного препарата. В прилежащих к бляшке непораженных участках сосуда флуоресценции выявлено не было. В работе также были исследованы ате-росклеротические поражения аорт 24 кроликов, индуцированные с помощью трех различных моделей: гиперхолестериновой диеты, баллонной денудации и повреждения катетером. Микроскопическое исследование показало, что после внутривенного введения HPD во всех поражениях наблюдалось селективное накопление красителя. Различий в интенсивности флуоресценции пораженных тканей как при экспозиции с HPD in vitro, так и после введения in vivo практически обнаружено не было.
Таким образом, до конца 1980-х годов большая часть исследований выполнялась с использованием ФС HPD. Однако у этого вещества есть определенные недостатки, которые ограничивали возможность его клинического применения (сложность приготовления, химическая неустойчивость, неопределенность состава), что вызывает трудности с точки зрения воспроизводимости результатов. HPD также плохо возбуждается красным светом при длине волны 630 нм, наиболее часто используемой при проведении ФДТ. Основным ограничением использования ФС HPD является то, что препарат накапливается и сохраняется в коже в течение многих месяцев после введения, вызывая ее фотосенсибилизацию к солнечному свету в этот период [10]. В связи с этим была предложена новая группа свето-активируемых препаратов - фталоцианины (ФЦ) [11]. Фта-лоцианины являются устойчивыми соединениями, которые по своей структуре напоминают порфирины со строго определенным химическим составом. Большинство ФЦ нерастворимы в воде, однако при соединении с сульфированными кислотными группами они образуют растворимые в воде производные. Так же как HPD, эти красители интенсивно накапливаются в опухолевых тканях и демонстрируют фотодинамическую активность, однако красный свет они поглощают намного более эффективно. Побочных эффектов при парентеральном введении не выявляется.
С использованием растворимого в воде ФЦ медного тетрасульфоната была выполнена работа, целью которой явилось исследование его селективного накопления в ате-росклеротических бляшках на модели атеросклероза у кролика [12]. Было показано, что, как и при использовании других ФС, происходит преимущественное накопление ФЦ в липидных поражениях аорты по сравнению с непораженными участками.
Механизмы селективного накопления ФС в атероскле-ротически измененных участках сосудистой стенки еще недостаточно изучены. Тем не менее, объединяя имеющи-
еся в литературе данные, можно выделить следующие возможные причины этого процесса:
• увеличение эндотелиальной проницаемости для порфи-ринов в области атеросклеротического поражения [13];
• аффинность ФС к фибриногену и тромбоцитам, которые являются компонентами бляшки [14];
• фагоцитоз липопротеидных комплексов красителя мо-нонуклеарными клетками, которые выполняют важную роль в прогрессировании атеросклеротического поражения [15];
• увеличенная способность метаболически активных клеток накапливать ФС [16].
Пассивная диффузия красителя в артериальную стенку из vasa vasorum и через люменальную поверхность сосуда также может способствовать увеличению содержания красителя в артериальной стенке [17]. Кроме того, известно, что ткани, пораженные атеросклерозом, селективно накапливают как липофильные, так и гидрофильные ФС [12].
Таким образом, физико-химические свойства фото-сенсибилизирующей молекулы, с одной стороны, и высокое содержание в атеросклеротической бляшке клеточных элементов, обладающих повышенной способностью к накоплению ФС, - с другой, приводят к селективному накоплению красителя в пораженных тканях.
Механизм действия фотодинамической терапии
Механизм действия ФДТ основан на том, что в фото-сенсибилизирующей молекуле под действием неионизи-рующего, нетеплового излучения определенной длины волны, которая соответствует особенностям поглощения ФС, происходит фотохимическая реакция. В результате высвобождается энергия, которая приводит к трансформированию атомарного кислорода в синглетный и образованию других соединений кислорода, обладающих сильными окислительными свойствами, так называемых активных форм кислорода [18]. Эти вещества оказывают цито-токсическое действие на клетки, которое проявляется в их набухании, уплотнении хроматина, ядерной фрагментации, вакуолизации клеточной мембраны и увеличении электронной плотности цитозоля. Эти процессы в конечном счете приводят к гибели клетки путем апоптоза или некроза. При этом на субклеточном уровне происходит ингиби-рование транспортных систем мембраны клеток, таких как Na+/K+ АТФаза, изменение свойств митохондрий, аппарата Гольджи, эндоплазматического ретикулума и лизосом [19, 20], выход в цитоплазму цитохрома С и активация клеточных каспаз [21]. Короткий период полураспада (0,6 х 10-6с) и минимальное расстояние диффузии (0,1 мкм) синглетного кислорода и других активных медиаторов обеспечивают локальное окислительное воздействие в участке проведения ФДТ [19]. Фотодинамическая терапия не оказывает воздействия на структуру ДНК, так как большинство ФС не проникает в ядро клетки, поэтому риск мутагенеза незначителен. Выбор времени облучения по-
N
16 Ат > Новости кардиологии
www.atmosphere-ph.ru
сле введения препарата крайне важен для достижения желаемого биологического ответа и меняется в зависимости от фармакокинетики отдельного ФС [18].
Одним из самых важных преимуществ ФДТ является возможность локального воздействия как на клетки, так и на компоненты внеклеточного матрикса, что может быть в дальнейшем успешно использовано для профилактики и лечения различных сосудистых заболеваний.
Применение фотодинамической терапии для предотвращения рестенозов артерий
Опыт применения фотодинамической терапии в кардиологии в основном был получен при изучении возможности предотвращения развития рестеноза после чрес-кожных эндоваскулярных вмешательств (баллонной ангиопластики и стентирования). Другой метод, используемый для предотвращения рестеноза, - внутрикоронарная брахитерапия, которая основана на ионизирующем радиоактивном облучении пораженной сосудистой стенки. Однако ее применение имеет свои ограничения, связанные с тем, что полной реэндотелизации облученного сегмента сосуда не происходит [22]. Значительные успехи по снижению частоты позднего внутристентового рестеноза были достигнуты после введения в клиническую практику стентов с лекарственным покрытием [2] в сочетании с длительным применением двойной антитромбоцитарной терапии (ацетилсалициловая кислота и клопидогрел). Однако, несмотря на это, проблема формирования рестено-зов остается актуальной.
Принято считать, что основной причиной формирования рестенотического поражения является миграция медиальных гладкомышечных клеток в интиму сосуда, где они пролиферируют и образуют участки гиперплазии. В исследованиях in vitro было показано, что после проведения ФДТ в месте поражения происходит редукция внеклеточного матрикса, снижается уровень миграции и пролиферации гладкомышечных клеток, что, в свою очередь, уменьшает гиперплазию интимы [23]. Показано также, что ФДТ существенно снижает митотическую активность гладкомышеч-ных клеток в культурах, полученных как из атеросклероти-чески поврежденных тканей, так и из нормальной артериальной стенки [24, 25]. При этом влияние ФДТ на гладко-мышечные клетки, выделенные из атеросклеротически пораженных тканей, является более выраженным по сравнению с влиянием на клетки нормальной сосудистой стенки. По аналогии наблюдалось ингибирование роста популяции гладкомышечных клеток, полученных из венозных шунтов, после проведения ФДТ [26]. Фотодинамическая терапия, выполненная in vitro на эндотелиальных клетках аорты быка, вызывала уменьшение количества экстрацел-люлярного матрикса и увеличение уровня пролиферации эндотелиальных клеток [23]. Все вышеописанные эффекты, индуцированные ФДТ, могут оказать благоприятное влияние на процесс ремоделирования сосудов, уменьшая вероятность развития рестеноза.
В работах, проведенных на экспериментальных животных in vivo, также была подтверждена способность ФДТ предотвращать формирование рестеноза. В частности, оценивалось действие интракоронарной ФДТ на атеро-склеротически измененные артерии свиней после баллонной ангиопластики и/или стентирования с использованием ФС MV0611. При гистоморфологическом и иммуногис-тохимическом анализе аутопсий оперированных артерий выявлено значительное уменьшение толщины интимы, увеличение площади просвета в группе ФДТ по сравнению с контролем. При этом полная реэндотелизация сосуда была продемонстрирована как при использовании баллонной ангиопластики, так и при стентировании. Эти результаты являются особенно важными, так как формирование отсроченного рестеноза после стентирования связывают в основном с недостаточной реэндотелизацией внутренней поверхности стента [26].
Развитие рестенозов наблюдается также в трансплантатах вен. Так, при лечении ишемической болезни сердца, после операции аортокоронарного шунтирования в некоторых случаях происходит образование гиперплазирован-ной интимы как в шунте, так и на участке анастомоза. При изучении эффектов ФДТ на модели венозного шунта у крысы было показано, что ФДТ с использованием ФС сульфированного фталоцианина алюминия вызывала уменьшение степени гиперплазии интимы в пределах венозного шунта, однако на участке анастомоза влияние ФДТ на формирование неоинтимы было незначительным [27].
Следующим аспектом после изучения ФДТ при ресте-нозах, на котором сосредоточились исследования в данной области, стало определение возможности ее применения при лечении атеросклероза.
Воздействие фотодинамической терапии на атеросклеротически измененные участки сосудистой стенки
Целесообразность применения ФДТ в атеросклероти-чески измененных участках сосудистой стенки не является столь очевидной, как для рестенозов, что, по-видимому, связано с более сложным механизмом формирования и более разнообразным клеточным составом поражений по сравнению с таковым при рестенозах [8]. Однако в работе in vitro, целью которой явилось изучение влияния ФДТ на клетки атеросклеротической бляшки, было продемонстрировано, что они подвержены фотодинамическому воздействию. Эндотелиальные клетки из пупочной вены и моноциты/макрофаги из периферической крови человека культивировали 24 ч с добавлением 10 мкг/мл ФС сульфированного фталоцианина алюминия (фотосенс). При этом оказалось, что количество ФС, накопленное моноцитами/макрофагами, значительно превышало таковое для эн-дотелиальных клеток и составило в среднем 2,3 и 0,3 мкг/мг соответственно. Таким образом, было показано, что моноциты/макрофаги более устойчивы к фотодинамическому воздействию, чем эндотелиальные клетки [28].
(
An j . Новости кардиологии 2—3*2010 17
www.atmosphere-ph.ru
В исследованиях на кроликах с гиперхолестеринемией было доказано селективное накопление ФС в атероскле-ротически измененной сосудистой стенке. После проведения ФДТ был выявлен регресс атеросклеротических бляшек [8]. При исследовании атеросклеротических поражений бедренных артерий у кроликов [29] также выявлено селективное накопление в них ФС, значительное снижение количества макрофагов и некоторое уменьшение размера атероматозного ядра. Повреждения нормальной ткани сосуда после ФДТ не наблюдалось.
Эффекты фотодинамического воздействия на нестабильную атеросклеротическую бляшку
Как известно, хроническое воспаление сосудистой стенки, которое характеризуется инфильтрацией бляшки макрофагами, формированием пенистых клеток, увеличением размера некротического ядра, истончением фиброзной покрышки и деградацией компонентов соединительнотканного матрикса, свидетельствует о так называемой "нестабильности" атеросклеротической бляшки. Последние являются и наиболее частой причиной развития острого коронарного синдрома (нестабильная стенокардия, инфаркт миокарда) [30]. В связи с этим разработка методов лечения "нестабильной" атеросклеротической бляшки становится особенно актуальной.
R. Маквтап а1. было изучено влияние ФДТ на воспалительные процессы в атеросклеротически измененных подвздошных артериях кроликов после баллонной ангиопластики [31]. В результате после проведения ФДТ было показано значимое уменьшение площади атеросклеротической бляшки, уменьшение количества в ней макрофагов, а также снижение пролиферации гладкомышечных клеток. Эти факты свидетельствуют о возможности использования ФДТ для достижения стабилизации бляшки и замедления ее прогрессирования, что открывает новые перспективы использования данного метода при атеросклерозе.
Применение фотодинамической терапии у человека
Данные о применении фотодинамического воздействия для лечения поражения сосудистой стенки у человека немногочисленны. В исследовании Б^. Rockson е1 а1. проводилась клиническая оценка и изучение переносимости ФДТ с использованием ФС антрин под контролем ангиографии и внутрисосудистого ультразвука у больных с атеросклерозом артерий нижних конечностей [32]. При этом у пациентов, подвергавшихся ФДТ, наблюдалось улучшение клинических показателей, в частности увеличивался лоды-жечно-плечевой индекс. Больные хорошо переносили лечение, были отмечены лишь незначительные побочные эффекты в виде проходящих парестезий и кожной сыпи. К со-
жалению, в дизайне исследования не предусматривалась оценка долгосрочного прогноза.
Резюмируя все вышеизложенные факты, можно заключить, что возможность успешного применения ФДТ сердечно-сосудистых заболеваний основывается на том, что ФС накапливаются преимущественно в атеросклеротиче-ски измененных участках артерии. В экспериментах на животных получены данные о том, что ФДТ сосудов после ангиопластики и стентирования подавляет процесс развития гиперплазии интимы артерий и тем самым предотвращает развитие рестеноза. Также показано, что ФДТ может быть использована для лечения нестабильной атеросклероти-ческой бляшки. Наконец, имеются результаты, которые предварительно позволяют заключить, что ФДТ эффективна для предупреждения и лечения атеросклероза и ресте-нозов и у человека. Следует подчеркнуть, что, несмотря на то что приведенные результаты являются хорошим фундаментом для разработки методов ФДТ атеросклеротичес-кого поражения артериальной стенки, необходимы дальнейшие исследования безопасности и эффективности ее применения у человека.
Список литературы
1. Colombo A. et al. // G. Ital. Cardiol. 1997. V. 27. P. 19.
2. Sousa J.E. et al. // Circulation. 2001. V. 104. P. 2007.
3. Castano A.P. et al. // Photodiagnosis Photodyn. Ther. 2005. V. 2. P. 1.
4. Yamaguchi S. et al. // Oncology. 2005. V. 69. P. 110.
5. Spaide R.F. et al. // Retina. 2005. V. 25. P. 685.
6. Gilbert D.J. // J. Drugs Dermatol. 2005. V. 4. P. 161.
7. Spears J.R. et al. // J. Clin. Invest. 1983. V. 71. № 2. P. 395.
8. Litvack F. et al. // Am. J. Cardiol. 1985. V. 56. P. 667.
9. Spokojny A.M. et al. // J. Am. Coll. Cardiol. 1986. V. 8. P. 1387.
10. Wooten R.S. et al. // Lasers Surg. Med. 1988. V. 8. P. 294.
11. Rosenthal I., Ben-Hur E. Phthalocyanines in Photobiology // Progress in the Phthalocyanines / Ed. by A.B.P. Lever, C.C. Leznoff. N.Y, 1989. V. 1. P. 395-425.
12. Eldar M. et al. // Atherosclerosis. 1990. V. 84. P. 135.
13. Haar J.L., Ackerman G.A. // Anat. Rec. 1986. V. 170. P. 199.
14. Zieve P.D., Solomon H.M. // Am. J. Physiol. 1966. V. 210. P. 1391.
15. Stary H.C. // Adv. Exp. Med. Biol. 1974. V. 43. P. 59.
16. Spikes J.D. // Photochem. Photobiol. 1986. V. 43. P. 691.
17. Rockson S.G. et al. // Circulation. 2000. V. 102. P. 591.
18. Mansfield R. et al. // Heart. 2001. V. 86. P. 612.
19. Henderson B., Dougherty T. // Photochem. Photobiol. 1992. V. 55. P. 145.
20. LaMuraglia G.M. et al. // Am. J. Pathol. 2000. V. 157. P. 867.
21. Granville D.J. et al. // Am. J. Pathol. 1999. V. 155. P. 1021.
22. Costa M.A. et al. // Circulation. 1999. V. 100. P. 789.
23. Adili F. et al. // J. Vasc. Surg. 1996. V. 23. P. 698.
24. Dartsch P. et al. // J. Am. Coll. Cardiol. 1990. V. 15. P. 1545.
25. Dartsch P. et al. // Atherosclerosis. 1990. V. 10. P. 616.
26. Waksman R. et al. // Heart. 2006. V. 92. P. 1138.
27. Lamuraglia G.M. et al. // J. Vasc. Surg. 1995. V. 21. P. 882.
28. Андреева Е.Р. и др. // Кардиол. вестн. 2008. № 2. С. 12.
29. Hayase M. et al. // Cardiovasc. Res. 2001. V. 49. № 2. P. 449.
30. Libby P. et al. // Circulation. 2002. V. 105. P. 1135.
31. Waksman R. et al. // J. Am. Coll. Cardiol. 2008. V. 52. P. 1024.
32. Rockson S.G. et al. // Circulation. 2000. V. 102. P. 2322. 4
N
18 Ат > Новости кардиологии
www.atmosphere-ph.ru
