CC BY
57
Биология
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2008, № 3, с. 105-109
УДК 577.3
НЕИНВАЗИВНЫЙ МОНИТОРИНГ СОДЕРЖАНИЯ ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОРОВ В ТКАНЯХ ЖИВОТНЫХ МЕТОДОМ ДИФФУЗИОННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ
13 12 2 3
© 2008 г. И.В. Балалаева ’ , М.В. Ширманова ’ , Е.В. Загайнова , А.Г. Орлова ,
С.Ш. Каршиева 4, В.И. Романенко 4
1 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
2 Нижегородская государственная медицинская академия
3 Институт прикладной физики РАН, Н. Новгород 4 Российский онкологический научный центр им. Н.Н. Блохина РАМН, Москва
Поступила и редакцию 12.05.2008
Проведена оценка возможности применения метода диффузионной флуоресцентной томографии (ДФТ) для прижизненного динамического наблюдения за процессами распределения в организме и выведения экзогенных флуорофоров. Исследование проведено на мышах, которым внутривенно вводили фотосенсибилизатор «Фотосенс». Получены и проанализированы ДФТ-изображения животных через различное время после инъекции. Результаты мониторинга содержания фотосенсибилизатора в тканях лабораторных животных подтверждены методами флуоресцентной микроскопии и спектроскопии.
Ключеиые слоиа: диффузионная флуоресцентная томография, математическое моделирование, неинвазивный мониторинг, фотосенсибилизатор.
Введение
Одним из развивающихся методов онкологии является фотодинамическая терапия, основанная на повреждении опухолевых клеток в результате фотохимической реакции [1—3]. Принцип метода основан на введении пациенту специфических веществ, обладающих фотосенсибилизирующими свойствами - способностью под действием облучения светом видимого диапазона оказывать биологические эффекты, обусловленные, в первую очередь, продукцией активных кислородных радикалов и их последующим взаимодействием с биологическими макромолекулами клеток и тканей. Терапевтический эффект фотосенсибилизаторов обусловлен «двойной специфичностью» их действия. За счет своих химических свойств они избирательно накапливаются в опухоли, что определяет контраст концентрации по сравнению с нормальными немалигнизированными тканями. С другой стороны, при проведении лечения применяется локальное облучение патологического очага. При облучении опухоли на длине волны, соответствующей пику поглощения фотосенсибилизатора, происходит образование синглетного кислорода и других токсичных свободных радикалов, вызывающих гибель опухолевых клеток. Кроме этого, флуоресценция фотосенсибилизатора может быть исполь-
зована для флуоресцентной диагностики опухоли и определения её границ [4].
К настоящему времени клиническое применение разрешено для нескольких российских препаратов на основе фотосенсибилизаторов, относящихся к классам порфиринов, их предшественников, фталоцианинов и хлоринов [5]. Препараты отличаются по своей специфичности по отношению к опухоли, оптическим спектрам возбуждения и флуоресценции, квантовому выходу флуоресценции и продукции синглетного кислорода, времени накопления в тканях и последующего выведения и т.д. Среди используемых в клинике фотосенсибилизаторов определенный интерес представляет препарат «Фотосенс», разработанный ФГУП ГНЦ «НИОПИК».
Для всех фотосенсибилизаторов существует риск развития побочных реакций при их применении: отсутствие избирательного накопления фотосенсибилизаторов в опухоли даже при минимальных концентрациях приводит к развитию фототоксичности, ограничивающей их использование [6]. Для выявления опасности развития фототоксичности при доклиническом исследовании нового фотосенсибилизатора необходимо изучить основные элементы его фармакокинетики при внутривенном введении: время задержки в организме и динамику накопления в отдельных тканях и органах. С этой целью используют различные методы, из которых наи-
более ценными являются неинвазивные, позволяющие проводить прижизненный мониторинг содержания фотосенсибилизатора в тканях лабораторных животных.
Целью данного исследования являлась апробация прижизненного неинвазивного метода диффузионной флуоресцентной томографии для мониторинга содержания фотосенсибилизатора «Фотосенс» в организме животных.
Материалы и методы
Для исследования использовано 15 мышей-самцов гибридов BDF1, полученных из питомника РАМН «Столбовая» и содержащихся в виварии Российского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина РАМН на брикетированном корме.
Мышам однократно внутривенно вводили фотосенс (производство ФГУП ГНЦ «НИОПИК») в дозе 4 мг/кг. Данный препарат представляет собой смесь ди- (А1Рс82), три-(А1РсБ3) и тетра- (А1РсБ4) сульфатированного фталоцианина алюминия [7]. В водном растворе фотосенс имеет несколько максимумов поглощения, из которых наиболее значительный -при 676 нм. На рис. 1 представлен спектр флуоресценции данного препарата.
Для проведения экспериментов использовали диффузионный флуоресцентный томограф, созданный в Институте прикладной физики РАН [8, 9]. Принцип работы томографа основан на регистрации рассеянного оптического излучения, прошедшего через организм исследуемого животного. При этом возбуждение осуществляется на длине волны, поглощаемой исследуемым флуорофором, а регистрация сигнала -в области его флуоресценции. Разделение излучения возбуждения и флуоресценции осуществляется с помощью системы интерференционных фильтров.
600 650 700 750 800
Длина волны, нм
Рис. 1. Спектр флуоресценции фотосенса при возбуждении на длине волны 605 нм
При получении изображения животное фиксировали между двумя стеклянными пластинами, расположенными на расстоянии 1 см друг от друга, и синхронно сканировали источником и детектором в конфигурации на просвет. В качестве источника излучения использовали полупроводниковый лазер с модулируемым по амплитуде излучением (частота 1 кГц, длина волны 655 нм, мощность на объекте до 2 мВт). Регистрацию сигнала осуществляли с помощью охлаждаемого высокочувствительного фотоэлектронного умножителя в области 700-750 нм (Hamamatsu H7422, Япония).
При проведении мониторинга животных сканировали до введения фотосенса и затем через сутки в течение 3-х дней. Для объективизации результатов проведено сравнение с данными флуоресцентной микроскопии макропрепаратов и спектроскопии органов животных.
Микроскопическое исследование образцов тканей животных проведено на инвертированном флуоресцентном микроскопе Axiovert 200 (Carl Zeiss, Германия) при освещении ртутной лампой и эмиссионном фильтре, аналогичном таковому ДФТ-установки. Спектроскопический анализ выполнен на волоконном спектрометре QE65000 (Ocean Optics Inc., США) с охлаждаемой CCD-камерой. При анализе получали спектр излучения в диапазоне 700-760 нм, прошедшего через слой биологической ткани в 1 мм после освещения объекта на длине волны 655 нм.
Результаты и их обсуждение
Формирование ДФТ-изображения биологического объекта зависит от целого ряда факторов: поглощения и рассеяния тканями животного зондирующего излучения; коэффициента поглощения возбуждающего излучения и квантового выхода флуоресценции эндогенных соединений и введенного фотосенсибилизатора; наконец, поглощения и рассеяния флуоресцентного излучения на его пути через ткани объекта к детектирующему устройству. Различие оптических свойств органов и тканей организма приводит к значительной неоднородности получаемых ДФТ-изображений (рис. 2). Более светлые области с высоким уровнем регистрируемого сигнала соответствуют, во-первых, зонам с высоким уровнем автофлуоресценции (кишечник), а во-вторых, более «тонким» участкам объекта (мочевой пузырь, конечности и боковые участки кожи). Во втором случае высокий уровень сигнала обусловлен тем, что даже незначительная флуоресценция, возникаю-
Рис. 2. Прижизненное ДФТ-изображение мыши. Светлые области соответствуют высокому, а темные - низкому уровню сигнала
щая в поверхностном слое ткани, не претерпевая сильного ослабления при прохождении через всё тело животного, оказывается сравнимой по величине с сигналом от сильно флуоресцирующих областей.
ДФТ-мониторинг после введения фотосенса позволил наглядно визуализировать относительное содержание препарата в организме животного в целом и в областях, соответствующих проекциям внутренних органов. Через сутки после введения фотосенсибилизатора его накопление в тканях и флуоресценция приводили к значительному возрастанию регистрируемого сигнала (рис. 3). В течение последующих трех суток уровень сигнала постепенно снижался.
Анализ ДФТ-изображений позволил количественно оценить уровень принимаемого сигнала в локальной области, в частности, в проекции определенных внутренних органов. На рис. 4 представлена кривая, характеризующая зависимость уровня сигнала в проекции грудной клетки животного от времени после введения препарата (соответствующая область указана на рис. 3 пунктиром). На графике представлены средние значения сигнала в пределах области интереса со стандартными отклонениями.
Приведенные данные позволяют судить о значительной информативности предложенного прижизненного метода анализа. Неинвазивным методом показано сохранение в организме значительной доли введенного фотосенса через 3 суток после введения. Это полностью согласуется с известными из литературы данными инвазивных методов о довольно длительном выведении этого препарата из организма и сохранении его в мышце и жировой ткани до 14 суток, в коже - более 6 месяцев [10-12]. Для человека при введении фотосенса в рекомендуемой терапевтической дозе (0.8 мг/кг) его концентрации в опухоли и коже достигают максимальных значений в течение первых 1 -2 суток, а затем медленно уменьшаются, продолжая определяться вплоть до 3-4 месяцев после лечения [13].
Кроме этого, изменение соотношения в уровне сигнала между различными областями на ДФТ-изображении свидетельствует об избирательном накоплении фотосенса и его перераспределении между органами и/или тканями.
В качестве подтверждения данных, полученных методом ДФТ, были использованы результаты двух традиционных инвазивных методов оценки накопления фотосенсибилизаторов:
10000
усл.ед.
1000
до введения 1 сутки 2 суток 3 суток
фотосенса после введения
Рис. 3. ДФТ-мониторинг мыши с различными временными интервалами после введения фотосенса. Изображения получены при идентичных условиях
Рис. 4. Уровень ДФТ-сигнала в проекции грудной клетки мыши в различные сроки после введения фотосенса. Соответствующая область показана на рис. 3 пунктиром. На графике представлены усредненные по площади значения сигнала и их стандартные отклонения
Легкое
Печень
до введения 2 суТ°К 3 суТ°К
фотосенса после введения
Рис. 5. Изображения тканей легкого и печени мышей, полученные методом флуоресцентной микроскопии в различные сроки после введения фотосенса. Регистрация сигнала в диапазоне 700-750 нм
флуоресцентной микроскопии и спектроскопии, выполненных в различные сроки после введения фотосенсибилизатора. С этой целью были взяты образцы кожи и печени, характеризующихся значительным накоплением фотосенса, а также легких, соответствующих выбранной проекции на ДФТ-изображении.
При проведении флуоресцентной микроскопии был показан очень низкий уровень авто-флуоресцении как тканей печени, так и легкого в интересующем нас спектральном диапазоне (700-750 нм) (рис. 5). Изображения исследованных органов, полученные методом флуоресцентной микроскопии через различные сроки
после введения фотосенса, демонстрировали довольно яркое характерное свечение, причем его интенсивность сохранялась достаточно высокой в течение трех суток после введения препарата. Все изображения были получены при одинаковых условиях.
Количественная оценка уровня сигнала была проведена при анализе спектров органов. Уровень автофлуоресценции всех исследованных органов животных не превышал 40 условных единиц при выбранной геометрии эксперимента (динамический диапазон от 0 до 6000). Через сутки после введения фотосенса уровень сигнала от печени и кожи животных достигал 1000-
печень
680 700 720 740 760 780
Длина волны, нм
1 сутки 2 суток 3 суток
после введения
Рис. 6. Спектры флуоресценции изолированных органов мышей через различное время после введения фото-сенса. Уровень сигнала для всех органов животных до введения фотосенса не превышал 40 условных единиц
1300 условных единиц, в 25-35 раз превышая исходный (рис. 6). В легких достигалось 50-кратное соотношение соответствующих показателей при значениях сигнала автофлуоресценции не более 5-7 единиц. Через трое суток наблюдали снижение сигнала в 3-5 раз, однако его уровень по-прежнему существенно превышал уровень автофлуоресценции.
Заключение
Результаты эксперимента наглядно демонстрируют возможность использования метода диффузионной флуоресцентной томографии для прижизненного изучения фармакокинетики новых разрабатываемых агентов для флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии. На примере препарата фотосенс показано, каким образом данный метод позволяет исследовать in vivo распределение фотосенсибилизатора по органам и время его выведения из организма мелких лабораторных животных. При этом полученные данные согласуются с результатами инвазивных методов.
Апробация метода ДФТ открывает возможность использования его для неинвазивного мониторинга содержания новых фотосенсибилизаторов в тканях животных на доклиническом этапе исследований. Использование ДФТ в сочетании с традиционными методами анализа позволяет существенно снизить затраты и сократить сроки тестирования нового препарата, а также минимизирует влияние индивидуальных особенностей животных на результаты эксперимента.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ (ММ 07-02-01262, 07-02-01146), и Федерального Агентства по Науке и Инновациям (проект М 02.522.11.2004).
Список литературы
1. Странадко Е.Ф., Скобелкин О.К., Ворожцов Г.Н. и др. // Рос. онкол. журн. 1998. № 4. С. 13-18.
2. Беляева Л.А., Степанян А.А., Адамян Л.В. // Проблемы репродукции. 2004. № 1. С. 6-12.
3. Цыб А.Ф., Каплан М.А. // Рос. мед. вести. 2002. № 2. С. 19-24.
4. Loschenov V.B., Konov V.I., Prokhorov A.M. // Laser Physics. 2000. V. 10. № 6. P. 1188-1207.
5. Миронов А.Ф. // Сорос. образ. журн. 1996. № 8. С. 32-40.
6. Lukyanets E.A. // J. Porphyrins Phthalocyanines. 1999. V. 3. P. 424-432.
7. Смирнова З.С., Оборотова Н.А., Макарова О.А. и др. // Химико-фармацевтич. журн. 2005. № 7. С. 3-11.
8. Turchin I.V., Plehanov V.I., Orlova A.G. et al. // Laser Physics. 2006. V. 16. № 5. P. 741-746.
9. Turchin I.V., Balalaeva I.V., Vasil’ev R.B. et al. // Laser Phys. Lett. 2006. V. 3. № 4. P. 208-211.
10. Боргуль О.В., Каплан М.А., Капинус В.Н. и др. // Рос. биотерап. журн. 2007. Т. 6. № 1. С. 11-12.
11. Якубовская Р.И., Морозова Н.Б., Кармакова Т.А. и др. // Рос. онкол. журн. 2007. № 3. С. 29-34.
12. Смирнова З.С., Кубасова И.Ю., Макарова
О.А. и др. // Рос. биотерап. журн. 2003. Т. 2. № 4. С. 40-44.
13. Фотосенс. Инструкция по применению. Одобрено ФК МЗ РФ 12.04.2001, пр. № 6.
NONINVASIVE MONITORING OF PHOTOSENSITIZER CONTENT IN ANIMAL TISSUES BY DIFFUSE FLUORESCENCE TOMOGRAPHY
I. V. Balalaeva, M. V. Shirmanova, E. V. Zagaynova, A.G. Orlova, S.Sh. Karshieva, V.I. Romanenko
The possibility of applying diffuse fluorescence tomography (DFT) for intravital whole-body monitoring of exogenous fluorophore distribution and excretion has been assessed. The study was conducted on mice, injected intravenously with photosensitizer Photosens. DFT images of animals at different time intervals after injection have been obtained and analyzed. The results of DFT-monitoring of photosensitizer content in animal tissues have been confirmed by fluorescence microscopy and spectroscopy data.
