CC BY
21
Специальный выпуск: Материалы XIXмеждународного конгресса "Здоровье и образование в XXI веке"
18-20 декабря 2017, г. Москва —--—
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФДТ НА ОСНОВЕ КИНЕТИКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОРОВ И ФЛУОРЕСЦЕНТНЫХ ЗОНДОВ-ИОНОВ В КЛЕТКАХ ОПУХОЛИ, ОТЛИЧАЮЩИХСЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТЬЮ И ТРАНСМЕМБРАННЫМИ
ПОТЕНЦИАЛАМИ
Аскарова К.З.
ФГАОУ ВО Российский университет дружбы народов, г. Москва, Российская Федерация
Аннотация. Для оценки эффективности фотодинамической терапии (ФДТ) предложен модельный подход, учитывающий неоднородность популяций опухолевых клеток по градиентам электрических полей трех типов мембран. На основе математической кинетической модели - системы линейных дифференциальных уравнений, получены решения для определения концентраций анионного фотосенсибилизатора (хлорина) в цитоплазме, митохондриях и ядрах при различных физиологических состояниях опухолевых клеток. В рамках данной модели обсуждаются возможности флуоресцентного зонда-катиона ДСМ для оценки мембранных потенциалов и энергетического статуса клеток опухоли, для оценки эффективности ФДТ по изменению флуоресценций зонда ДСМ и хлорина в опухолевых микрофрагментах, обнаруживаемые в крови онкобольных.
Ключевые слова: эффективность фотодинамической терапии, кинетическая модель, распределение заряженных фотосенсибилизаторов, гетерогенность клеток опухоли, энергетическая активность, трансмембранные потенциалы, флуоресцентный зонд ДСМ, флуоресценция в крови онкобольных.
Одно из ведущих мест в современной онкологии всё более занимает лазерная терапия в сочетании с хирургией. В последние годы наиболее мощное развитие получила фотодинамическая терапия опухолей (ФДТ) [1,2], основой которой является применение люминесцентных фотосенсибилизаторов (ФС) с разными свойствами [3]. Интерес к ФДТ обусловлен тем, что опухоли разрушаются при облучении ее низкоинтенсивным лазерным излучением, при котором исключены неконтролируемые термические повреждения стенок органа [1]. Сегодня актуальна проблема оценки эффективности ФДТ при использовании разных ФС с учётом гетерогенности клеток в опухолях [4,5]. Необходимым условием для эффективности ФДТ является накопление ФС преимущественно в опухолевых зонах. Результат этого накопления зависит как от физико-химических свойств выбранного ФС, так и от метаболического состояния клеток. Высокая скорость деления (митотический индекс) опухолевых клеток прямо зависит от уровня их оксигенации в соответствующем органе [1,5,6]. В центральных зонах солидных опухолей, где клетки испытывают кислородное голодание, происходит снижение митохондриальной активности и продукции активных форм кислорода (АФК), что может приводить к снижению эффективности ФДТ в таких клетках после лазерного удара [5,6]. С другой стороны исследования указывают на ключевую связь скорости деления клеток (их злокачественности) в опухоли с величинами их электрических трансмембранных потенциалов (ТМП) [7]. Как показано ранее с помощью флуоресцентных зондов-ионов [8 -13], величины ТМП-ов существенно влияют на результат аккумуляцию малых заряженных амфифильных молекул (флуорохромов и лекарств) в клетках.
Цель и задачи. Целью данной работы является разработка модельного подхода к оценке эффективности ФДТ с учётом гетерогенности популяций клеток в опухоли по уровням их ТМП-в. В свете биофизического подхода гетерогенность клеток в опухоли может быть обусловлена различиями в них трёх типов электрических ТМП-ов: отрицательных - на плазматической (Дфп) и митохондриальных (Дфм) мембранах [10] и положительного-(Дфя) на ядерной мембране (плюс со стороны кариоплазмы) [11]. Это важно учитывать для оценки эффективности ФДТ при использовании заряженных ФС хлоринового ряда, наиболее популярных в клинической практике в силу их наименьшей токсичности для нормальных клеток.
Методы. Задача решается на основе кинетической модели (в рамках теории Нернста-Планка [10]) - системы 4-х линейных дифференциальных уравнений, описывающих диффузионное распределение ФС (типа хлорина Е6) между средой, цитоплазмой, митохондриями и ядрами опухолевых клеток, находящихся на разных стадиях деления и (или) в разных энергетических состояниях. В этих уравнениях параметры скоростей переноса молекул ФС через разные мембраны является функцией их Дф (т.е. величины и направления градиентов электрических полей на мембранах). Используется снижение ранга системы кинетических уравнений при разных начальных условиях, соответствующих разным состояниям клеток в опухоли.
Результаты и обсуждение. Решения этих уравнений показывают, что главными факторами, влияющими на скорость поступления и концентрирование ФС в клетках. являются: соотношение величин трёх ТМП-в в клетках (в зависимости от стадии деления и степени оксигенации); соотношение электрических и гидрофобных свойств молекул ФС.
Специальный выпуск: Материалы XIXмеждународного конгресса "Здоровье и образование в XXI веке"
18-20 декабря 2017, г. Москва —--—
В соответствии с этой моделью концентрация анионного ФС (хлорина Е6) может повышаться в клетках в фазах активации митоза, когда временная деполяризация внешней мембраны облегчает вход анионов ФС в цитоплазму. Последующий лазерный удар в ходе ФДТ может приводить к деполяризации мембран митохондрий и повышению концентрации ФС внутри клеток, что обеспечивает фотодинамическое повреждение клеток опухоли с достаточным уровнем активных форм кислорода (АФК). В рамках кинетической модели, увеличение гидрофобности (снижение полярности при замещении полярных боковых групп в молекуле) хлориновых ФС должно увеличивать константу скорости переноса ФС через клеточные мембраны, т.к. возрастают параметры связывания с фосфолипидами мембран в клетках, в итоге повышается равновесная концентрация хлоринов в цитоплазме и в митохондриях. Однако, связывание таких ФС должно возрастать с мембранами нормальных клеток.
На основе электродиффузной модели по аккумуляции флуоресцентного зонда-катиона ДСМ [12] в опухолевых клетках по данным микророфлуорометрии можно оценивать величины их ТМП-ов и митохондриальной активности [7, 9-14], что позволяет подобрать оптимальное дозу и время введения ФС внутривенно для обеспечения максимального фотодинамического повреждения опухоли после лазерного облучения. Кроме того применение зонда ДСМ перспективно для динамического контроля за эффективностью повреждения опухолей в ходе ФДТ при исследовании образцов цельной крови онкобольных в свете флуоресценции ФС (хлорина, введённого in vivo) и зонда ДСМ (при инкубации этой же крови in vitro) [13,14]. Из микрофлуорометрических исследований следует, что оценить эффективность ФДТ можно по степени снижения яркости красной флуоресценции ФС и жёлтой флуоресценции ДСМ в опухолевых микрогистофрагментах (МГФ), которые обнаруживаются в нативной крови онкобольных, а также и по интенсивности атаки на них лейкоцитов. Полученные результаты могут иметь важное прикладное значение для разработки адекватной тактики применения заряженных ФС с целью повышения эффективности ФДТ в онкологии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
[1] Гельфонд М.Л. Практическая онкология. 2007. Т. 8. № 4. С. 204-21.
[2] Борисов В.А., Загускин С.Л. Онкохирургия. 2009, Т.1.№ 2. С. 19.
[3] Зорина Т.Е., Янковский И.В., Зорин В.П. Медико-биологические основы жизнедеятельности. Минск.: 2012. С. 153-155.
[4] Ганцев Ш.Х., Хуснутдинов Ш.М. Патология и морфологическая характеристика опухолевого роста. М.: 2003. С. 205.
[5] Колобов А.В., Анашкина А.А., Губернов В.В., Полежаев А.А. Компьютерные исследования и моделирование. 2009.Т.1. № 4. С. 415 -422.
[6] Хайруллин М., Михеева Н.А., Семенова М.А., Терентюк Г.С., Михеев В.А., Столбовская О.В., Гальчин А.В. Современные проблемы науки и образования. 2015. № 4. С. 56-59.
[7] Тарнопольская О.В., Непомнящая Е.М., Бирбраев В.М., Тюрбеева М.Л., Макарова Е. И. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 10. С. 108-109.
[8] Морозова Г.И., Баренбойм Г.М., Добрецов Г.Е. Хим.- фарм.журнал. 1982. № 12. С. 1452-1457.
[9] Аскарова К.З, Морозова Г.И., Аношин А.А. Труды 23-го Международного симпозиума МКО. С. 92.
[10] Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции. М.: Мир.1997, С. 323.
[11] Морозова Г.И., Полетаев А.И., Борщевская Т.А. Труды. 2 съезда биофизиков России. М.:1999.С. 256.
[12] Морозова Г.И., Добрецов Г.Е., Дубуре Р.Р., Дубур Г.Я., Голицын В.М., Владимиров Ю.А. Цитология. 1981.Т. 23. № 8. С. 916-923.
[13] Морозова Г.И., Онищенко Н.А., Оржеховская И.Г. и др. Гематология и трансфузиология.1997.№ 42 С. 4347.
[14] Морозова Г.И., Борисов В.А. Материалы 5-го съезда биофизиков России. Ростов-на Дону, август, 2015. С. 253.
Специальный выпуск: Материалы XIXмеждународного конгресса "Здоровье и образование в XXI веке"
18-20 декабря 2017, г. Москва —--—
ESTIMATION OF THE PDT EFFICIENCY OF ON THE BASIS OF DISTRIBUTION KINETICS PHOTOSENSITIZERS AND FLUORESCENT PROBES-IONS IN TUMOR CELLS, CHARACTERIZED BY ENERGETIC ACTIVITY AND TRANSMEMBRANE POTENTIALS
Askarova K.Z.
Peoples' Friendship University of Russia, Moscow, Russian Federation
Annotation. To assess the effectiveness of PDT the proposed model approach taking into account the heterogeneity of tumor cells on the gradients of the electric fields of the three types of membranes. On the basis of mathematical kinetic model of the system of linear differential equations solutions for the concentration of anionic photosensitizer (chlorine) in the cytoplasm, mitochondria and nuclei in different physiological conditions of tumor cells. Under this model, we discuss the possibility of fluorescent probe-cation of DSM to evaluate the potential of membranes, energy status of the tumor cells and efficiency of photodynamic therapy using fluorescence DSM and chlorine in micro-tumors, detectable in the blood of cancer patients.
Key words: efficiency of photodynamic therapy (PDT), kinetic model, the distribution of charged photosensitizers, the heterogeneity of tumor cells, energy activity, transmembrane potentials, the fluorescent probe DSM, fluorescence in the blood of cancer patients.
REFERENCES
[1] Gelfond M. L. Practical Oncology. 2007. Vol. 8. No. 4. P. 204-21.
[2] Borisov V. A., Zaguskin S. L. Oncosurgery. 2009, Vol. 1, No. 2. P.19.
[3] Zorina T. E., Yankovsky, I. V., Zorin V. P. Medical and biological foundations of life. Minsk: 2012. P. 153-155.
[4] Ghantsev S. H., Khusnutdinov S. M. Pathology and morphological characteristics of tumor growth. M.: 2003. P. 205.
[5] Kolobov A.V., Anashkina A. A., Gubernov V. V., Polezhaev A. A., Computer research and modeling. 2009. T.1. No. 4. P. 415 -422.
[6] Khairullin M., Mikheeva N.A., Semenova M.A., Terentyuk G.S., Mikheev V. A., Stolbovskaya O. V., Gal'chyn A. V. Modern problems of science and education.2015.No. 4. P. 56-59.
[7] Tarnopol'skaya, O. V., Nepomnyashchaya E. M., Birbraev V. M., Tarbeeva M. L., Makarova E. I. International journal of applied and fundamental research. 2014. No. 10. P. 108-109.
[8] Morozova G. I., Barenboim G. M., Dobretsov G. E. Chem.- farm. Journal. 1982. No. 12. P. 1452-1457.
[9] Askarova K. Z., Morozova, G. I., Anoshin, A. A. /Abstracts of the 23rd International Symposium of the MCE. P. 92.
[10] Gennis R. Biomembrane. Molecular structure and function. M.: Mir.1997. P. 323.
[11] Morozova G. I., Poletaev A. I., Borshchevskaya T. A. /Abstracts of the 2th Congress of biophysicists of Russia. M.:1999. P. 256.
[12] Morozova G. I., Dobretsov G. E., Duburi R. R., Dubur G. Y., Golitsyn M. V., Vladimirov Yu. A. Cytology. 1981.T. 23. No. 8. P. 916-923.
[13] Morozova G. I., Onishchenko N. A. Orzechowskaya I. G., et al. Hematology and Transfusiology.1997. No. 42. P. 43-47.
[14] Morozova G. I., Borisov V. A. /Abstracts of the 5 th Congress of biophysicists of Russia. Rostov-on-Don, August, 2015. P.253.
