Механизмы действия ФДТ

Фотодинамическая терапия проводится в два этапа. Сначала в организм внутривенно вводится фотосенсибилизатор, вещество, способное вступать в химические реакции под действием света. Через определенное время препарат накапливается в опухоли в гораздо большем количестве, чем в здоровой ткани. Это объясняют особенностями опухолевых клеток и их кровоснабжения. Кровеносные сосуды опухоли обычно капиллярного типа с несовершенной базальной мембраной и измененными клетками внутреннего слоя (эндотелия), поэтому молекул сенсибилизатора довольно легко проникают из кровеносного русла в быстрорастущие и интенсивно делящиеся клетки опухоли и накапливаются там. Для современных препаратов соотношение концентрации фотосенсибилизатора в опухоли и окружающей нормальной ткани составляет от 3:1 до 10:1 в зависимости от химических свойств препарата и природы опухоли.

После накопления препарата производят облучение измененных тканей светом определенной длины волны в течение нескольких минут (десятков минут). В качестве источника излучения используется лазер. В участках опухоли, содержащих сенсибилизатор, развиваются фотохимические реакции, которые приводят к гибели раковых клеток. В последующие за облучением 2-4 недели происходит разрушение злокачественной опухоли и восстановление пораженных участков.

Обычно молекула фотосенсибилизатора находится в стабильном синглетном электронном состоянии. Это состояние соответствует самой низкой внутренней энергии. После поглощения фотона света определенной длины волны, молекула переходит в возбужденное состояние, тоже синглетное, с очень коротким временем жизни. Далее может произойти возврат молекулы в основное состояние с эмиссией фотона (флюоресценция) или преобразованием энергии в тепло. Но молекула может также перейти в триплетное состояние, если поменяется спин одного из электронов. Это триплетное состояние обладает более низкой энергией, чем возбужденное синглетное, но более продолжительным временем жизни, что позволяет сенсибилизатору вступить в реакции с другими молекулами. Вероятность перехода молекулы фотосенсибилизатора в возбужденное триплетное состояние при поглощении одного фотона называется квантовым выходом реакции. Чем выше квантовый выход, тем более активно проходит фотодинамические процессы разрушения опухолевых клеток.

Далее реакции фотосенсибилизатора с молекулами, образующими биологическую ткань, могут пойти по одному из двух путей. Фотосенсибилизатор может реагировать с биомолекулами непосредственно (реакции I типа) а может, что случается наиболее часто, вступить во взаимодействие с кислородом, присутствующим в ткани с образованием высокоактивного синглетного кислорода (реакции II типа).

В реакциях I типа происходит перенос электрона или иона водорода между молекулами сенсибилизатора и субстрата (липидов мембраны клетки, аминокислот и других веществ) с образованием высокоагрессивных свободных радикалов. Эти радикалы затем реагируют с другими веществами, например, с кислородом, с образованием высокоактивных перекисных соединений, атакуют мембраны клеток и органоидов, запуская цепные реакции, приводящие к гибели клеток.

В реакциях II типа основным «действующим лицом» является кислород, постоянно присутствующий в живых биологических тканях. Молекулы кислорода, находящиеся в основном триплетном состоянии переходят при взаимодействии с возбужденным сенсибилизатором в синглетное состояние. При этом молекула сенсибилизатора снова переходит в основное невозбужденное состояние и может далее участвовать в фотохимической реакции. Синглетный кислород - сильный окислитель, способный вызвать гибель клеток при повышенных концентрациях. Синглетный кислород токсичен и для опухолевых, и для нормальных клеток. С ним могут вступать во взаимодействие аминокислоты (особенно цистеин, гистидин, триптофан и тирозин и метионин), нуклеозиды (преимущественно гуанин) и ненасыщенные липиды. Для эффективной генерации синглетного кислорода сенсибилизатор должен иметь высокий квантовый выход триплетного состояния, достаточно продолжительное время жизни (10^-4-10^-2с) и энергию (не ниже 94 кДж/моль) триплетного состояния для возможности передачи энергии молекуле кислорода. Квантовый выход синглетного кислорода является основным параметром при подборе сенсибилизатора. Большое значение имеет также наличие интенсивного максимума поглощения в красной и ближней инфракрасной области спектра, где биологические ткани относительно прозрачны, для более полного воздействия на обширные и глубокие опухоли.

На распределение и накопление фотосенсибилизатора в тканях, и, следовательно, на его фотоповреждающее действие влияет множество факторов: способ введения сенсибилизатора, время, прошедшее с момента введения, и, самое главное, химические свойства вещества, его структура, масса и заряд молекулы гидрофильность (склонность растворяться в воде) или липофильность (склонность растворяться в жирах, липидах). Гидрофильные препараты можно использовать для приготовления водных растворов для внутривенного введения. Они связываются с альбуминами и другими белками сыворотки крови и накапливаются преимущественно в межклеточном пространстве и строме сосудов опухолевой ткани. Если сенсибилизатор плохо растворяется в воде, требуется приготовление липосомальных форм препарата. Липофильные сенсибилизаторы лучше проникают в опухолевую клетку, накапливаясь в мембранах клетки, ядра и лизосом, в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме. Поэтому и механизм повреждающего действия этих сенсибилизаторов несколько разный. Липофильные препараты атакуют опухолевую клетку изнутри, а растворимые в воде сенсибилизаторы способствуют гибели быстрорастущих клеток косвенно, повреждая кровеносные сосуды и прекращая снабжение опухоли кислородом и другими питательными веществами.

Свойствами гидрофильности-липофильности, зарядом молекулы сенсибилизатора в растворе, положением максимума поглощения и другими параметрами можно до некоторой степени управлять при синтезе препарата, получая производные с различными заместителями.

Различают три пути гибели клеток под действием фотодинамической терапии:

1. Прямая гибель клеток.

В клетке основными мишенями повреждающего действия фотосенсибилизатора являются мембраны, митохондрии и лизосомы. Перекисное окисление липидов мембраны может привести к нарушению ее целостности, увеличению проницаемости, образованию в мембране структурных дефектов и разрушению. Взаимодействие с белками мембраны приводит к дезактивации ферментов, рецепторов и ионных каналов, прекращению трансмембранного переноса молекул и ионов. Еще одной важной мишенью повреждающего действия являются митохондрии – энергетические станции клеток. В нормальных условиях в них происходит синтез АТФ, вещества, необходимого для всех энергозатратных процессов в клетке (синтеза ДНК, белков, транспорта веществ, деления клеток и т.д.). Нарушение дыхания и синтеза АТФ приводит к нарушению всех функций клетки и ее гибели. Разрушение лизосом в результате повреждения их мембраны также вносит вклад в гибель клеток. Высокоактивные лизосомальные ферменты, высвобождающиеся при этом, способствуют гибели клетки.

2. Гибель клеток за счет повреждения сосудов.

Действие ФДТ значительно усиливается, если в опухоли есть функционирующая сосудистая система. Повреждение сосудов при ФДТ приводит к непрямой гибели клеток за счет ухудшения снабжения опухоли питательными веществами и кислородом. Чувствительность к ФДТ проявляют клетки эндотелия, макрофаги, нейтрофилы и тромбоциты. Под действием света запускается каскад физиологических событий: повреждаются клетки сосудистого эндотелия, происходит нарушение целостности сосудов и их сужение, происходит аггрегация тромбоцитов и склеивание (агглютинация) лейкоцитов и нейтрофилов, - что приводит к остановке кровоснабжения опухоли.

3. Иммунологический отклик на ФДТ

Фотодинамическая терапия активизирует местную иммунную реакцию организма на опухолевые ткани и клетки, подвергшиеся воздействию. Поврежденные клетки и клетки иммунитета высвобождают цитокины, хемокины и других медиаторы воспаления. Вырабатываются вещества, привлекающие в зону повреждения лейкоциты. Развивается местная воспалительная реакция, которая также приводит к гибели измененных клеток.

Явление флюоресценции, то есть испускания света при переходе из возбужденного состояния в основное, также используется в медицине, но уже с целью диагностики. Поскольку фотосенсибилизаторы накапливаются преимущественно в опухолевых тканях, их флюоресценцию можно зафиксировать приборами и, таким образом, обнаружить даже совсем небольшие (в несколько миллиметров) по размеру опухоли (они флюоресцируют белым светом), а также места воспалительных процессов, которые светятся на приборе светло-зеленым, и другие проблемные зоны. Накопление фотосенсибилизатора перед началом фотодинамической терапии также контролируется при помощи флюоресцентной диагностики.

Более подробное рассмотрение механизмов фотодинамической терапии можно найти в следующих публикациях:

1. Миронов А.Ф. Фотодинамическая терапия рака – новый эффективный метод диагностики и лечения злокачественных опухолей Скачать СОЖ. № 8, 1996. С. 32–40.
2. Залесский В.Н., Дынник О.Б. Апоптоз и цитотоксические эффекты фотосенсибилизации Скачать Сучасні проблеми токсикології. № 4, 2003.
3. Luksiene Z. Photodynamic therapy: mechanism of action and ways to improve the efficiency of treatment Скачать Medicina (Kaunas). №12, 2003. Р.1137.
4. Bisland. S.K. Introduction to PDT
5. The Science of PDT