Основные механизмы фотодинамической терапии

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ФОТОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ

Кувшинов А.В., канд. мед. наук, доцент кафедры ортопедической стоматологии БГМУ

Наумович С.А., доктор мед. наук, профессор, зав. кафедрой ортопедической стоматологии БГМУ

Резюме: В статье отражается сущность и механизм фотодинамической терапии, описываются основные исторические этапыi его появления, развития и применения в различных областях медицины. Приводится обзор фотосенсибилизаторов и лазерных излучателей как основных физико-химических компонентов процедуры, а также краткое описание возможностей применения метода в стоматологии.

Ключевые слова: фотодинамическая терапия, фотосенсибилизатор, опухолевые и микробные клетки, лазерные излучатели.

Summary: In this article such problems as essence and mechanism, major historical stages of appearance, development and application of photodynamic therapy are reflected. Here is the review of photosensitizes and laser emitters, as the main physico-chemical components of PDTprocedure, and also the brief description of method capabilities in dentistry.

Keywords: photodynamic therapy, a photosensitizer, tumoral and microbic cages, laser radiators.

Суть фотодинамической терапии

Фотодинамическая терапия (ФДТ) основана на избирательном уничтожении патологически измененных клеток организма или клеток патогенных микроорганизмов, лежащих в основе развития и поддержания того или иного патологического процесса. Основным действующим агентом является специфическое химическое вещество - фотосенсибилизатор, который поглощается клеткой-мишенью и в неактивном состоянии является абсолютно инертным. Для активации молекуле вещества необходимо поглотить квант света определенной длины волны, соответствующей его пику поглощения. Пик поглощения вещества - это такая длина волны излучения, при которой интенсивность светового поглощения данного вещества максимальна. Кроме того, у источника света должна быть необходимая мощность и направленность пучка, обеспечивающие возможность доставки энергии излучения к клетке-мишени. После активации вещества свободные электроны, как правило, электроны системы сопряженных двойных связей, вместе с парой электронов атома металла, атомов азота и некоторых других переходят на более высокий энергетический уровень, после чего передают накопленную энергию на всегда присутствующий в ткани молекулярный кислород. Поглотив энергию, молекула кислорода делится на два чрезвычайно активных и реактогенных атома (синглетный кислород). Мгновенно взаимодействуя с окружающими химико-биологическими субстратами, синглетный кислород запускает каскад свободнора-

дикальных реакций, разрушающих мембранные органеллы клетки и уничтожающих ее.

Схема запуска цепной фотодинамической реакции (ФС - фотосенсибилизатор, ^ - квант света, Й- - органический радикал):

а) возбужденная форма: ФС + ^ = ФС*;

б) синглетный кислород: ФС* + 02 = 20-;

в) свободные радикалы: 20- + В"Й= 2Й0- .

Накопление фотосенсибилизатора,

как и любых других веществ, происходит преимущественно в энергодефицитных клетках, к которым относятся опухолевые, микробные и стареющие клетки. Есть аналогия с применением цитоста-тиков, которые, попадая в организм, также накапливаются большей частью в активно делящихся клетках, или клетках, метаболизм которых повышен, однако при этом фотосенсибилизатор, являясь абсолютно инертным, никак не влияет на жизнедеятельность клеток-акцепторов. Разрушительная фотохимическая реакция запускается лишь в зоне направленного облучения. Попадание в организм цитостатика вызывает неоправданное нарушение жизнедеятельности или гибель большого числа абсолютно здоровых клеток. Таким образом, если рассматривать фотодинамическую терапию с позиций применения в онкологии, то она сочетает в себе поражающее действие химиотерапии с прицельностью лучевой, не обладая при этом побочным действием ни первой, ни второй.

В качестве фотосенсибилизаторов выступают вещества, химическая струк-

Kuvshinov A.V., Naumovich S.A.

Belarusian State Medical University, Minsk

Basic mechanisms of photodynamic therapy

тура которых обусловливает способность поглощать световую энергию, трансформировать ее в другие формы энергии и далее передавать другим соединениям. Пример природной фотохимической реакции - фотосинтез, при котором молекула хлорофилла, типичный фотосенсибилизатор, поглощает квант света и переходит в возбужденное состояние. Возврат в основное состояние сопровождается трансформацией полученной световой энергии в энергию химических связей АТФ и НАДФ Н.

Возможность клинического применения ФДТ в онкологии и преимущества перед традиционными методами лечения обусловливают следующие факторы:

• направленность действия, возможность избирательного уничтожения опухолевых клеток без какого-либо воздействия на здоровые;

• возможность удаления опухоли без оперативного вмешательства: фотосенсибилизатор вводится внутривенно, накапливается в опухоли, после чего зона опухоли облучается лазером;

• возможность уничтожить остаточные опухолевые клетки после оперативного вмешательства: операционное ложе пропитывается фотосенсибилизатором и облучается лазером. Методика позволяет предотвратить рецидивы и метастазы;

• возможность корректного уничтожения опухоли в труднодоступных и эстетически значимых зонах;

• возможность противоопухолевой обработки крови при гемобластозах.

Преимущества ФДТ при лечении ин-фекционно-воспалительных процессов:

• эффективность фотодинамической терапии не зависит от спектра чувствительности микроорганизмов к антибиотикам. Метод в равной степени губителен для бактерий, простейших, грибов и вирусов;

• поскольку повреждающее действие фотохимического процесса обусловлено свободнорадикальными реакциями, развитие микробной устойчивости к ФДТ практически исключено. Фотосенсибилизаторы, в отличие от антибиотиков, не обладают токсическим и мутагенным действием, которое зачастую способствует селекции резистентных штаммов;

• бактерицидное действие носит локальный характер и лимитируется зоной лазерного облучения сенсибилизированных тканей. При этом удается избежать характерного для антибиотиков и антисептиков поражения нормальной микрофлоры в зонах, не подлежащих лечению;

• фотодинамическая терапия одинаково эффективна при острой и хронической инфекциях, а также при некоторых видах бациллоносительства.

В основе механизма фотодинамической терапии лежат основные принципы фотобиологии. Закон Bunsen-Roscoe: фотохимический эффект определяется дозой инициирующего излучения и рассчитывается как произведение мощности светового потока на время его экспозиции. Закон Stark-Einstein: одна молекула вещества, участвующая в фотохимической реакции, поглощает один квант света. Закон Grottus-Drawper: используемое для запуска фотохимической реакции излучение должно иметь волну соответствующей длины, поскольку только поглощенный свет способен инициировать ее протекание.

История применения ФДТ

Использование энергии фотохимических реакций в терапевтических целях началось в глубокой древности. Прообразом современных методов можно считать попытки древних египтян использовать светочувствительные вещества растений для лечения заболеваний кожи. Так, ококло 6 тысяч лет назад для лечения витилиго (депигментация кожи) врачи применяли порошок, приготовленный из листьев зверобоя и петрушки, который наносился на пораженные участки кожи и длительно активировался солнечным светом. Процедура приводила к появлению пигментации по типу загара. В арабских книгах, датированных XIII веком нашей эры, упоминается метод лечения витилиго, основанный на использовании

тинктуры из меда и порошка семян растения эйэтриллал (Aatrillal) [16]. Позже эйэтриллал был идентифицирован как растение Ammi majus (амми большая, или китайский тмин), а его лечебный эффект объясняется наличием фурокумаринов (псораленов), обладающих выраженным фотосенсибилизирующим действием. Фотодинамическая реакция, которая развивалась в лейкодерме при его применении, приводила к везикуляции, сопровождающейся реэпителизацией и репигментацией. В наши дни из амми получен препарат аммифурин, который применяют при витилиго, псориазе, красном плоском лишае, нейродермите.

Кислородзависимую фотодинамическую реакцию открыл в 1897 г. студент фармакологического института Мюнхенского университета О. Raab. Он первый заметил и описал уникальное явление: микроорганизмы (парамеции), помещенные в раствор акридинового оранжевого и свободно перемещающиеся в темноте, гибнут на солнечном свету [21]. После ряда исследований, проведенных под руководством директора института профессора HTappeiner, было сделано предположение о том, что флюоресцирующие субстраты наподобие акридинового красителя трансформируют энергию света в активную химическую энергию (living chemical energy), которая и вызывает гибель микроорганизмов.

В 1903 г. HTappeiner и H.Jesionek провели первый сеанс ФДТ больному раком кожи, используя в качестве фотосенсибилизатора краситель эозин [25]. В 1905 г. они описали первые результаты лечения 6 больных базально-клеточ-ным раком кожи лица местным применением 1% раствора эозина и длительным облучением солнечным светом или искусственным излучением дуговой лампы [18]. Им удалось добиться полной резорбции очагов у 4 больных с длительностью безрецидивного периода в течение 1 года.

Следующим важным этапом в развитии фотодинамической терапии стало открытие нового фотосенсибилизатора - ге-матопорфирина. Его фотохимическая активность существенно превосходила все предшествующие аналоги. Через некоторое время было синтезировано производное гематопорфирина (ПГП) (Hema-toporphyrine derivate - ^D), оно в 2 раза эффективнее исходного соединения [22].

Второе рождение метод пережил в связи с началом медицинского применения лазеров (первая половина 1960-х годов). Обладающий монохроматичностью лазерный свет позволял использовать

оптимальную для данного фотосенсибилизатора длину волны, что многократно увеличивало интенсивность фотохимической реакции. Кроме того, появилась возможность индукции световых потоков высокой мощности, транспортировки излучения по волоконно-оптическим системам к различным органам и тканям организма, а также прицельного воздействия на пораженные, содержащие фотосенсибилизатор клетки. С тех пор началось интенсивное внедрение метода фотодинамической терапии в различные сферы клинической практики.

В 1978 г. TJ. Dougherty с соавт., используя в качестве источника света аргоновый лазер, а в качестве фотосенсибилизатора производное гематопорфирина (HpD), осуществили фотодинамическую обработку 113 очагов злокачественного поражения кожи, в результате которой добились полной резорбции 111 из них. Во время процедуры излучение подавалось к обрабатываемому участку по волоконному световоду [14, 15].

Сегодня метод с успехом применяется для лечения доброкачественных и злокачественных новообразований любой локализации, но наибольшее распространение он получил при заболеваниях кожи, дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта, мочевого пузыря, патологии системы крови. Особое значение фотодинамическая терапия приобрела при удалении опухолей, расположенных в труднодоступных для хирургического вмешательства областях, а также местах, где операция приводит к грубым косметическим и функциональным дефектам (на губе, в полости рта, на веках, на ушных раковинах, на носу) (рис. 1) [3].

Метод ФДТ широко применяется при лечении неопухолевой патологии: трофических язв, гнойных ран, инфекцион-но-воспалительных и эрозивно-язвенных процессов в различных органах и тканях, при лечении коллагенозов, неоваскуля-ризаций, заболеваний кожи, атеросклероза, артритов [12].

Фотосенсибилизаторы

В основе химического строения современных фотосенсибилизаторов лежит порфирин - макроциклическое соединение, состоящее из четырех пирроль-ных колец, соединенных между собой метиновыми мостиками (рис. 2). По очередности разработки и внедрения в практику все фотосенсибилизаторы условно делятся на два поколения.

Фотосенсибилизаторы I поколения -производные гематопорфирина, при активации не оказывают бактерицид-

Рис. 1. Плоскоклеточный рак кожи крыла носа: а 4 недели после ФДТ [3]

ного действия на грамотрицательные микроорганизмы. Это такие препараты, как Фотофрин II (США, Канада) [15], Фотосан (Германия), HpD (Китай) [17], Фотогем (Россия) [11].

Фотосенсибилизаторы II поколения -результат поиска путей преодоления микробной устойчивости. Оосновные их группы: производные хлорофилла а; производные бактериохлорофилла а; тетраазапорфирины; аналоги порфи-ринов. Среди фотосенсибилизаторов II поколения ведущую позицию занимают производные природных соединений хлорофилла а и бактериохлорофилла а. Первым веществом, синтезированным на основе хлорофилла а стал феофорбид, полученный путем удаления иона магния и сложноэфирной группы из исходного соединения. Потом были разработаны хлорин е6 (рис. 3) и его моно- и диами-ды с природной аспарагиновой кислотой (MACE и DACE). Эти соединения стали основой для создания большой группы эффективных и востребованных в клинике препаратов [2, 5, 7, 8, 13, 17].

Наряду с природными хлорофиллами существует целый ряд синтетических ди- и тетрагидропорфиринов, успешно прошедших биологические и клинические испытания. Особого внимания заслуживает разработанный британскими учеными тетрагидроксифенилхлорин и соответствующий бактериохлорин, для которых характерна высокая интенсивность фотохимической выработки син-глетного кислорода и низкая фототоксичность [19]. Препарат «Темопорфин» (тетрагидроксифенилхлорин) успешно прошел испытания в клинике, а два его дигидропроизводных (бензопорфирин и этиопурпурин) находятся на стадии пред-клинического изучения. Недостатком соединений данной группы является низкая водорастворимость и связанная с этим необходимость приготовления липосо-мальных форм препарата.

Из веществ группы тетраазопорфири-нов наиболее изучены подгруппы фта-лоцианинов и нафталоцианинов [17]. Существенно затрудняет практическое

до лечения; б - через 9 дней после ФДТ; в - через

Рис. 2. Химическая структура молекулы порфирина

Рис. 3. Химическая структура молекулы хлорина е6

Рис. 4. Фотосенсибилизатор «Фотолон»

использование этих веществ их высокая гидрофобность. Для увеличения растворимости этих соединений в воде к металлокомплексам присоединяют суль-фогруппы, что меняет их фотохимическую активность.

Созданы аналоги порфиринов, которые отличаются от исходного вещества типом сопряжения между пиррольными кольцами [17].

Российские Фотодитазин [23], Ра-дахлорин [10] и Фотосенс [9] созданы на основе фотосенсибилизаторов II поколения. Первые два представляют

собой 0,35% раствор для внутривенного введения и содержат композицию из трех циклических тетрапирролов хлориновой природы, основной из которых (8090%) - хлорин е6. Радахлорин и Фотодитазин способны разрушать биологические субстраты после возбуждения светом с длиной волны в диапазоне 654-670 нм. Препараты обладают высоким квантовым выходом синглетного кислорода и способностью к флюоресценции, которая позволяет осуществлять люминесцентную диагностику очагов неопластического изменения тканей. Для Радахлорина и Фотодитазина характерны высокая водо-растворимость и хорошая стойкость при хранении. Препараты выпускаются в виде инъекционного раствора и в виде 1% геля для наружного применения.

Фотосенс относится к группе тетра-азопорфиринов и представляет собой раствор смеси натриевых солей сульфированного фталоцианина алюминия в дистиллированной воде. Пик поглощения препарата приходится на 675 нм. Препарат разрешен к клиническому применению в онкологии. Изучается возможность применения Фотосенса для лечения неопухолевой патологии.

В Республике Беларусь на РУП «Белмедпрепараты» также разработан и внедрен в производство фотосенсибилизатор на основе хлорина е6 - препарат «Фотолон». Клинические испытания показали высокую эффективность Фотолона в лечении доброкачественных и злокачественных новообразований кожи, мочевого пузыря, дыхательных путей, в гинекологической, нейрохирургической практике и ряде других областей [1, 4, 20, 24]. Налажен выпуск препарата в виде порошка для приготовления инъекционного раствора и мазевой формы для местного применения. Мы использовали именно его (рис. 4).

Требования к медицинским фотосенсибилизаторам: безвредность для пациента и врача; высокая селективность накопления в опухолевых, микробных и поврежденных клетках; высокий квантовый выход триплетного состояния in vivo (с энергией не менее 94 кДж/моль); максимум поглощения в диапазоне длин волн 600-800 нм; выраженная люминесценция; слабое накопление в здоровой коже и слизистых оболочках; низкая световая токсичность при использовании в терапевтических дозах; быстрое выведение из организма; хорошая растворимость в воде или других растворителях, используемых для внутривенного введения; устойчивость при хранении и введении в организм; доступность получения или синтеза.

Источники излучения для ФДТ

Второй компонент фотодинамического воздействия - инициирующее химическую реакцию излучение. Любой свет в той или иной степени вызывает активацию фоточувствительного вещества, поэтому курс фотодинамической терапии предусматривает пребывание пациента в затемненной палате. Для направленного запуска фотохимической реакции свет должен обладать определенной длиной волны, соответствующей пику поглощения фотосенсибилизатора. У большинства современных фотосенсибилизаторов пик поглощения лежит в длинноволновой части спектра (600-800 нм) и соответствует так называемому «окну прозрачности» биологических тканей. Кроме того, чтобы доставить излучение к месту воздействия и активировать большее число молекул фотосенсибилизатора, он должен обладать определенной мощностью, а также когерентностью электромагнитных волн в световом потоке.

Для данных целей на разных этапах развития метода использовались ртутные, ультрафиолетовые, ксеноновые и другие виды излучателей. Однако абсолютно соответствует требованиям к инициирующему излучению лазерное излучение. Оно позволяет создать высокую плотность мощности энергетического потока, обеспечить глубокое проникновение, возможность полноценной доставки, строгого дозирования и точной локализации световой энергии.

Используемые для фотодинамической терапии лазерные системы различаются по типу рабочего вещества: лазер на парах золота, лазер на красителях с накачкой аргоновым лазером, лазер на красителях с накачкой эксимерным лазером или лазером на парах меди, твердотельные лазеры с удвоенной частотой излучения, лазер на ионах криптона. Наибольшей и заслуженной популярностью пользуются диодные лазеры.

В Беларуси производятся лазерные излучатели, которые могут быть использованы для фотодинамической терапии. Например, диодные лазеры «Айболит» и «Родник-1» (рис. 5), разработанные НТК «Люзар», на базе Института физики НАН Беларуси, а также «ФДТ-лазер», разработанный в Институте молекулярной и атомной физики НАН Беларуси.

ФДТ в стоматологии

Фотодинамическая терапия в стоматологии - активно развивающаяся перспек-

Рис. 5. Аппарат лазерный терапевтический «Родник-1»

тива. Наиболее актуальные направления: лечение заболеваний периодонта, слизистой оболочки полости рта, антимикробная фотодинамическая обработка корневых каналов, кариозных полостей, гнойных очагов инфекции [6]. ФДТ применяется в челюстно-лицевой онкологии, ревматологии, послеоперационной реабилитации и профилактике; в косметологии, для отбеливания зубов.

Одна из наиболее важных и показательных областей применения ФДТ в стоматологии - лечение заболеваний пе-риодонта и слизистой оболочки полости рта. Причиной безуспешности стандартного периодонтологического лечения, а также возникающих при этом рецидивов является невозможность полной элиминации патогенной микрофлоры из воспалительных очагов, а также ее невосприимчивость к действию антисептических и антибактериальных препаратов. Использование механического, ультразвукового и химического воздействия не обеспечивает полного удаления микробных конгломератов, а также закрытия входных ворот для периодонтологической инфекции. Субповерхностная локализация микробных клеток, расположение их в межклеточных пространствах эпителиального пласта, а также выработка устойчивых к фармакологическим препаратам форм обусловливают непродолжительность эффекта при стандартном лечении.

ФДТ за счет способности фотосенсибилизатора и лазерного излучения проникать глубоко в ткань обеспечивает доступ к провоцирующим рецидив агентам. В свою очередь, микробная устойчивость, возникновение которой зачастую служит причиной неэффективности антисептиков и антибиотиков, в случае с фотодинамической терапией исключена. Кроме того,

после фотодинамического воздействия на поверхности десны формируется специфическая фотокоагуляционная пленка, препятствующая повторному внедрению микроорганизмов в ткань. Доказано также, что ФДТ стимулирует обменные процессы в ткани и выработку локального иммунитета.*

ЛИТЕРАТУРА

1. ВФС РБ 05551-2001. Временная фармакопейная статья «Фотолон 0,025 г 0,05 г и 0,1 г для инъекций» // МЗ РБ. Фармакопейный комитет. - Минск, 2001.

2. Жаврид Э.А. Кочубеев Г.А., Шелег С.В. // Лазеры в биомедицине: м-лы Междунар. науч. конф., Гродно, 1-3 окт., 2003 г. / НАН РБ. - Минск, 2003. - С.41-47.

3. Истомин Ю.П., Чалов В.Н, ЦерковскийД.А. // Мед. новости. - 2010. - №10. - С.2-5.

4. Каллан М.А., Петров П.Т., Царенков В.М., ЦыбА.Ф. // Новые лекарственные средства: синтез, технология, фармакология, клиника: тез. докл. Междунар. науч. конф., Минск, 14-16 ноя. 2001г.- Минск, 2001. - С.57.

5. ПпавскийВ.Ю., МостовниковВ.А., Мостовникова Г. Р. и др. // Журн. прикл. спектроскоп. - 2003. - Т.70, №6. - С.809-815.

6. Рисованная О.Н. //Лазерная медицина. - 2006.-№2.-С.21-28

7. Савицкий В.П., Зорин В.П., Поталнев М.П. // Лазеры в биомедицине: м-лы Междунар. науч. конф., Минск, 14-16 ноя. 2004 г. - Минск, 2004.- С.62-72.

8. Странадко Е.Ф., Рябов М.В., Фурлетова Н.М. и др. // Лазерная медицина. - 2002. - Т.6, вып. 1. - С.44-47.

9. Торшина Н.Л., Посыланова A.M., Волкова А.И. // Фотодинамическая терапия злокачественных новообразований: м-лы II Всеросс. симпоз. с междунар. участием.- М, 1997. - С.131-135.

10. Фотосенсибилизатор и способ его получения: пат. №2183956 С1 МПК А61К31/409, А61Р35/00/ РФ / А.В.Решетников, И.Д.Залевский, Ю.М.Кемов // Патенты РФ на изобретения. - 2002. - RU БИПМ №18. - С.158-159.

11. Чиссов В.И., Скобелкин О.К., Миронов А.Ф. // Хирургия. - 1994. - №12. - С.3-6.

12. Юсупов А.С. // Бюлл. междунар. науч. хирург. ассоциации. - 2009. - №4. - С.118-119.

13. Boutorine, A.S., BraultD., TakasugiM. // J. Am. Chem. Soc. - 1996. - Vol.118. - P.9469-9476.

14. Dougherty TJ. // Seminars Surg. Oncol. - 1989. -Vol.5. - P.6-16.

15. Dougherty T.J. // Photochem. Photobiol. -1987. -Vol.46, N5. - P.569.

16. Fahmy I.R. Abu-Shady H. // J. Pharm. Pharmacol. -1948. - Vol.21. - P.499-503.

17. Gomer C.J. // Photochem. Photobiol. - 1991. -Vol.54. - P.1993-2005.

18. Jesionek A, Tappeiner H. // Dtsch. Arch. Klin. Med. - 1905. - Vol.82. - P.223-226.

19. Kubler A.C., Haase T., Staff C. // Laser Surg. Med. - 1999. - Vol.25, N1. - P.60-68.

20. Phlipp CM, MullerU, UibanP, BeiienH.P. // Photodynamic Diagnosis and Therapy in Clinical Practice: Intern. Conf., Brixen, 10-14 Oct., 2006. - Brixen, 2006. - P.41.

21. Raab O. // Z. Biol. - 1900. - Vol. 39. - P.524-546.

22. Schwarts S., Absolon K., Vermund H. // Bull. Minn Univ. School Med. - 1955. - Vol.27. - P.7-13

23. Stranadko E.F, PonomarevG.V., Mechkov V.M. // Proc. SPIE. - 2000. - Vol.3909. - P. 138-145.

24. Lapzevich TP, Istomin Y.P, Trukhachova TV, Petrov PT. // Photodynamic Diagnosis and Therapy in Clinical Practice: Intern. Conf., Brixen, 10-14 Oct. 2006. - Brixen, 2006. - P.10.

25. TappeinerH, JesionekX. // Munch. med. Wschr. -1903. - Vol.50. - P.2042-2044.

Поступила 04.01.2012

* В следующих номерах журнала будут опубликованы результаты изучения эффективности ФДТ в комплексном лечении заболеваний периодонта c описанием клинических примеров.