Terapia Fotodynamiczna nowotworów nadzieją współczesnej

&ARM0RZEGL.AUK†
COPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33.†
4ERAPIAFOTODYNAMICZNANOWOTWORÌW
NADZIEJ’WSP̌CZESNEJMEDYCYNYONKOLOGICZNEJ
0HOTODYNAMICTHERAPYOFCANCERASAHOPEFORTHEPRESENTONCOLOGY
$OROTA-AÊKOWSKA
)NSTYTUT0ODSTAW#HEMIIˆYWNOuCI
7YDZIAŒ"IOTECHNOLOGIII.AUKOˆYWNOuCI
0OLITECHNIKA|ÌDZKA
Streszczenie
Terapia fotodynamiczna jest stosunkowo młodym, aczkolwiek skutecznym orężem walki z chorobą nowotworową. Wykorzystuje synergiczne działanie fotouczulającego
leku oraz światła o odpowiednio dobranej długości fali.
Dzięki szybkiemu postępowi technologicznemu znajduje
zastosowanie w terapii coraz szerszego spektrum nowotworów a także innych chorób. Jej wysoka skuteczność
oraz praktycznie brak toksyczności w stosunku do zdrowych tkanek zaowocowały zwiększającym się zainteresowaniem zarówno wśród lekarzy jak i naukowców. Obecnie trwają intensywne badania nad jej dalszym rozwojem,
udoskonaleniem i znalezieniem nowych zastosowań.
Abstract
Photodynamic therapy is a relatively young, although
effective weapon of the fight against cancer. It is using
synergetic action of photosensitizer and the light with appropriately selected wavelength. Thanks to the rapid technological progress it is finding application in the therapy
of more and more broad spectrum of cancers as well as
other illnesses. Its high effectiveness and practical lack of
toxicity in relation to healthy tissues resulted in the increasing interest both amongst medicine doctors as well
as scientists. At present an intensive research on its further
development, the improvement and finding new applications lasts.
Słowa kluczowe: terapia fotodynamiczna (PDT), mechanizm działania PDT, nowotwory
Key words: photodynamic therapy (PDT), mode of action of PDT, cancers
Nowotwory stanowią największe wyzwanie dla ludzkości, ale także największe dla niej zagrożenie. W rankingu
najpopularniejszych „zabójców” na świecie plasują się na
czwartym miejscu [1], a biorąc pod uwagę jedynie kraje wysoko rozwinięte, zajmują już drugą pozycję tuż za
chorobami układu krążenia. Szacuje się nawet, że w ciągu
najbliższych kilku dekad mogą stać się czołowym zabójcą
w krajach zachodu [2].
W poszukiwaniu nowych leków przeciwnowotworowych współczesna medycyna wykorzystuje wszystkie
możliwości. Obejmują one badania wszelkich nowoodkrytych lub zsyntetyzowanych związków pod kątem ich
aktywności przeciwnowotworowej, zwracanie uwagi na
niedoceniane lub nieznane wcześniej działania znanych leków, konstruowanie nowych związków w oparciu o wiedzę
o mechanizmach nowotworzenia, wykorzystanie przeciwciał rozpoznających powierzchniowe struktury komórek
nowotworowych oraz wytwarzanie lepszych form recepturowych leków o uznanej aktywności [3].
Dotychczasowe metody leczenia nowotworów pogrupować można w następujący sposób:
u interwencja chirurgiczna – najskuteczniejsza w terapii
guzów litych, jednak nie gwarantuje usunięcia mikroskopijnych nacieków, niekiedy też uaktywnia przerzutowanie (np. rak jajnika) [4],
u chemioterapia – najpowszechniej stosowania metoda,
ze względu na różnorodność dostępnych środków aplikowana jest w szerokim spektrum nowotworów.
Ze względu na mechanizm działania wyróżnia się cztery zasadnicze grupy chemioterapeutyków [5]:
1) antymetabolity – działają jako „fałszywe substraty”
w reakcjach biochemicznych komórek. Przykładem
tak działających leków jest metotreksat – najczęściej
stosowany lek z tej grupy.
&ARM0RZEGL.AUK
2) inhibitory topoizomeraz – hamują zdolność tych
enzymów do łączenia rozdzielonych nici DNA.
W materiale genetycznym powstają trwałe przerwy,
co prowadzi do śmierci komórek. Przykładem leku
hamującego działanie topoizomerazy I jest jeden
z pierwszych chemioterapeutyków – kamptotecyna
oraz jej analogi (np. topotekan, irinotekan), a topoizomerazy II – etopozyd i tenipozyd.
3) czynniki alkilujące – tworzą trwałe wiązania chemiczne z elementami budulcowymi DNA, co prowadzi do powstania przerw w niciach bądź niewłaściwe
ich połączenia, jak w przypadku cyklofosfamidu.
W konsekwencji takich zmian w cząsteczce DNA dalsze podziały komórkowe są niemożliwe i włączony
zostaje mechanizm samobójczej śmierci komórki.
4) alkaloidy roślinne – zapobiegają podziałom komórkowym, wiążąc się z białkiem globularnym – tubuliną, która odpowiada za formowanie mikrotubularnych włókienek uczestniczących w przemieszczaniu
zduplikowanych chromosomów do przeciwleglych
końców macierzystej komórki. Winblastyna, winkrystyna, kolchicyna czy paklitaksel to przykłady leków
blokujących prawidłowe funkcjonowanie włókien
tubulinowych.
Komórki rakowe często jednak uodporniają się na środki
chemioterapeutyczne poprzez nadekspresję transporterów
błonowych aktywnie usuwających lek z komórki, bądź też
poprzez mutacje w aparacie apoptozy [6].
u radioterapia - metoda pozwalająca zachować struktury anatomiczne otaczające guz, nie upośledzając funkcji
prawidłowych tkanek, te bowiem znacznie lepiej tolerują ekspozycję na promieniowanie rentgenowskie lub
gamma niż tkanki nowotworowe. Niestety jest ona nieskuteczna w przypadku szerokiego rozsiewu nowotworowego.
u terapie biologiczne – mają na celu zwiększenie odporności organizmu przeciw nowotworowi, ograniczenie
sygnałów pobudzających i wzmocnienie sygnałów hamujących jego wzrost oraz zaburzających angiogenezę.
Do tej grupy zalicza się immunoterapię (przeciwciała
monoklinalne, szczepionki przeciwrakowe) oraz wykorzystujące inhibitory kinazy tyrozynowej terapie celowane. Inhibitory kinazy tyrozynowej działają poprzez
wiązanie i blokowanie domeny uczestniczącej w przeniesieniu reszty fosforanowej ATP w trakcie aktywacji
kaskady przekazywania sygnału mitogennego. Kinaza
tyrozynowa może stanowić część wewnątrzbłonową receptora lub część białka cytoplazmatycznego (np. białka bcr-abl) [7]. Wprowadzenie do klinik leku gleevec,
będącego inhibitorem kinazy tyrozynowej białka bcr-abl
występującego m. in. w komórkach przewlekłej białaczki szpikowej, pozwoliło na opanowanie niektórych groźnych typów nowotworów. Niestety, najnowsze badania
wskazują, że komórki nowotworowe uodparniają się nawet na te nowoczesne leki [8, 9].
u hormonoterapia - obejmuje zarówno działania mające
na celu hamowanie jak i wspomaganie działania hormonów, które wpływają na tempo wzrostu nowotworu, podziały i obumieranie nieprawidłowych komórek. Mimo,
iż ten rodzaj terapii ma niewiele skutków ubocznych,
ponieważ jego działanie ogranicza się do tkanek posiadających receptory dla specyficznych hormonów, to
znajduje stosunkowo niewielkie zastosowanie (rak sutka, rak gruczołu krokowego).
u terapia fotodynamiczna (ang. photodynamic therapy,
PDT) – stosunkowo niedawno wprowadzona do klinik
metoda walki z rakiem, będąca zmodyfikowaną formą
chemioterapii, wykorzystująca synergistyczne działanie
leku (fotouczulacza, fotosensybilizatora) i światła o odpowiednio dobranej długości fali.
Zainteresowanie lekarzy i naukowców terapią fotodynamiczną w ostatnich latach zaowocowało jej ekspansywnym
rozwojem, udoskonaleniem oraz rozszerzeniem możliwości stosowania. Oprócz leczenia chorób o podłożu nowotworowym, PDT wykorzystuje się z dużym powodzeniem
w terapii zwyrodnienia starczego plamki oraz wysokiej
krótkowzroczności. Trwają badania nad zastosowaniem
PDT w leczeniu chorób naczyń wieńcowych, AIDS, chorób
autoimmunologicznych i w przeciwdziałaniu odrzucaniu
przeszczepów [10]. Początkowo PDT stosowano głównie
w leczeniu niektórych rodzajów nowotworów skóry, jednak w miarę postępu technologicznego, wprowadzenia do
medycyny technik światłowodowych, kamer CCD światło laserowe i fotouczulacze mogły znaleźć zastosowanie
w leczeniu głębiej położonych nowotworów. Metodą fotodynamiczną leczy się obecnie również nowotwory przełyku,
oskrzeli, płuc, pęcherza moczowego, szyjki macicy, jelita
grubego a nawet mózgu [11].
Procedura rozpoczynająca diagnostykę fotodynamiczną
(ang. photodynamic diagnosis) polega na podaniu pacjentowi fotosensybilizatora i odczekaniu określonego czasu,
potrzebnego do skumulowania się barwnika w komórkach
nowotworowych. Fotouczulacze przenikają do wszystkich
tkanek ustroju, jednak z tkanek zdrowych usuwane są szybciej niż z tkanek zdegenerowanych. Następnie badany obszar ciała naświetla się światłem o energii wystarczającej
do zaabsorbowania przez fotosensybilizator i wzbudzenia
go do stanu singletowego (S1). Fotouczulacz powracając do
stanu podstawowego (S0) emituje fluorescencję, w przypadku zmian nowotworowych najczęściej w obszarze światła
czerwonego. Fluorescencja tkanek zdrowych mieści się
w obszarze światła zielonego i niebieskiego, w zależności
od rodzaju podanego leku [12, 13].
Światło i fotouczulacze są także stosowane do niszczenia komórek nowotworowych, co stanowi nadrzędny cel
terapii fotodynamicznej. W tym przypadku do wzbudzenia
fotosensybilizatora używane jest światło o wyższej energii
tak by wzbudzona do stanu singletowego cząsteczka uległa międzysystemowej konwersji do stanu tripletowego
(T1). Fotouczulacz w stanie tripletowym może oddziaływać
z biologicznymi cząsteczkami poprzez transfer protonów
lub elektronów, tworząc wolne rodniki i jonorodniki, te
z kolei oddziaływują z tlenem tworząc produkty utlenienia
(reakcje I typu), lub przekazują swoją energię bezpośrednio
na cząsteczkę tlenu, generując w ten sposób tlen singletowy 1O2 (reakcje II typu) [14]. W wyniku tego oddziaływania
fotouczulacz powraca do stanu podstawowego, zaś bardzo
aktywny chemicznie tlen singletowy działa toksycznie na
COPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33.†
komórki nowotworowe, doprowadzając do ich śmierci na
drodze nekrozy lub apoptozy. Równie reaktywne i toksyczne jak tlen singletowy są produkty reakcji I typu, choć to
właśnie 1O2 jest głównym czynnikiem toksycznym w terapii fotodynamicznej. Niszczące działanie PDT ogranicza
się tylko do tkanek bezpośrednio naświetlanych, które zaabsorbowały wystarczającą ilość leku oraz są odpowiednio
natlenione.
Efekt fototoksyczny terapii fotodynamicznej polega na
bezpośrednim uszkodzeniu komórek nowotworowych poprzez wnikanie w ich błonę komórkową tlenu singletowego.
Niszczenie delikatnych struktur komórkowych, takich jak
lizosomy, doprowadza do uwolnienia enzymów hydrolitycznych i w konsekwencji nekrozę komórki. Z błony komórkowej wysyłany jest również sygnał włączający mechanizm
programowanej śmierci komórki [15].
Terapia fotodynamiczna, pomimo swoich ogromnych
zalet, ma jednak liczne ograniczenia. Wiążą się one przede
wszystkim ze zjawiskiem rozpraszania światła laserowego
przez tkanki, a także ze stosunkowo niewielką głębokością
wnikania wiązki. Skutkiem tego jest niepełna aktywacja
fotosensybilizatora znajdującego się w głębiej położonych
tkankach [14]. Głębokość wnikania światła lasera zależy
w głównej mierze od zastosowanej długości fali światła
wzbudzającego fotouczulacz. Najczęściej stosowane w medycynie onkologicznej pochodne porfirynowe wzbudzane
są światłem długości fali z zakresu 630–650nm, wnikając
do 1–2 cm głębokości guza [10].
Jeden z większych problemów stanowi również dość
ograniczona liczba związków stosowanych w tym typie terapii. Prawie wyłącznie są to pochodne porfirynowe (prekursory protoporfiryny IX). Ponadto od niedawna stosuje
się kwas 5-aminolewulinowy (ALA), metylowany kwas
aminolewulinowy (MAL) [14, 16, 17] i pochodne chloryny [14]. Trwają badania nad interesującymi właściwościami
hyperycyny – fotodynamicznego pigmentu z kwiatu dziurawca pospolitego (Hypericum perforatum), wykazującej
indukowane światłem silne działanie antybakteryjne i przeciwwirusowe [18].
W tym miejscu warto przytoczyć kilka przykładów prac
polskich badaczy, którzy stosując terapię fotodynamiczną w praktyce klinicznej odnotowali bardzo dobre wyniki.
W pracy Sieronia i wsp. grupę 315 pacjentów ze zdiagnozowanym rakiem podstawnokomórkowym skóry (basal
cell carcinoma, BCC), rogowaceniem starczym (actinic
keratoses), rakiem kolczystokomórkowym (squamous cell
carcinoma, SCC) i chorobą Bowena poddano terapii fotodynamicznej z miejscowym użyciem 20 % ALA i lampą Diomed 630 PDT. Naświetlania powtarzano w seriach 2 – 12,
w zależności od indywidualnego przypadku. Dla 79 % ogółu badanej grupy pacjentów uzyskano całkowite wyleczenie,
z czego 100 % wyleczenie odnotowano u pacjentów z rogowaceniem starczym jak również z chorobą Bowena. Niewiele mniejszą skuteczność PDT, bo 94 % osiągnięto w przypadku leczenia powierzchniowego BCC, nieco mniejszą (60
%) guzkowatego BCC i SCC [19]. Równie dobre wyniki
terapii fotodynamicznej z zastosowaniem ALA u pacjentów
z pierwotnymi nowotworami skóry (BCC i SCC) uzyskano w Centrum Diagnostyki i Terapii Laserowej Politechniki
Łódzkiej. Po 6 miesiącach od terapii wznowę odnotowano
jedynie u 8 % pacjentów, po 2 latach nawrót choroby stwierdzono u 18 % wszystkich leczonych. Zatem pełne wyleczenie uzyskano aż w 82 % przypadków [20].
Z kolei zespół Adamka badał odpowiedź układu immunologicznego pacjentów z rakiem podstawnokomórkowym
poddanych terapii fotodynamicznej z miejscowym podaniem 10 % kwasu delta-aminolewulinowego i naświetlaniem
lampą Diomed 630 PDT. Odnotowano znaczący wzrost intensywności chemiluminescencji neutrofili (p = 0,015), spadek stężenia interleukiny 1 beta IL–1β (p = 0,006) i istotne
zmniejszenie stężenia transformującego czynnika wzrostu
beta 1 TGF–β1 (p < 0,001). Wyniki te stanowią potwierdzenie wcześniejszych przypuszczeń, że działanie PDT nie
ogranicza się jedynie do lokalnego zasięgu, ale modyfikuje
układ odpornościowy pacjenta przyczyniając się do ostatecznego pozytywnego wyniku terapii [21].
Podsumowując terapia fotodynamiczna charakteryzuje
się względnie wysoką skutecznością, brakiem toksyczności
w stosunku do prawidłowych struktur komórkowych otaczających guz oraz zredukowanym do minimum ryzykiem
powikłań. Z tego względu w wielu ośrodkach prowadzone
są intensywne badania nad dalszym rozwojem, udoskonaleniem oraz poszukiwaniem nowych zastosowań dla PDT.
Piśmiennictwo
1. Nowicki A. Strategie wielokierunkowego skojarzonego
leczenia nowotworów złośliwych. Współczesna Onkologia 2003; 7: 326-332.
2. Tamimi RM i wsp. Prospects for chemoprevention of
cancer. J Intern Med 2002; 251: 286-300.
3. Jędrzejczak WW. Strategie wykorzystywane w poszukiwaniu nowych leków skutecznych w leczeniu nowotworów krwi. Współczesna Onkologia 2001; 5: 129-130.
4. Bodnar L. Nowe odkrycia w biologii, diagnostyce oraz
leczeniu raka jajnika. 40. Kongres Amerykańskiego Towarzystwa Onkologii Klinicznej, 5-8.06.2004.
Nowy Orlean, USA. Sesja Ginekologii Onkologicznej – sprawozdanie. Współczesna Onkologia 2004; 8:
403-406.
5. Hellman S, Vokes EE. Postępy w leczeniu raka. Świat
Nauki 1996; 11: 88-93.
6. Boral AL, Dessain S, Chabner BA. Clinical evaluation
of biologically targeted drugs: obstacles and opportunities. Cancer Chemother Pharmacol 1998; 42: S3-S21.
7. Dziaduszko R, Jassem J. Terapie celowane w onkologii.
Onkologia – podręcznik dla studentów i lekarzy. Medical Press. Gdańsk 2006; 68-71.
8. Gibbs WW. Poszukiwanie korzeni raka. Świat Nauki
2003; 8: 24-33.
9. Martindale D. Rak na celowniku. Lek rewolucyjny, lecz
niezbyt skuteczny. Świat Nauki 2001; 11: 12.
10. Lane N. Nowe światło dla medycyny. Świat Nauki 2003;
2: 58-65.
11. Schuitmaker JJ i wsp. Photodynamic therapy: a promissing new modality for the treatment of cancer. J Photochem Photobiol B 1996; 34: 3-12.
12. Wang H-W i wsp. Effect of photosensitizer dose on fluence rate responses to photodynamic therapy. Photochem
Photobiol 2007; 83: 1-9.
&ARM0RZEGL.AUK
13. Jiang F i wsp. Angiogenesis induced by photodynamic
therapy in normal rat brain. Photochem Photobiol 2004;
79: 494-498.
14. Steward F, Baas P, Star W. What does photodynamic therapy have to offer radiation oncologists (or their cancer
patients)? Radiother Oncol 1998; 48: 233-248.
15. Weichenthal M, Schwarz T. Phototherapy: How does
UV work? Photodermatol Photoimmunol Photomed
2005; 21: 260-266.
16. Steć M i wsp. Zastosowanie kwasu 5-aminolewulinowego
w fotodynamicznym leczeniu powierzchniowych nabłoniaków podstawnokomórkowych skóry. Współczesna
Onkologia 1999; 2: 76-79.
17. Grieb P. Kwas 5-aminolewulinowy (ALA) i jego zastosowania
w neurochirurgii. Neurol Neurochir Pol 2004; 38: 201-207.
18. Waser M, Falk H. Towards second generation hypericin
based photosensitizers for photodynamic therapy. Curr
Organic Chem 2007; 11: 547-558.
19. Sieroń A i wsp. Photodynamic diagnosis (PDD) and photodynamic therapy (PDT) in dermatology: “How we do
it”. Photodiagnosis Photodyn Ther 2006; 3: 132-133.
20. Rykała J i wsp. Pierwotne nowotwory skóry – wyniki
terapii fotodynamicznej. Postępy Dermatologii i Alergologii 2009; 4: 194-196.
21. Adamek M i wsp. Topical ALA–PDT modifies neutrophils’ chemiluminescence, lymphocytes’ interleukin1beta secretion and serum level of transforming growth
factor beta1 in patients with nonmelanoma skin malignancies. A clinical study. Photodiagnosis Photodyn
Ther 2005; 2: 65-72.
Adres do korespondencji:
dr inż. Dorota Mańkowska
Instytut Podstaw Chemii Żywności
Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności, Politechnika Łódzka
ul. Stefanowskiego 4/10
90-924 Łódź
tel.: +48 42 631 34 14
e-mail: [email protected]