Can photodynamic therapy be an alternative method in melanoma treatment?

WPROWADZENIE
Od wieków znana jest koncepcja wykorzystania światła w skojarzeniu z substancją fotouczulającą do leczenia różnych chorób. W starożytności stosowano światło oraz ekstrakt roślin bogatych w psoralen do terapii bielactwa nabytego, krzywicy i łuszczycy [1]. W połowie XIX wieku odkryto hematoporfiryny, których pochodne należą obecnie do najczęściej stosowanych fotouczulaczy.
Terapia fotodynamiczna (ang. photodynamic therapy – PDT) wymaga trzech składników: fotouczulacza, który lokalizuje się w tkance nowotworowej i uczula ją na działanie światła, źródła światła o odpowiedniej długości fali, które wzbudza zakumulowany w tkance nowotworowej fotouczulacz, a także niezbędnego tlenu rozpuszczonego w tkance. Wzbudzony związek przenosi energię z fali świetlnej na tlen cząsteczkowy, a następnie generuje jego reaktywne formy (RFT). Pojawiają się one w miejscu ulokowania fotouczulacza. Obecnie poszukuje się coraz lepszych rozwiązań, w których fotouczulacz selektywnie gromadzi się w tkance nowotworowej, natomiast w obrębie zdrowych tkanek nie powoduje efektów fototoksycznych. Ma on ponadto wykazywać maksymalnie intensywne pasma absorpcji w tzw. oknach transmisyjnych tkanki, które nie pokrywają się z pasmami absorpcji barwników endogennych (melaniny, hemoglobiny, oksyhemoglobiny) oraz z pasmami absorpcji wody w obszarze bliskiej podczerwieni [2]. Warunkiem zainicjowania reakcji fotochemicznej jest korelacja pasma emisji źródła światła z pasmem absorpcji barwnika, dlatego do każdego fotouczulacza należy zastosować odpowiednio dobraną długość fali [1–3].
Fotouczulacze mogą być stosowane bezpośrednio na skórę lub wprowadzane do organizmu poprzez iniekcję [3]. Po absorpcji światła, fotouczulacz ze stanu podstawowego przechodzi w stan wzbudzenia, w którym może ulec dwóm typom reakcji (ryc. 1.). W warunkach, gdy stężenie tlenu w środowisku reakcji jest zmniejszone, reakcja fotoutleniania przebiega wskutek wytworzenia form wolnorodnikowych w komórkach nowotworowych (reakcja fotodynamiczna typu I). Wolne rodniki powstają w wyniku przeniesienia wodoru lub elektronu między cząsteczką wzbudzonego fotouczulacza a substratem. Reakcja ta generuje powstanie anionorodnika ponadtlenkowego oraz rodnika wodoronadtlenkowego. Rodniki te są bardzo aktywnymi utleniaczami i ich powstanie zapoczątkowuje niszczenie tkanki nowotworowej w procesie utleniania. Fotouczulacz w stanie trypletowym może także przenosić energię bezpośrednio na cząsteczkę tlenu, która przechodzi w stan wzbudzony, tworząc tlen singletowy – bardzo reaktywną formę tlenu (II typ reakcji) [3–5]. Oba mechanizmy utleniania fotodynamicznego zachodzą jednocześnie. Stosunek między nimi zależy od rodzaju użytego fotouczulacza, stężenia substratu i tlenu oraz zdolności wiązania fotouczulacza do substratu [6]. Najbardziej narażonymi na fotoutlenianie – i związany z tym stres oksydacyjny – są związki zawierające wiązania podwójne w błonach komórkowych. Przy dłuższych czasach działania czynników utleniających destrukcji mogą ulegać także fragmenty białek oraz DNA [3].
Skuteczność zastosowania terapii zależy od wielu czynników: typu i dawki fotouczulacza, jego wewnątrzkomórkowej i zewnątrzkomórkowej lokalizacji, światła, dostępności tlenu i czasu między dostarczeniem fotouczulacza a ekspozycją na światło [7].
W terapii fotodynamicznej niszczenie tkanki nowotworowej może zachodzić w wyniku trzech mechanizmów:
• bezpośredniego niszczenia komórek nowotworowych (nekroza lub apoptoza),
• niszczenia unaczynienia – PDT powoduje rozpad mikrounaczynienia, co prowadzi do ostrego niedotlenienia tkanek i martwicy guza,
• odpowiedzi immunologicznej – wyniki badań wykazały, że PDT powoduje aktywację komórek immunokompetentnych, tj. makrofagów, neutrofili oraz limfocytów; objawia się to zwiększonym wydzielaniem interleukiny 6, interleukiny 10 oraz czynnika martwicy nowotworów (ang. tumour necrosis factor a – TNF-α) [7]. Śmierć komórek pod wpływem PDT zachodzi na drodze dwóch mechanizmów – nekrozy lub apoptozy. Nekrozę (martwicę) zwykle poprzedza takie uszkodzenie komórki, które uniemożliwia utrzymanie jej homeostazy. Często wiąże się ona z dużym uszkodzeniem tkanki przy silnej reakcji zapalnej, co z punktu widzenia zdrowia pacjenta nie jest korzystne.
Apoptoza jest procesem czynnym i nazywanym programowaną śmiercią komórki. Mechanizm ten warunkuje prawidłowe funkcjonowanie organizmu. W ostatnim etapie komórki ulegają fagocytozie [8]. Nie dochodzi do reakcji zapalnej. Apoptoza podlega ścisłej regulacji enzymatycznej, wywołana działaniem PDT wiąże się z generacją zwiększonego stężenia ceramidów oraz z uruchomieniem kaskady kaspaz [9].
ZASTOSOWANIE TERAPII FOTODYNAMICZNEJ W LECZENIU ZMIAN DERMATOLOGICZNYCH
Terapię fotodynamiczną stosuje się z powodzeniem w terapii różnych typów nowotworów i schorzeń nienowotworowych. Znalazła ona zastosowanie w leczeniu miejscowym i układowym zmian dermatologicznych o charakterze łagodnym, np. łuszczycy, zmian naczyniowych płaskich, oraz w leczeniu nowotworów skóry (raki podstawnokomórkowe, raki kolczystokomórkowe, choroba Bowena) [10].
Stosunkowo dobre wyniki uzyskano w terapii łuszczycy, stosując w PDT kwas 5-aminolewulinowy (ALA-PDT). W badaniach z wielokrotnym powtarzaniem PDT, przy użyciu 10-procentowego ALA oraz naświetlaniu promieniowaniem ultrafioletowym A (UVA), uzyskano ponad 50-procentowe wyleczenia zmian łuszczycowych [10]. Kliniczną skuteczność PDT-ALA opisano w przypadku raków podstawnokomórkowych (ang. basal cell carcinoma – BBC). W 90% przebadanych typów BBC uzyskano całkowite ustąpienie nowotworu przy terapii z zastosowaniem 20-procentowego ALA [11]. Przy tym samym stężeniu ALA w PDT, zastosowanej w przypadku choroby Bowena, wyleczono 88% pacjentów [12].
NISZCZENIE KOMÓREK CZERNIAKA ZŁOŚLIWEGO IN VITRO Z ZASTOSOWANIEM METODY FOTODYNAMICZNEJ
Wyniki badań in vitro nad zastosowaniem PDT w zwalczaniu czerniaka są bardzo obiecujące. Efektem terapii na ludzkiej linii komórek czerniaka o nazwie Beidegröm Melanoma (BM) były uszkodzenia DNA odpowiadające zmianom apoptotycznym. W badaniach zastosowano Photofrin®, który jest oczyszczoną formą pochodnej hematoporfiryny [13]. W badaniach z zastosowaniem tego samego fotouczulacza na ludzkiej linii komórek czerniaka Me45 uzyskano podobne wyniki. W dodatkowych badaniach przeprowadzonych na tej linii wykazano lokalizację Photofrinu® w błonach mitochondrialnych, co powoduje zaburzenia potencjału błonowego mitochondriów (depolaryzacja) oraz uwolnienie cytochromu c i innych białek apoptogennych. Zwiększenie stężenia grup karbonylowych oraz podwyższony poziom ekspresji mitochondrialnej dysmutazy ponadtlenkowej (MnSOD) i hemooksygenazy (HO-1) potwierdzają, że zastosowana PDT indukuje stres oksydacyjny w komórkach Me-45 [14]. Apoptozę stwierdzono również w komórkach linii czerniaka G361, które poddano terapii z użyciem sulfofenylowej pochodnej porfiryny z wbudowanym cynkiem [15]. Wyniki badań przeprowadzonych na mysiej linii czerniaka Cloudman S91/I3 dowodzą, że terapia z zastosowaniem Photofrinu® i Verteporfinu powoduje generowanie dużych ilości tlenu singletowego. Verteporfin jest pochodną porfiryny, należącą do fotouczulaczy drugiej generacji. Związek ten okazał się bardziej skuteczny w porównaniu z Photofrinem®, gdyż jego znacznie mniejsze dawki powodowały pożądany efekt cytotoksyczny [16].
WNIOSKI
Ponad 20 lat temu badacze stwierdzili, że czerniaki barwnikowe nie są wrażliwe na PDT, gdyż dochodzi do przekazywania wzbudzanej energii do melaniny zamiast do tlenu zawartego w komórkach [10]. W przeprowadzonych ostatnio badaniach wykazano jednak stres oksydacyjny i śmierć komórek czerniaka w wyniku zastosowanych terapii, co wskazuje, że metoda PDT może być skuteczna w leczeniu melanoma.
Metoda ta otwiera nowe możliwości nieinwazyjnego leczenia czerniaka z wykorzystaniem nowoczesnych osiągnięć biologii molekularnej, chemicznej syntezy związków i fizyki optycznej.
Piśmiennictwo
1. Dolmans D.E., Fukumura D., Jain R.K.: Photodynamic therapy for cancer. Nat Rev Cancer 2003, 3, 380-387.
2. Doughtery T.J.: Photoradiation therapy. Urology 1984, 23, 61-64.
3. Graczyk A.: Biochemiczne i biofizyczne podstawy fotodynamicznej metody wykrywania i leczenia nowotworów. [w:] Fotodynamiczna metoda rozpoznawania i leczenia nowotworów. A. Graczyk (red.), Dom Wydawniczy Bellona, Warszawa 1999, 21-73.
4. Vrouenraets M.B., Visser G.W., Snow G.B., van Dongen G.A.: Basic principles, applications in oncology and improved selectivity of photodynamic therapy. Anticancer Res 2003, 23, 505-522.
5. Tudaj A., Podbielska H., Zychowicz J., Stręk W.: Światło leczy – wprowadzenie do terapii i diagnostyki fotodynamicznej. [w:] Diagnostyka i terapia fotodynamiczna. H. Podbielska, A. Sieroń, W. Stręk (red.), Urban & Partner, Wrocław 2004, 1-32.
6. Kulbacka J., Saczlo J., Chwiłkowska A., Ługowski M., Banaś T.: Fototerapia jako alternatywna metoda leczenia nowotworów. Med Rodz 2008, 4, 88-95.
7. Gerber-Leszczyszyn H., Ziółkowski P.: Terapia fotodynamiczna nowotworów głowy i szyi. Dent Med Probl 2003, 40, 217-219.
8. Stępień A., Izdebska M., Grzanka A.: Rodzaje śmierci komórki. Post Hig Med Dośw 2007, 61, 420-428.
9. Lesiak K., Sztiller-Sikorska M., Czyż M.: Czynniki transkrypcyjne w powstawaniu i progresji czerniaka. Post Hig Med Dośw 2007, 61, 576-595.
10. Lanigan S.W.: Terapia fotodynamiczna w dermatologii. [w:] Lasery w dermatologii. S.W. Lanigan (red.), Wydawnictwo Czelej, Lublin 2005, 89-94.
11. Kennedy J.C., Pottier R.H., Pross D.C.: Photodynamic therapy with endogenous protoporphiryn IX: basic principles and present clinical experience. J Photochem Photobiol B 1990, 6, 143-148.
12. Babilas P., Landthaler M., Szeimies R.M.: Photodyamic therapy in dermatology. Eur J Dermatol 2006, 16, 340-348.
13. Saczko J., Kulbacka J., Chwiłkowska A., Drąg-Zalesińska M., Wysocka T., Ługowski M.: The influence of photodynamic therapy on apoptosis in human melanoma cell line. Folia Histochem Cytobiol 2005, 43, 129-132.
14. Wawrzuta A., Saczko J., Kulbacka J., Chwiłkowska A.: The influence of PDT on the melanoma cells in vitro. Acta Biochim Pol 2008, 55 (Suppl 3), 319.
15. Kolarova H., Macecek J., Nevrelova P., Huf M., Tomecka M., Bajgar R. i inni: Photodynamic therapy with zinc-tetra (p-sulfophenyl) porphyrin bound to cyclodextrin induces single stand breaks of cellular DNA in G361 melanoma cells. Toxicol in vitro 2005, 19, 971-974.
16. Nowak-Śliwińska P., Karocki A., Elas M., Pawlak A., Stochel G., Urbańska K.: Verteporfin, photofrin II and merocyanine 540 as PDT photosensitizers against melanoma cells. Biochem Biophys Res Commun 2006, 349, 549-555.