Альманах клинической медицины. 2017; 45: 333-347
Действие фотодинамической терапии с производным бактериохлорофилла а на рост и функциональную морфологию саркомы М-1 крыс
https://doi.org/10.18786/2072-0505-2017-45-4-333-347Аннотация
Актуальность. В последние годы в клинической онкологии все чаще и успешно применяется метод фотодинамической терапии (ФДТ). Для реализации противоопухолевого эффекта ФДТ ключевую роль играют три нетоксичных компонента: фотосенсибилизатор (ФС), локальное облучение опухоли светом/лазером определенной длины волны, соответствующей пику поглощения сенсибилизатора, и кислород. Образующиеся в ходе фотохимических реакций высокоактивные биологические окислители оказывают деструктивное действие на клетки и сосудистую сеть опухоли с последующей активацией иммунного ответа. Эффективность ФДТ определяется уровнем накопления ФС в опухоли, а также его фотофизическими параметрами и фотохимической активностью. Для создания новых ФС особый интерес представляют природные хлорофиллы и их производные с интенсивным поглощением в длинноволновой области спектра.
Цель – изучение эффективности и механизма действия ФДТ с применением в качестве ФС конъюгата, содержащего две молекулы дипропоксибактериопурпуринимида с остатком цистамина, на рост и функциональную морфологию солидной соединительнотканной перевиваемой опухоли.
Материал и методы. Работа выполнена на самках белых беспородных крыс с имплантированной подкожно саркомой М-1. ФС вводили крысам опытной группы внутрибрюшинно. ФДТ проводили в период максимального индекса контрастности опухоль/здоровая ткань после введения ФС. Критерием эффективности действия ФДТ было изменение коэффициента роста/регрессии опухолей. Методы исследования включали иммуноокрашивание на PCNA и CD31, определение митотической активности и апоптотической гибели опухолевых клеток, а также компьютерный анализ микроскопических изображений.
Результаты. На фоне ФДТ с новым ФС зарегистрировано снижение коэффициента роста опухолевых узлов в 16 раз. Показано, что фотоиндуцированное противоопухолевое действие обусловлено разрушением сосудистого русла саркомы М-1, быстрым ингибированием пролиферативной активности и девитализацией опухолевых клеток. В ранние сроки после ФДТ деструкция микроциркуляторного русла и фотоцитостатический шок опухолевых клеток с последующим развитием некроза, по-видимому, обусловлены прямым воздействием лазерного излучения на сенсибилизированные клеточные элементы паренхимы и стромы опухолей.
Заключение. Конечный результат ФДТ определяется последовательностью деструктивных и воспалительных изменений в паренхиме опухолей и окружающих тканях, а также пролиферативным потенциалом выживших после лечения опухолевых клеток. Возможно, из-за недостаточно эффективной концентрации сенсибилизатора в отдельных слабо васкуляризированных участках саркомы М-1 сохраняются выжившие опухолевые клетки, которые определяют рецидивирующий рост новообразований после ФДТ.
Список литературы
1. Каплан МА, Капинус ВН, Попучиев ВВ, Романко ЮС, Ярославцева-Исаева ЕВ, Спиченкова ИС, Шубина АМ, Боргуль ОВ, Горанская ЕВ. Фотодинамическая терапия: результаты и перспективы. Радиация и риск. 2013;22(3): 115–23.
2. Филоненко ЕВ, Серова ЛГ. Фотодинамическая терапия в клинической практике. Biomedical Photonics. 2016;5(2): 26–37.
3. Sibata CH, Colussi VC, Oleinick NL, Kinsella TJ. Photodynamic therapy in oncology. Expert Opin Pharmacother. 2001;2(6): 917–27. doi: 10.1517/14656566.2.6.917.
4. Каплан МА, Романко ЮС, Попучиев ВВ, Южаков ВВ, Бандурко ЛН, Фомина НК, Михина ЛН, Малыгина АИ, Ингель ИЭ. Действие фотодинамической терапии с Фотодитазином на рост и функциональную морфологию саркомы М-1. Лазерная медицина. 2005;9(4): 41–7.
5. Pervaiz S. Reactive oxygen-dependent production of novel photochemotherapeutic agents. FASEB J. 2001;15(3): 612–7. doi: 10.1096/fj.00-0555rev.
6. Kessel D, Dougherty TJ. Agents used in photodynamic therapy. Reviews in Contemporary Pharmacotherapy. 1999;10(1): 19–24.
7. Grin MC, Mironov AF, Shtil AC. Bacteriochlorophyll a, and its derivatives: chemistry and perspectives for cancer therapy. Anticancer Agents Med Chem. 2008;8(6): 683–97. doi: 10.2174/187152008785133128.
8. Пантюшенко ИВ, Грин МА, Якубовская РИ, Плотникова ЕА, Морозова НБ, Цыганков АА, Миронов АФ. Новый высокоэффективный ИК-фотосенсибилизатор для фотодинамической терапии рака. Тонкие химические технологии. 2014;9(3): 3–10.
9. Южаков ВВ, Бурмистрова НВ, Фомина НК, Бандурко ЛН, Севанькаева ЛЕ, Старовойтова АВ, Яковлева НД, Цыганова МГ, Ингель ИЭ, Островерхов ПВ, Каплан МА, Грин МА, Мажуга АГ, Миронов АФ, Галкин ВН, Романко ЮС. Морфофункциональные характеристики саркомы М-1 крыс после фотодинамической терапии с производным бактериохлорофилла а. Biomedical Photonics. 2016;5(4): 4–14.
10. Южаков ВВ, Хавинсон ВХ, Кветной ИМ, Фомина НК, Кузнецова МН. Кинетика роста и функциональная морфология саркомы М-1 у интактных крыс и после гамма-облучения. Вопросы онкологии. 2001;47(3): 328– 34.
11. Weidner N, Semple JP, Welch WR, Folkman J. Tumor angiogenesis and metastasis – correlation in invasive breast carcinoma. N Engl J Med. 1991;324(1): 1–8. doi: 10.1056/NEJM199101033240101.
12. Al-Najar A, Al-Sanabani S, Korda JB, Hegele A, Bolenz C, Herbst H, Jönemann KP, Naumann CM. Microvessel density as a prognostic factor in penile squamous cell carcinoma. Urol Oncol. 2012;30(3): 325–9. doi: 10.1016/j.urolonc.2010.03.016.
13. Dougherty TJ, Gomer CJ, Henderson BW, Jori G, Kessel D, Korbelik M, Moan J, Peng Q. Photodynamic therapy. J Natl Cancer Inst. 1998;90(12): 889–905.
14. Rak JW, St Croix BD, Kerbel RS. Consequences of angiogenesis for tumor progression, metastasis and cancer therapy. Anticancer Drugs. 1995;6(1): 3–18.
15. Goel S, Duda DG, Xu L, Munn LL, Boucher Y, Fukumura D, Jain RK. Normalization of the vasculature for treatment of cancer and other diseases. Physiol Rev. 2011;91(3): 1071–121. doi: 10.1152/physrev.00038.2010.
16. Plate KH, Scholz A, Dumont DJ. Tumor angiogenesis and anti-angiogenic therapy in malignant gliomas revisited. Acta Neuropathol. 2012;124(6): 763–75. doi: 10.1007/s00401- 012-1066-5.
17. Ferrario A, von Tiehl KF, Rucker N, Schwarz MA, Gill PS, Gomer CJ. Antiangiogenic treatment enhances photodynamic therapy responsiveness in a mouse mammary carcinoma. Cancer Res. 2000;60(15): 4066–9.
18. Gomer CJ, Ferrario A, Luna M, Rucker N, Wong S. Photodynamic therapy: combined modality approaches targeting the tumor microenvironment. Lasers Surg Med. 2006;38(5): 516–21. doi: 10.1002/lsm.20339.
19. Каплан МА, Романко ЮС, Попучиев ВВ, Южаков ВВ, Бандурко ЛН, Михина ЛН, Фомина НК, Малыгина АИ, Ингель ИЭ. Влияние плотности световой энергии на противоопухолевую эффективность фотодинамической терапии с Фотодитазином. Лазерная медицина. 2005;9(2): 46–54.
Almanac of Clinical Medicine. 2017; 45: 333-347
Effect of photodynamic therapy with the bacteriochlorophyll a derivative on growth and functional morphology of rat sarcoma M-1
https://doi.org/10.18786/2072-0505-2017-45-4-333-347Abstract
Background: In recent years, the method of photodynamic therapy (PDT) has been increasingly used in clinical oncology. Three non-toxic components play a key role in realization of the anti- tumor effect of PDT: a photosensitizer (PS), local irradiation of the tumor with light/laser of a certain wavelength corresponding to the sensitizer absorption peak, and oxygen. The highly reactive biological oxidants formed during photochemical reactions exert a destructive effect on cells and tumor vasculature with subsequent activation of the immune response. Efficiency of PDT is determined by the level of PS accumulation in tumors, as well as by its photophysical parameters and photochemical activity. To create a new PS, natural chlorophylls and their derivatives with intense absorption in the long-wave region of the spectrum are of particular interest.
Aim: To study the efficacy and mechanism of PDT action (using a conjugate containing two molecules of dipropoxy-bacteriopurpurinimide with a cystamine residue as a PS) on the growth and functional morphology of transplanted solid connective tissue tumor.
Materials and methods: The study was carried out in female white outbred rats with subcutaneously implanted sarcoma M-1. PS was injected to rats of the experimental group intraperitoneally. PDT was performed during the maximal index of tumor/ healthy tissue contrast after the administration of the PS. The criterion of PDT efficacy was a change in the tumor growth/regression coefficient. The research methods included immunohistochemistry for PCNA and CD31, evaluation of mitotic activity and apoptosis of tumor cells, as well as computer analysis of microscopic images.
Results: After PDT with the new PS, a 16-fold decrease of growth coefficient of tumor nodes was registered. The photo-induced antitumor effect was shown to be due to destruction of sarcoma M-1 vascular bed, rapid inhibition of proliferative activity and devitalization of tumor cells. At early stages after PDT, destruction of the microvasculature and photo-cytostatic shock of tumor cells with subsequent development of necrosis appears to be caused by direct influence of the light flux on sensitized cellular elements in tumor parenchyma and stroma.
Conclusion: The final result of PDT is determined by the sequence of destructive and inflammatory changes in the tumor parenchyma and surrounding tissues, as well as by a proliferative potential of malignant cells surviving after treatment. The surviving tumor cells, which determine the recurrent growth of neoplasms after PDT, are still present, maybe due to an insufficient concentration of the sensitizer in certain weakly vascularized areas of sarcoma M-1.
References
1. Kaplan MA, Kapinus VN, Popuchiev VV, Romanko YuS, Yaroslavtseva-Isaeva EV, Spichenkova IS, Shubina AM, Borgul' OV, Goranskaya EV. Fotodinamicheskaya terapiya: rezul'taty i perspektivy. Radiatsiya i risk. 2013;22(3): 115–23.
2. Filonenko EV, Serova LG. Fotodinamicheskaya terapiya v klinicheskoi praktike. Biomedical Photonics. 2016;5(2): 26–37.
3. Sibata CH, Colussi VC, Oleinick NL, Kinsella TJ. Photodynamic therapy in oncology. Expert Opin Pharmacother. 2001;2(6): 917–27. doi: 10.1517/14656566.2.6.917.
4. Kaplan MA, Romanko YuS, Popuchiev VV, Yuzhakov VV, Bandurko LN, Fomina NK, Mikhina LN, Malygina AI, Ingel' IE. Deistvie fotodinamicheskoi terapii s Fotoditazinom na rost i funktsional'nuyu morfologiyu sarkomy M-1. Lazernaya meditsina. 2005;9(4): 41–7.
5. Pervaiz S. Reactive oxygen-dependent production of novel photochemotherapeutic agents. FASEB J. 2001;15(3): 612–7. doi: 10.1096/fj.00-0555rev.
6. Kessel D, Dougherty TJ. Agents used in photodynamic therapy. Reviews in Contemporary Pharmacotherapy. 1999;10(1): 19–24.
7. Grin MC, Mironov AF, Shtil AC. Bacteriochlorophyll a, and its derivatives: chemistry and perspectives for cancer therapy. Anticancer Agents Med Chem. 2008;8(6): 683–97. doi: 10.2174/187152008785133128.
8. Pantyushenko IV, Grin MA, Yakubovskaya RI, Plotnikova EA, Morozova NB, Tsygankov AA, Mironov AF. Novyi vysokoeffektivnyi IK-fotosensibilizator dlya fotodinamicheskoi terapii raka. Tonkie khimicheskie tekhnologii. 2014;9(3): 3–10.
9. Yuzhakov VV, Burmistrova NV, Fomina NK, Bandurko LN, Sevan'kaeva LE, Starovoitova AV, Yakovleva ND, Tsyganova MG, Ingel' IE, Ostroverkhov PV, Kaplan MA, Grin MA, Mazhuga AG, Mironov AF, Galkin VN, Romanko YuS. Morfofunktsional'nye kharakteristiki sarkomy M-1 krys posle fotodinamicheskoi terapii s proizvodnym bakteriokhlorofilla a. Biomedical Photonics. 2016;5(4): 4–14.
10. Yuzhakov VV, Khavinson VKh, Kvetnoi IM, Fomina NK, Kuznetsova MN. Kinetika rosta i funktsional'naya morfologiya sarkomy M-1 u intaktnykh krys i posle gamma-oblucheniya. Voprosy onkologii. 2001;47(3): 328– 34.
11. Weidner N, Semple JP, Welch WR, Folkman J. Tumor angiogenesis and metastasis – correlation in invasive breast carcinoma. N Engl J Med. 1991;324(1): 1–8. doi: 10.1056/NEJM199101033240101.
12. Al-Najar A, Al-Sanabani S, Korda JB, Hegele A, Bolenz C, Herbst H, Jönemann KP, Naumann CM. Microvessel density as a prognostic factor in penile squamous cell carcinoma. Urol Oncol. 2012;30(3): 325–9. doi: 10.1016/j.urolonc.2010.03.016.
13. Dougherty TJ, Gomer CJ, Henderson BW, Jori G, Kessel D, Korbelik M, Moan J, Peng Q. Photodynamic therapy. J Natl Cancer Inst. 1998;90(12): 889–905.
14. Rak JW, St Croix BD, Kerbel RS. Consequences of angiogenesis for tumor progression, metastasis and cancer therapy. Anticancer Drugs. 1995;6(1): 3–18.
15. Goel S, Duda DG, Xu L, Munn LL, Boucher Y, Fukumura D, Jain RK. Normalization of the vasculature for treatment of cancer and other diseases. Physiol Rev. 2011;91(3): 1071–121. doi: 10.1152/physrev.00038.2010.
16. Plate KH, Scholz A, Dumont DJ. Tumor angiogenesis and anti-angiogenic therapy in malignant gliomas revisited. Acta Neuropathol. 2012;124(6): 763–75. doi: 10.1007/s00401- 012-1066-5.
17. Ferrario A, von Tiehl KF, Rucker N, Schwarz MA, Gill PS, Gomer CJ. Antiangiogenic treatment enhances photodynamic therapy responsiveness in a mouse mammary carcinoma. Cancer Res. 2000;60(15): 4066–9.
18. Gomer CJ, Ferrario A, Luna M, Rucker N, Wong S. Photodynamic therapy: combined modality approaches targeting the tumor microenvironment. Lasers Surg Med. 2006;38(5): 516–21. doi: 10.1002/lsm.20339.
19. Kaplan MA, Romanko YuS, Popuchiev VV, Yuzhakov VV, Bandurko LN, Mikhina LN, Fomina NK, Malygina AI, Ingel' IE. Vliyanie plotnosti svetovoi energii na protivoopukholevuyu effektivnost' fotodinamicheskoi terapii s Fotoditazinom. Lazernaya meditsina. 2005;9(2): 46–54.
