МЕХАНІЗМИ ІНТОКСИКАЦІЙ УДК: 616 - 091.818: 615.849.19.099.092.015.44 В.Н. Залесский, к.м.н., О.Б. Дынник, к.м.н. АПОПТОЗ И ЦИТОТОКСИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ФОТОСЕНСИБИЛИЗАЦИИИнститут кардиологии им. Н.Д. Стражеско АМН Украины, Фотодинамическая терапия (ФДТ) — способ фотосенсибилизированного лечения новообразований, предопухолевых и некоторых других патологических состояний, основанный на избирательном накоплении в пролиферирующих клетках фотосенсибилизаторов (ФС) экзо- и эндогенного происхождения с последующей фотоактивацией их молекул светом (в том числе, лазерным) определенной длины волны, развитием фототоксических эффектов, а также гибелью накопивших ФС клеток (апоптоз) и/или повреждением тканей (некроз) [1—8]. Фотоактивация сенсибилизирующих соединений с тетрапиррольной структурой молекулы обусловлена их способностью реагировать на свет и передавать энергию квантов молекулам кислорода. В результате молекулы кислорода приходят в возбужденное "синглетное" состояние [9—11]. Синглетный кислород способствует развитию фотоцитотоксических эффектов в тканях. ФДТ — светокаталитический процесс индукции цитотоксичности в присутствии кислорода [9]. При этом ФС метаболически инертны без фотоактивации. Медицинская ФДТ-технология повреждения клеток и тканей основана на применении строго соответствующих дозировок фотосенсибилизатора и света [1—3]. Фотоактивация молекул ФС также используется в клинике для диагностики опухолевого роста и обеспечивает возникновение сигналов флюоресценции в опухолевых узлах, а также в участках метастазирования, расположенных за пределами основного очага поражения [12—18]. ФДТ-индуцированное повреждение опухоли ограничено глубиной пенетрации, активирующего ФС, света в ткани-мишени, а также зависит от длины волны лазерного излучения, степени пигментации тканей и др. факторов [19]. Широкое клиническое применение ФДТ-воздействия, в частности, при лечении заболеваний органов желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), ограничивается нерешенностью ряда технических задач, связанных с особенностями транспортировки световых потоков, а также недостаточной изученностью особенностей фармакокинетики ФС на животных моделях и в клинических условиях [19, 20]. Фотосенсибилизаторы первого поколения, относящиеся к классу гематопорфиринов (ГП) (ПГП, фотофрин-1, фотофрин-2, фотогем) являются наиболее распространенными препаратами для проведения ФДТ в онкологии [21, 22]. Применение ФДТ в клинической практике стимулировало поиск новых ФС, оптические, химические и фотофизические свойства которых были бы лучшими, чем у применяемых до сих пор производных ГП. С учетом этих особенностей наиболее перспективными препаратами являются ФС второго поколения — хлорины и фталоцианины и другие вещества [23—30]. Данные соединения малотоксичны, легко проникают через мембрану клетки, селективно накапливаются в опухолевой ткани. Хлорины и фталоцианины обладают оптимальными фотофизическими параметрами для их применения в клинических условиях в качестве фотодинамически активных соединений: наличие интенсивных полос поглощения в длинноволновой области Соре, где биологические ткани относительно прозрачны, высокий коэффициент молярной экстинции в максимумах поглощения, высокий квантовый выход образования длительно живущего триплетного состояния, что обеспечивает эффективную генерацию синглетного кислорода [31]. Клиническое применение ФС может иметь существенное ограничение при локализации опухоли в труднодоступных для квантов света участках [32]. Поэтому проведение в этих условиях т.н. каталитической ("темновой") терапии представляется перспективным направлением [29, 31]. В основе темновой терапии лежит деструкция раковых клеток активными формами кислорода (супер-оксид-анион-радикал, гидроксил-радикал), образующимися при комплексом применении ФС и восстановителя (например, аскорбиновой кислоты) без воздействия света. Увеличение селективности действия и фототерапевтической активности ФС может быть достигнуто путем их использования в виде коньюгатов с антителами и различными векторными белками [33]. В последнем случае ФС поступает в клетку в результате рецептор-опосредованного эндоцитоза коньюгата. Для получения коньюгатов на основе фотогема, хлоринов и фталоцианинов в качестве векторных молекул использован онкофетальный белок из ретроплацентарной сыворотки. Такие коньюгаты обладали высокой цитотоксической активностью в культуре опухолевых клеток [33]. Наряду с экзогенной (внутривенное введение производных ГП) существует эндогенная фотосенсибилизация [34, 35] с помощью таблетированных форм препарата аминолевулиновой кислоты (ALA), который в кровотоке метаболизируется в протопорфирин IX (Pp IX). ALA не является фотосенсибилизатором (per se), однако его продукты метаболизма Pp IX обладают выраженной фотореактивностью. Известно, что Pp IX — промежуточный продукт метаболизма гема, регулируемого ALA-синтетазой [35]. Опухолевые клетки (в том числе, аденокарциномы желудка) имеют тенденцию к гиперпродукции Pp IX, во-первых, в результате повышения активности порфобилиноген-деаминазы, ответственной за уровень продукции Pp IX, и, во-вторых, благодаря снижению феррохелатазной активности, являющейся результатом повышенной ретенции Pp IX опухолью, обусловленной редукцией перехода Pp IX в гем [36, 37]. Образование Pp IX из ALA в печени обусловливает поступление Pp IX в периферический кровоток [37]. Лазерное излучение применяется в ФДТ для фотоактивации сенсибилизирующих соединений с целью энергизации пигмент-содержащих клеток путем индукции процесса фотоокисления молекул и запуска фототоксических реакций [7, 33]. Такой тип воздействия более предпочтителен (как более физиологичный) по сравнению с общеизвестными методами лазерной терапии (фотокоагуляция, фототермическая деструкция). Лазерные источники света генерируют узкополосный свет, который может быть применен в соответствии с максимумами поглощения используемых ФС [3, 8]. По этой причине излучение аргонового лазера на красителях наиболее предпочтительно для клинических задач, так как данная система способна генерировать узкополосный свет в диапазоне длин волн 350—700 нм [10]. Однако источники света на красителях до сих пор остаются сложными в управлении, громоздкими и дорогостоящими [31]. Поэтому появление полупроводниковых лазеров открывает новые возможности для клиники [32]. Механизмы лазер-ФДТ индуцированного апоптоза. ФДТ-индуцированная клеточная гибель включает три основные этапа: 1) фототоксический (фотоактивация ФС, фотоокисление) эффект; 2) закупорка кровеносных сосудов и 3) апоптоз [39—40]. Как известно, фотодинамически активные соединения накапливаются преимущественно в злокачественных клетках и стенке быстро растущих сосудов опухоли, по сравнению с сосудами тканей. Поэтому фототоксический эффект является индуктором гибели клеток и закупорки сосудов опухоли [41]. Быстрое образование пула гипоксических клеток в результате фотодинамических воздействий и закупорка сосудов свидетельствует о том, что многие злокачественные клетки могут избегать прямого фотоповреждения. Поэтому часть клеток выживает и может персистировать в хорошо перфузируемые близлежащие и отдаленные участки тела. Известны преимущества химически индуцированного порфириногенеза, обусловленного введением ALA, — непосредственное фототоксическое влияние ФС на опухолевые клетки [40]. В то же время, механизмы их фотосенсибилизированной альтерации обусловлены в значительной степени сосудистым эффектом [38, 39]. Появление сообщений о лазер-ФДТ индуцированном апоптозе как in vitro [42], так и in vivo [40], открыло новую область исследования механизмов фотоцитотоксичности. Ранее апоптозом злокачественных клеток объясняли их способность к выживанию после химиотерапевтических воздействий противоопухолевыми агентами [33]. Сегодня апоптоз рассматривают как процесс клеточной фототоксичности, имеющей широкий спектр реакций на ФДТ [44—46]. Митохондриальные мишени ФДТ были изучены [48, 49] при оценке механизмов ФДТ-индуцированного апоптоза, как результата фотосенсибилизации мембран митохондрии. Повреждение митохондриальной мембраны было обусловлено снижением ее потенциала, являющегося триггером апоптического процесса в клетке [47]. Данный феномен сопровождается активацией каспазы-3 [51]. При этом активацию каспазного каскада авторы рассматривали в качестве начального этапа развития процесса повреждения ДНК ядра клетки и ее фрагментации — важнейших предикторов апоптоза [45]. Инициация высвобождения цитохрома С происходила тогда, когда митохондрии выступали в качестве мишени ФДТ-воздействия [47]. Оказалось, что три фотосенсибилизатора — этиопурпурин (SnET-2), порфицен (СРО) и хлорин (м-ТНРС) обладают выраженной аффинностью к различным субклеточным мембранным структурам [51]. Фотоповреждение антиапоптического белка Bcl-2 индуцировал ФС-хлорфталоцианин [52], оставляя интактным проапоптический белок Вах. С помощью СРО, т-ТНРС и SnET-2 регистрировали ФДТ-индуцированное повреждение лизосом [34]. При этом SnET-2 отличался от других ФС селективностью накопления в лизосомах и проявлял замедленную проапоптическую активность [43]. Описан антиапоптический эффект ФДТ после Bcl-2-трансфецирования [42]. Данная процедура исходно способствовала подъему уровней как Bcl-2, так и Вах белков; однако, на последующих этапах ФДТ-воздействие приводило к селективному снижению уровня Bcl-2, оставляя Вах неповрежденным. Известно, что взаимодействие между Вах и мембраной митохондрий способствует потере ими цитохрома с [54—56]. Bcl-2 контролирует процесс перераспределения Вах в митохондриальной мембране и, возможно, суперэкспрессия Вах с избирательным фотоповреждением Bcl-2 способствовала развитию антиапоптической активности ФДТ после трансфекции Bcl-2 [52]. Установлен [57, 58] цитопротекторный эффект Bcl-2-трансфицирования на фоне развития ФДТ-индуцированного апоптоза, однако результатов влияния процесса трансфецирования на Вах-экспрессию в этих исследованиях предоставлено не было. В последующих экспериментах было подтверждено, что фотоповреждению Bcl-2 предшествовало снижению потенциала мембраны митохондрий, происходящего на фоне понижения ее проницаемости и высвобождения цитохрома С с последующей активацией каспазы-3. Это способствовало индукции апоптического процесса и, по принципу обратной связи, значительно усиливало процессы внутриклеточной сигнализации апоптоза [59, 60]. Бензодиазепиновые рецепторы (PBR) как мишени ФДТ-воздействия были описаны в работах [61, 62]. PBR-рецепторы чувствительны к бензодиазепинам и их аналогам [63]. Идентифицированы их синтетические — ДК-11195 [64], RoS-4864 [65] и природные — протопорфирин — Pp IX [61] лиганды. Сродство к этим рецепторам различных ФС, отобранных для проведения ФДТ-воздействия, является важнейшей составляющей эффективности фотодинамической терапии [62]. Изомеры Pp IX, такие как Pp III, Pp XII инициировали фотоповреждение клеток L 1210 с апоптическим изменением ядер, что позволило высказать предположения о том, что высокая ФДТ-эффективность обусловлена Pp IX-конфигурацией молекул ФС [66]. Лизосомные мишени ФДТ-воздействия. Сравнительно недавно было показано, что супернатант обработанных дигитонином лизосом способен активировать прокаспазы in vitro и индуцировать апоптоз в реструктуризованной системе, содержащей изолированные ядра [67]. Высокоочищенная фракция лизосомных протеаз (катепсин В) также активировала прокаспазы in vitro [68]. Авторы предположили возможность индукции апоптоза протеазами лизосом путем активации каспаз. Иначе говоря, была показана способность протеаз косвенно индуцировать апоптоз, повреждая митохондрии с последующим высвобождением цитохрома С и инициацией каспазного каскада. На лейкозных клетках (L 1210) и гепатоцитах (1с1с7) обнаружено, что селективное ФДТ-повреждение лизосом при использовании трех различных ФС (хлорин е6, хлорин р6, тексаферин) было обусловлено постепенным снижением потенциала митохондриальной мембраны и поступлением цитохрома С в цитозоль [69]. Это сопровождалось повышением содержания в клетке флюоресцентного зонда (DEVD afc), характеризующего активность каспазы-3. Данные исследования подтвердили представления о том, что цитотоксические эффекты ФДТ-повреждения лизосом могут быть инициированы выходом лизосомальных протеаз (катепсин В), а это прямо или косвенно приводит к активации каспаз и индукции повреждения митохондрий. Предполагается, что еще одним из факторов инициации процесса фотодеструкции лизосом может явиться непосредственная фотосенсибилизация отдельных протеаз в клетке [69]. Таким образом фотодинамическая терапия — способ лечения новообразований, предопухолевых и других патологических состояний, основанный на избирательном накоплении ФС (экзо- и эндогенного происхождения) в интенсивно делящихся клетках с последующими фотоактивацией их молекул светом (в том числе, лазерным) определенной длины волны, развитием фотоцитотоксических эффектов, гибелью накопивших ФС клеток (апоптоз) и/или повреждением тканей (некроз). Активация ФС светом способствует возникновению синглетного кислорода. ФДТ-индуцированная клеточная гибель включает следующие этапы: фотоцитотоксический (фотоактивация молекул ФС, фотоокисление), процесс закупорки кровеносных сосудов и апоптоз. ФДТ-индуцированному апоптозу предшествует снижение потенциала мембраны митохондрии, высвобождение цитохрома С, активация каспазы-3, фотоповреждение Bcl-2 белка. Усилению процесса апоптической сигнализации способствуют индукция апоптоза протеазами (катепсин В) лизосом, высокое сродство ФС к бензодиазепиновым рецепторам (ФДТ-мишеням), определяющим цитотоксические эффекты фотодинамической терапии. Литература |