Статия
Фотодинамична терапия с метиленово синьо: как се изследва лечението
Фотодинамичната терапия с метиленово синьо звучи като процедура в две стъпки. Нанасяте синьо багрило и го осветявате с червена светлина. Тази представа е погрешна и е източникът на повечето недоразумения относно това лечение. Изследваната процедура има три компонента, които трябва да присъстват едновременно на едно и също място: фотосенсибилизатор в поглъщащата светлина форма, фотони с подходяща дължина на вълната в измерена доза и молекулярен кислород, който да приеме прехвърлената енергия. Ако премахнете който и да е компонент, няма механизъм, който да обясни твърдения ефект.
Тази статия обяснява как изследователите описват тази трикомпонентна система, кои параметри контролират и защо публикувани стойности за дължина на вълната и енергия не могат да се превърнат в домашна процедура. Резултатите при рак са разгледани в отделен преглед на изследванията за метиленовото синьо и рака, а стоматологичните приложения са събрани в изследванията на фотодинамиката в устната кухина и стоматологията. Нито една от тези теми не се повтаря тук.
Багрилото е фотосенсибилизатор, а не просто оцветител
Метиленовото синьо поглъща силно червената светлина, като максимумът на поглъщане на мономера е около 664 до 666 nm, а моларният коефициент на поглъщане е много висок. Именно тази ивица на поглъщане е причината изследванията на фотодинамичната терапия с метиленово синьо да използват източници на червена светлина, обикновено в диапазона от около 630 до 680 nm. Лампа извън този диапазон може да изглежда ярка, но да осигурява почти никакво ефективно възбуждане. Принципите за избор на дължина на вълната са обяснени в как метиленовото синьо поглъща червената светлина.
Поглъщането е само първата стъпка. Възбуденото багрило преминава в триплетно състояние с по-дълъг живот, от което са възможни два фотохимични пътя. При химичните реакции от тип I възбуденото багрило обменя електрони или водородни атоми с близки субстрати и образува радикали, включително супероксид в последващите реакции. При реакциите от тип II багрилото в триплетно състояние прехвърля енергия директно към кислорода в основно състояние и образува синглетен кислород. При наличие на кислород метиленовото синьо действа предимно като сенсибилизатор за образуване на синглетен кислород, с докладван квантов добив около 0.5 във вода, докато приносът на реакциите от тип I се увеличава или намалява според локалната среда. Прегледът от 1993 г. на фотохимията на метиленовото синьо с биологични субстрати описва двата пътя и показва защо съотношението между тях не може да се определи от етикета на багрилото.
Същият преглед посочва основната мишена сред нуклеиновите киселини. Гуанинът има най-нисък окислителен потенциал сред базите на ДНК, затова синглетният кислород го окислява преимуществено, образувайки продукти като 8-оксо-дезоксигуанозин. За това увреждане не е необходима интеркалация в ДНК. Прегледът обаче предупреждава и срещу разглеждането на ДНК като единствената мишена. Метиленовото синьо окислява белтъци, липиди и мембрани, а мишената, чието увреждане води до смърт в даден експеримент, зависи от това къде се локализира багрилото. Следователно концентрацията в разтвора, в който се намира пробата, е слаб косвен показател за дозата в мишената. Читателите, които сравняват тази задвижвана от светлината химия с окислително-редукционните роли на багрилото на тъмно, трябва да разграничават двете, както е изложено в материала за това как метиленовото синьо действа в клетките.
Изходно съединение, а не оптимизирано лекарство
Вторият основен източник е прегледът от 2005 г. на разработването на фенотиазиниеви фотосенсибилизатори, който разглежда метиленовото синьо като изходна структура с известни слабости, а не като завършен фотосенсибилизатор. Малки структурни промени изменят липофилността, клетъчното поемане, вътреклетъчната локализация, образуването на синглетен кислород, токсичността на тъмно и устойчивостта към редукция. Метилирането на хромофора например увеличава липофилността и образуването на синглетен кислород и забавя редукцията до неактивната левкоформа, а метилираните аналози са показали по-висока фототоксичност при около 7.2 J на квадратен cm в изследванията, на които се основава прегледът. По-високата липофилност обаче не означава автоматично по-добри свойства, защото прекомерната хидрофобност влошава разтворимостта, насърчава агрегацията и може да наруши геометрията, необходима за фотохимичните реакции.
Левкоформата заслужава специално внимание, защото промяната е невидима. Окисленото метиленово синьо е синьо и поглъща червена светлина. Редуцираното левкометиленово синьо е почти безцветно и поглъща слабо в същата ивица, така че багрилото, редуцирано в клетките или в слабо оксигенирана тъкан, временно отпада от фотоактивната фракция до повторното му окисление. Следователно окислително-редукционното състояние на тъканта променя ефективната концентрация на фотосенсибилизатора дори когато приложената концентрация е фиксирана. Историята на формулациите, включително ранните клинични и лабораторни приложения на това семейство багрила, е разгледана в историята на метиленовото синьо в медицината.
Таблица на изследванията: какво варира и какво означава това
Таблицата по-долу е оригиналният сравнителен материал за тази статия. Всеки ред представя една променлива на лечението, която изследванията трябва да отчитат. Прочетете всеки ред отляво надясно, за да видите защо промяната на една настройка променя значението на всички останали.
| Променлива | Какво отчитат изследванията | Защо това променя резултата |
|---|---|---|
| Формулация на фотосенсибилизатора | Свободно багрило във вода, физиологичен разтвор или буфер; етанол и Cremophor като среди в изследвания с животни; липозоми, полимерни частици или циклодекстринови носители в експериментални изследвания | Средата и носителят променят поемането, локализацията и проникването през бариери като матрицата на биофилма или туморната тъкан |
| Приложена концентрация | Антимикробните изследвания при хора отчитат приблизително 0.0003 до 0.06 M с интервали от 1 до 5 минути между прилагането и облъчването; изследванията на тумори при животни включват примери с интратуморно приложение на около 500 микрограма на mL | По-високата концентрация в разтвора може да увеличи димеризацията с поглъщане около 590 nm и да намали продуктивната фотохимия на мономерите, така че удвояването на концентрацията не означава непременно удвояване на ефекта |
| Интервал между прилагането и облъчването | Минути при локални антимикробни процедури; по-дълъг и зависещ от средата при туморни модели | Интервалът определя къде се намира багрилото, когато светлината достигне до него, а това определя основната биологична мишена |
| Дължина на вълната | Обикновено около 630 до 680 nm | Трябва да се припокрива с ивицата на поглъщане на мономера; разтворите, богати на димери, изместват ефективното поглъщане |
| Плътност на мощността на облъчване | Антимикробните изследвания при хора отчитат около 50 до 750 mW на квадратен cm; изследванията на рани при животни обикновено използват 100 mW на квадратен cm или по-малко | Високата плътност на мощността може да изчерпи локалния кислород по-бързо, отколкото перфузията го възстановява, което намалява ефективността при същия номинален флуенс |
| Флуенс | Антимикробните изследвания при хора отчитат около 6 до 18 J на квадратен cm за периоди от 8 секунди до 10 минути; изследванията на рани при животни отчитат около 12 до 360 J на квадратен cm | Общата енергия без плътност на мощността, време и геометрия е непълно описание на дозата |
| Оксигенация | Рядко се контролира пряко; оценява се косвено според вида на тъканта, скоростта на доставяне на флуенса и фракционирането | Химичните реакции от тип II консумират кислород, така че еднакви настройки на светлината могат да дадат различни ефекти при добре перфузирани и при хипоксични мишени |
| Мишена и условия | Модели на кожни инфекции и инфекции на рани, модели на биофилми в устната кухина, клетъчни култури на карцином и меланом, тумори при мишки, исторически доклади за кожни тумори | Геометрията, дълбочината, оптичните свойства и допустимото увреждане на тъканите на гостоприемника се различават толкова много, че числените параметри от антимикробни изследвания никога не могат да се пренасят количествено към изследвания на тумори |
Посочените по-горе диапазони са наблюдавани в изследванията, а не са препоръчителен протокол. Именно това разграничение е целта на таблицата. Широкият диапазон на докладваните светлинни дози сам по себе си е доказателство, че не съществува преносима светлинна доза за метиленовото синьо. Свързаният лабораторен контекст за работата с биофилми чрез светлинна активация е представен в метиленово синьо срещу биофилми, а по-широката информация за кожата и светлинната терапия е разгледана в материала за фоточувствителността на кожата и основите на светлинната доза.
Защо еднакви стойности на енергията могат да дадат различни биологични резултати
Четири недоразумения се повтарят винаги когато публикувани параметри се цитират без контекста им.
Първо, флуенсът не е доза. Две облъчвания с една и съща дължина на вълната и еднакви J на квадратен cm се различават, ако едното се извършва бързо, а другото бавно, защото изчерпването на кислорода, възстановяването по време на облъчването и фотоизбелването на багрилото зависят от скоростта и времето. Отчитането на енергията без плътността на мощността и времето на облъчване оставя експеримента недостатъчно описан.
Второ, оптичните свойства на тъканта променят значението на настройката на лампата. Поглъщането, разсейването, геометрията на повърхността и обратното разсейване означават, че флуенсът вътре в тъканта може да се различава съществено от стойността, измерена при изходния отвор на лампата — според литературата за клинична дозиметрия при някои обстоятелства разликата може да се доближи до двукратна. Число, копирано от научна публикация, описва геометрията в тази публикация, а не всяка възможна геометрия.
Трето, локализацията определя мишената. Катионното багрило се разпределя в мембрани, митохондрии, лизозоми, бактериални обвивки или извънклетъчна матрица в зависимост от формулацията, заряда, липофилността, интервала и тъканта. Прегледът на фотохимията от 1993 г. документира увреждания на нуклеинови киселини, белтъци, липиди, мембрани, органели, вируси, бактерии, клетки на бозайници и туморни системи. Именно затова една и съща комбинация от багрило и светлина може да причинява смърт по различни пътища при различни експериментални условия.
Четвърто, кислородът се изразходва. Високите скорости на доставяне на флуенса могат да надвишат скоростта на възстановяване на кислорода чрез дифузия и перфузия и да създадат преходна хипоксия по време на облъчването. Когато това се случи, добавянето на повече светлина води до малък или никакъв допълнителен ефект от тип II. Фракционирането и по-ниската плътност на мощността се изследват отчасти като решения на това ограничение. По същата причина границите на безопасност и оксигенацията на тъканите са въпрос на стандарти за клинична безопасност и наблюдение, а не на ръководство за лампа.
Процедура под ръководството на клиницист, а не домашна рецепта
Изследваното лечение се прилага там, където са осигурени едновременно диагностика, дозиметрия и наблюдение. Някой трябва да потвърди каква е лезията и до каква дълбочина достига, да избере формулация и интервал между прилагането и облъчването, съобразени с тази мишена, да калибрира източника за определено поле с определена геометрия и да следи кожата, очите, болката и локалната тъканна реакция. Основополагащият преглед на разработването на фенотиазиниеви фотосенсибилизатори представя цялата област като оптимизиране на връзката структура–активност при контролирани условия, а не като съчетаване на багрило с произволна червена светлина.
Домашното възпроизвеждане не осигурява контрол върху нито една от променливите. Лампите за потребителска употреба рядко посочват калибрирана спектрална плътност на мощността на разстоянието за третиране. Концентрацията на нанесеното багрило не казва нищо за мономерната фракция или вътреклетъчната локализация. Оксигенацията на тъканта е неизвестна и се променя по време на облъчването. Нито един от цитираните диапазони не обосновава домашен протокол и тази статия умишлено не предлага приложима рецепта. Читателите, които оценяват общото качество на доказателствата, трябва да използват как да четем изследване за метиленовото синьо, преди да правят изводи от отделна публикация, а тези, които се интересуват от подходи само със светлина, без фотосенсибилизатор, трябва да започнат с терапия с червена светлина без фотосенсибилизатор.
Какво не установява тази статия
Тя не установява, че фотодинамичната терапия с метиленово синьо излекува каквото и да е кожно заболяване, премахва каквато и да е инфекция или лекува какъвто и да е тумор. Цитираните тук прегледи на механизмите разглеждат измервания на фотохимични процеси и сравнения на структури на багрила; те не предписват клинична концентрация или флуенс. Посочените по-горе диапазони на параметрите идват от разнородни доклади при хора и животински модели с различни мишени, дълбочини, формулации и крайни показатели и не могат да се осреднят, за да се получат препоръки. Доказателствата, специфични за туморите, включително ограниченията на ранните клинични доклади за базалноклетъчен карцином, сарком на Капоши и меланом, се оценяват отделно в сборника за изследванията на рака. Въпросите за чистотата и снабдяването с материал от лабораторен клас са отделни от лечението и са разгледани в как да изберем продукт с метиленово синьо.