Φωτοδυναμική θεραπεία με κυανό του μεθυλενίου: πώς μελετάται η θεραπεία

Η φωτοδυναμική θεραπεία με κυανό του μεθυλενίου ακούγεται σαν διαδικασία δύο βημάτων. Εφαρμόζουμε μπλε χρωστική και τη φωτίζουμε με ερυθρό φως. Αυτή η αντίληψη είναι λανθασμένη και αποτελεί την πηγή της μεγαλύτερης σύγχυσης γύρω από αυτή τη θεραπεία. Η διαδικασία που μελετάται έχει τρία μέρη, τα οποία πρέπει να συνυπάρχουν στο ίδιο σημείο την ίδια στιγμή: έναν φωτοευαισθητοποιητή στη μορφή που απορροφά φως, φωτόνια κατάλληλου μήκους κύματος σε μετρημένη δόση και μοριακό οξυγόνο που θα δεχτεί τη μεταφερόμενη ενέργεια. Αν αφαιρεθεί οποιοδήποτε από αυτά, δεν υπάρχει μηχανισμός που να στηρίζει το υποστηριζόμενο αποτέλεσμα.

Αυτό το άρθρο εξηγεί πώς περιγράφουν οι ερευνητές αυτό το σύστημα τριών μερών, ποιες παραμέτρους ελέγχουν και γιατί ένα δημοσιευμένο μήκος κύματος και μια τιμή ενέργειας δεν μπορούν να μετατραπούν σε διαδικασία για το σπίτι. Τα αποτελέσματα που αφορούν τον καρκίνο παρουσιάζονται σε ξεχωριστή ανασκόπηση της έρευνας για το κυανό του μεθυλενίου και τον καρκίνο, ενώ οι οδοντιατρικές εφαρμογές συγκεντρώνονται στην έρευνα για τη στοματική και οδοντιατρική φωτοδυναμική θεραπεία. Κανένα από αυτά τα θέματα δεν επαναλαμβάνεται εδώ.

Η χρωστική είναι φωτοευαισθητοποιητής, όχι απλώς μέσο χρώσης

Το κυανό του μεθυλενίου απορροφά έντονα το ερυθρό φως, με την κορυφή απορρόφησης του μονομερούς κοντά στα 664 έως 666 nm και πολύ υψηλή μοριακή απορροφητικότητα. Αυτή η ζώνη απορρόφησης εξηγεί γιατί οι μελέτες φωτοδυναμικής θεραπείας με κυανό του μεθυλενίου χρησιμοποιούν πηγές ερυθρού φωτός, συνήθως στην περιοχή περίπου 630 έως 680 nm. Μια λυχνία εκτός αυτής της ζώνης μπορεί να φαίνεται φωτεινή, ενώ παρέχει σχεδόν μηδενική αξιοποιήσιμη διέγερση. Οι κανόνες για το μήκος κύματος που καθορίζουν αυτή την επιλογή εξηγούνται στο άρθρο πώς απορροφά το κυανό του μεθυλενίου το ερυθρό φως.

Η απορρόφηση είναι μόνο το πρώτο βήμα. Η διεγερμένη χρωστική μεταβαίνει σε μια τριπλή κατάσταση μεγαλύτερης διάρκειας ζωής και από εκεί είναι διαθέσιμες δύο φωτοχημικές οδοί. Στη χημεία Τύπου I, η διεγερμένη χρωστική ανταλλάσσει ηλεκτρόνια ή άτομα υδρογόνου με γειτονικά υποστρώματα και παράγει ρίζες, με επακόλουθες αντιδράσεις που περιλαμβάνουν υπεροξείδιο. Στη χημεία Τύπου II, η χρωστική στην τριπλή κατάσταση μεταφέρει ενέργεια απευθείας στο οξυγόνο της θεμελιώδους κατάστασης και παράγει μονήρες οξυγόνο. Σε συνθήκες επαρκούς οξυγόνωσης, το κυανό του μεθυλενίου δρα κυρίως ως ευαισθητοποιητής για την παραγωγή μονήρους οξυγόνου, με αναφερόμενη κβαντική απόδοση κοντά στο 0.5 στο νερό, ενώ η συμβολή του Τύπου I αυξάνεται ή μειώνεται ανάλογα με το τοπικό περιβάλλον. Η ανασκόπηση του 1993 για τη φωτοχημεία του κυανού του μεθυλενίου με βιολογικά υποστρώματα χαρτογραφεί και τις δύο οδούς και δείχνει γιατί η ισορροπία τους δεν μπορεί να προσδιοριστεί από την ετικέτα της χρωστικής.

Η ίδια ανασκόπηση κατονομάζει τον κύριο στόχο στα νουκλεϊκά οξέα. Η γουανίνη έχει το χαμηλότερο δυναμικό οξείδωσης μεταξύ των βάσεων του DNA, οπότε το μονήρες οξυγόνο την οξειδώνει κατά προτίμηση, σχηματίζοντας προϊόντα όπως η 8-οξο-δεοξυγουανοσίνη. Η παρεμβολή στο DNA δεν είναι απαραίτητη για αυτή τη βλάβη. Ωστόσο, η ανασκόπηση προειδοποιεί επίσης ότι το DNA δεν αποτελεί ολόκληρη την εικόνα. Το κυανό του μεθυλενίου οξειδώνει πρωτεΐνες, λιπίδια και μεμβράνες, και ο στόχος του οποίου η βλάβη προκαλεί θάνατο σε κάθε πείραμα εξαρτάται από το πού εντοπίζεται η χρωστική. Επομένως, η συγκέντρωση στο διάλυμα που περιβάλλει το δείγμα είναι ασθενής έμμεσος δείκτης της δόσης στον στόχο. Όσοι συγκρίνουν αυτή τη φωτοεπαγόμενη χημεία με τους οξειδοαναγωγικούς ρόλους της χρωστικής στο σκοτάδι πρέπει να διατηρούν τη διάκριση μεταξύ τους, όπως εξηγείται στο πώς λειτουργεί το κυανό του μεθυλενίου στα κύτταρα.

Μια πρόδρομη ένωση, όχι ένα βελτιστοποιημένο φάρμακο

Η δεύτερη βασική πηγή είναι η ανασκόπηση του 2005 για την ανάπτυξη φωτοευαισθητοποιητών φαινοθειαζινίου, η οποία αντιμετωπίζει το κυανό του μεθυλενίου ως αρχική δομή με γνωστές αδυναμίες και όχι ως ολοκληρωμένο φωτοευαισθητοποιητή. Μικρές δομικές αλλαγές μεταβάλλουν τη λιποφιλικότητα, την κυτταρική πρόσληψη, τον ενδοκυτταρικό εντοπισμό, την παραγωγή μονήρους οξυγόνου, την τοξικότητα στο σκοτάδι και την αντοχή στην αναγωγή. Για παράδειγμα, η μεθυλίωση του χρωμοφόρου αυξάνει τη λιποφιλικότητα και την παραγωγή μονήρους οξυγόνου και επιβραδύνει την αναγωγή στην ανενεργή λευκομορφή, ενώ τα μεθυλιωμένα ανάλογα εμφάνισαν υψηλότερη φωτοτοξικότητα σε περίπου 7.2 J ανά τετραγωνικό cm στην εργασία στην οποία βασίζεται η ανασκόπηση. Ωστόσο, η μεγαλύτερη λιποφιλικότητα δεν είναι αυτομάτως καλύτερη, επειδή η υπερβολική υδροφοβικότητα μειώνει τη διαλυτότητα, προάγει τη συσσωμάτωση και μπορεί να παραμορφώσει τη γεωμετρία που απαιτεί η φωτοχημεία.

Το ζήτημα της λευκομορφής αξίζει ιδιαίτερη έμφαση, επειδή δεν είναι ορατό. Το οξειδωμένο κυανό του μεθυλενίου είναι μπλε και απορροφά ερυθρό φως. Το ανηγμένο λευκο-κυανό του μεθυλενίου είναι σχεδόν άχρωμο και απορροφά ασθενώς στην ίδια ζώνη. Έτσι, η χρωστική που έχει αναχθεί μέσα στα κύτταρα ή σε ιστό με ανεπαρκή οξυγόνωση παύει προσωρινά να συμμετέχει στο φωτοενεργό σύνολο μέχρι να επανοξειδωθεί. Επομένως, η οξειδοαναγωγική κατάσταση του ιστού μεταβάλλει την αποτελεσματική συγκέντρωση του φωτοευαισθητοποιητή ακόμη και όταν η εφαρμοζόμενη συγκέντρωση παραμένει σταθερή. Η ιστορία των σκευασμάτων, συμπεριλαμβανομένων των πρώιμων κλινικών και εργαστηριακών χρήσεων αυτής της οικογένειας χρωστικών, καλύπτεται στην ιστορία του κυανού του μεθυλενίου στην ιατρική.

Ο πίνακας των μελετών: τι μεταβάλλεται και τι σημαίνει

Ο παρακάτω πίνακας αποτελεί το πρωτότυπο συγκριτικό υλικό αυτού του άρθρου. Κάθε γραμμή παρουσιάζει μία μεταβλητή της θεραπείας που πρέπει να αναφέρουν οι μελέτες. Διαβάστε οριζόντια για να δείτε γιατί η αλλαγή μιας ρύθμισης μεταβάλλει τη σημασία όλων των υπόλοιπων.

Μεταβλητή	Τι αναφέρουν οι μελέτες	Γιατί μεταβάλλει το αποτέλεσμα
Σκεύασμα φωτοευαισθητοποιητή	Ελεύθερη χρωστική σε νερό, φυσιολογικό ορό ή ρυθμιστικό διάλυμα· έκδοχα αιθανόλης και Cremophor σε μελέτες σε ζώα· λιποσώματα, πολυμερικά σωματίδια ή φορείς κυκλοδεξτρίνης σε πειραματικές μελέτες	Το έκδοχο και ο φορέας μεταβάλλουν την πρόσληψη, τον εντοπισμό και τη διείσδυση μέσα από φραγμούς όπως η μήτρα του βιοϋμενίου ή ο ιστός του όγκου
Εφαρμοζόμενη συγκέντρωση	Οι αντιμικροβιακές μελέτες σε ανθρώπους αναφέρουν περίπου 0.0003 έως 0.06 M, με διαστήματα 1 έως 5 λεπτών μεταξύ εφαρμογής της ουσίας και φωτισμού· οι μελέτες όγκων σε ζώα περιλαμβάνουν παραδείγματα κοντά στα 500 μικρογραμμάρια ανά mL ενδοογκικά	Η υψηλότερη συνολική συγκέντρωση μπορεί να αυξήσει τον διμερισμό με απορρόφηση κοντά στα 590 nm και να μειώσει την παραγωγική φωτοχημεία του μονομερούς, οπότε ο διπλασιασμός της συγκέντρωσης δεν συνεπάγεται απαραίτητα διπλασιασμό του αποτελέσματος
Διάστημα μεταξύ εφαρμογής της ουσίας και φωτισμού	Λεπτά σε τοπικές αντιμικροβιακές πειραματικές διατάξεις· μεγαλύτερο και εξαρτώμενο από το έκδοχο σε μοντέλα όγκων	Το διάστημα καθορίζει πού βρίσκεται η χρωστική όταν φτάνει το φως, γεγονός που καθορίζει τον κυρίαρχο βιολογικό στόχο
Μήκος κύματος	Συνήθως περίπου 630 έως 680 nm	Πρέπει να επικαλύπτεται με τη ζώνη απορρόφησης του μονομερούς· τα διαλύματα με υψηλή περιεκτικότητα σε διμερή μετατοπίζουν την ενεργό απορρόφηση
Πυκνότητα ισχύος ακτινοβολίας	Οι αντιμικροβιακές αναφορές σε ανθρώπους καλύπτουν περίπου 50 έως 750 mW ανά τετραγωνικό cm· οι μελέτες τραυμάτων σε ζώα συνήθως χρησιμοποιούν 100 mW ανά τετραγωνικό cm ή λιγότερο	Η υψηλή πυκνότητα ισχύος μπορεί να εξαντλήσει το τοπικό οξυγόνο ταχύτερα από όσο το αναπληρώνει η αιμάτωση, μειώνοντας την αποδοτικότητα για την ίδια ονομαστική ενεργειακή πυκνότητα
Ενεργειακή πυκνότητα	Οι αντιμικροβιακές αναφορές σε ανθρώπους καλύπτουν περίπου 6 έως 18 J ανά τετραγωνικό cm σε διάρκεια 8 δευτερολέπτων έως 10 λεπτών· οι μελέτες τραυμάτων σε ζώα καλύπτουν περίπου 12 έως 360 J ανά τετραγωνικό cm	Η συνολική ενέργεια χωρίς πυκνότητα ισχύος, χρόνο και γεωμετρία αποτελεί ελλιπή περιγραφή της δόσης
Οξυγόνωση	Σπάνια ελέγχεται άμεσα· εκτιμάται από τον τύπο ιστού, τον ρυθμό παροχής ενεργειακής πυκνότητας και την κλασματοποίηση	Η χημεία Τύπου II καταναλώνει οξυγόνο, οπότε πανομοιότυπες ρυθμίσεις φωτισμού μπορούν να δώσουν διαφορετικά αποτελέσματα σε καλά αιματούμενους και σε υποξικούς στόχους
Στόχος και πλαίσιο	Μοντέλα λοιμώξεων δέρματος και τραυμάτων, μοντέλα στοματικών βιοϋμενίων, συστήματα καλλιεργειών καρκινώματος και μελανώματος, όγκοι σε ποντίκια, παλαιότερες αναφορές για δερματικούς όγκους	Η γεωμετρία, το βάθος, οι οπτικές ιδιότητες και η ανεκτή βλάβη στον ξενιστή διαφέρουν τόσο πολύ, ώστε οι αντιμικροβιακές τιμές δεν μεταφέρονται ποτέ ποσοτικά στις μελέτες όγκων

Τα παραπάνω εύρη είναι εύρη που παρατηρήθηκαν σε μελέτες, όχι συνιστώμενο πρωτόκολλο. Αυτή η διάκριση είναι ο σκοπός του πίνακα. Το ίδιο το εύρος των αναφερόμενων δόσεων φωτός αποτελεί ένδειξη ότι δεν υπάρχει δόση φωτός για το κυανό του μεθυλενίου που να μπορεί να μεταφερθεί από ένα πλαίσιο σε άλλο. Σχετικό εργαστηριακό πλαίσιο για τις φωτοενεργοποιούμενες εφαρμογές σε βιοϋμένια παρουσιάζεται στο κυανό του μεθυλενίου κατά των βιοϋμενίων, ενώ ευρύτερες πληροφορίες για το δέρμα και τη φωτοθεραπεία περιλαμβάνονται στις βασικές αρχές της φωτοευαισθησίας του δέρματος και της δόσης φωτός.

Γιατί πανομοιότυπες τιμές ενέργειας μπορούν να δώσουν διαφορετικά βιολογικά αποτελέσματα

Τέσσερις παρανοήσεις επανέρχονται κάθε φορά που παρατίθενται δημοσιευμένες παράμετροι χωρίς το πλαίσιό τους.

Πρώτον, η ενεργειακή πυκνότητα δεν είναι δόση. Δύο εκθέσεις στο ίδιο μήκος κύματος και με τα ίδια J ανά τετραγωνικό cm διαφέρουν αν η μία χορηγείται γρήγορα και η άλλη αργά, επειδή η εξάντληση του οξυγόνου, η επιδιόρθωση κατά την έκθεση και η φωτολεύκανση της χρωστικής εξαρτώνται από τον ρυθμό και τον χρόνο. Η αναφορά της ενέργειας χωρίς πυκνότητα ισχύος και χρόνο έκθεσης αφήνει το πείραμα ανεπαρκώς περιγεγραμμένο.

Δεύτερον, οι οπτικές ιδιότητες του ιστού αλλάζουν την πραγματική επίδραση της ρύθμισης της λυχνίας. Η απορρόφηση, η σκέδαση, η γεωμετρία της επιφάνειας και η οπισθοσκέδαση σημαίνουν ότι η ενεργειακή πυκνότητα μέσα στον ιστό μπορεί να διαφέρει ουσιωδώς από την τιμή που μετράται στο άνοιγμα της λυχνίας, σε ορισμένες περιπτώσεις κατά συντελεστές που πλησιάζουν το δύο, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία της κλινικής δοσιμετρίας. Μια τιμή που αντιγράφεται από μια δημοσίευση περιγράφει τη γεωμετρία εκείνης της δημοσίευσης, όχι κάθε γεωμετρία.

Τρίτον, ο εντοπισμός καθορίζει τον στόχο. Μια κατιονική χρωστική κατανέμεται σε μεμβράνες, μιτοχόνδρια, λυσοσώματα, βακτηριακά περιβλήματα ή στην εξωκυττάρια μήτρα ανάλογα με το σκεύασμα, το φορτίο, τη λιποφιλικότητα, το διάστημα πριν από τον φωτισμό και τον ιστό. Η ανασκόπηση φωτοχημείας του 1993 τεκμηριώνει βλάβες σε νουκλεϊκά οξέα, πρωτεΐνες, λιπίδια, μεμβράνες, οργανίδια, ιούς, βακτήρια, κύτταρα θηλαστικών και συστήματα όγκων. Αυτός ακριβώς είναι ο λόγος για τον οποίο ο ίδιος συνδυασμός χρωστικής και φωτός μπορεί να προκαλεί θάνατο μέσω διαφορετικών οδών σε διαφορετικές πειραματικές διατάξεις.

Τέταρτον, το οξυγόνο είναι αναλώσιμο. Οι υψηλοί ρυθμοί παροχής ενεργειακής πυκνότητας μπορούν να ξεπεράσουν την αναπλήρωση μέσω διάχυσης και αιμάτωσης και να δημιουργήσουν παροδική υποξία κατά τη διάρκεια της έκθεσης. Όταν συμβαίνει αυτό, η προσθήκη περισσότερου φωτός προσφέρει μικρή ή μηδενική πρόσθετη δράση Τύπου II. Η κλασματοποίηση και η χαμηλότερη πυκνότητα ισχύος μελετώνται εν μέρει ως απαντήσεις σε αυτόν τον περιορισμό. Γι’ αυτό, επίσης, τα περιθώρια ασφαλείας και η οξυγόνωση των ιστών ανήκουν στα πρότυπα κλινικής ασφάλειας και επίβλεψης και όχι στο εγχειρίδιο μιας λυχνίας.

Μια διαδικασία υπό την καθοδήγηση κλινικού επαγγελματία, όχι μια συνταγή για το σπίτι

Η θεραπεία που μελετάται εφαρμόζεται σε περιβάλλον όπου συνυπάρχουν διάγνωση, δοσιμετρία και επίβλεψη. Κάποιος πρέπει να επιβεβαιώσει τι είναι η βλάβη και σε ποιο βάθος εκτείνεται, να επιλέξει σκεύασμα και διάστημα μεταξύ εφαρμογής της ουσίας και φωτισμού κατάλληλα για τον συγκεκριμένο στόχο, να βαθμονομήσει την πηγή σε καθορισμένο πεδίο με καθορισμένη γεωμετρία και να παρακολουθεί το δέρμα, τα μάτια, τον πόνο και την τοπική απόκριση του ιστού. Η ανασκόπηση για την ανάπτυξη φωτοευαισθητοποιητών φαινοθειαζινίου, στην οποία βασίζεται η συζήτηση, παρουσιάζει ολόκληρο το πεδίο ως βελτιστοποίηση της σχέσης δομής και δράσης υπό ελεγχόμενες συνθήκες, όχι ως συνδυασμό χρωστικής με οποιοδήποτε ερυθρό φως.

Η οικιακή απομίμηση αποτυγχάνει ταυτόχρονα σε κάθε ελεγχόμενη μεταβλητή. Οι λυχνίες καταναλωτικής χρήσης σπάνια αναφέρουν βαθμονομημένη φασματική πυκνότητα ισχύος στην απόσταση εφαρμογής. Η εφαρμοζόμενη συγκέντρωση της χρωστικής δεν λέει τίποτε για το κλάσμα του μονομερούς ή τον ενδοκυτταρικό εντοπισμό. Η οξυγόνωση του ιστού είναι άγνωστη και μεταβάλλεται κατά την έκθεση. Κανένα από τα αναφερόμενα εύρη δεν δικαιολογεί ένα οικιακό πρωτόκολλο, και το άρθρο αυτό σκόπιμα δεν παρέχει εφαρμόσιμη συνταγή. Όσοι αξιολογούν τη γενική ποιότητα των στοιχείων θα πρέπει να συμβουλεύονται το πώς να διαβάζετε μια μελέτη για το κυανό του μεθυλενίου πριν καταλήξουν σε συμπεράσματα από οποιαδήποτε μεμονωμένη δημοσίευση. Όσοι ενδιαφέρονται για προσεγγίσεις που χρησιμοποιούν μόνο φως, χωρίς φωτοευαισθητοποιητή, θα πρέπει να ξεκινήσουν από τη θεραπεία με ερυθρό φως χωρίς φωτοευαισθητοποιητή.

Τι δεν τεκμηριώνει αυτό το άρθρο

Δεν τεκμηριώνει ότι η φωτοδυναμική θεραπεία με κυανό του μεθυλενίου θεραπεύει οποιαδήποτε δερματική πάθηση, εξαλείφει οποιαδήποτε λοίμωξη ή αντιμετωπίζει οποιονδήποτε όγκο. Οι ανασκοπήσεις μηχανισμών που παρατίθενται εδώ εξέτασαν τη φωτοχημεία και συνέκριναν δομές χρωστικών· δεν καθόρισαν καμία κλινική συγκέντρωση ή ενεργειακή πυκνότητα. Τα εύρη παραμέτρων που αναφέρονται παραπάνω προέρχονται από ετερογενείς αναφορές σε ανθρώπους και μοντέλα ζώων με διαφορετικούς στόχους, βάθη, σκευάσματα και καταληκτικά σημεία, και δεν μπορούν να μετατραπούν σε οδηγίες με υπολογισμό μέσων τιμών. Τα στοιχεία που αφορούν ειδικά τους όγκους, συμπεριλαμβανομένων των περιορισμών των πρώιμων κλινικών αναφορών για το βασικοκυτταρικό καρκίνωμα, το σάρκωμα Kaposi και το μελάνωμα, αξιολογούνται ξεχωριστά στη συλλογή για την έρευνα του καρκίνου. Τα ζητήματα καθαρότητας και προμήθειας υλικού εργαστηριακής ποιότητας είναι ανεξάρτητα από τη θεραπεία και εξετάζονται στο πώς να επιλέξετε ένα προϊόν κυανού του μεθυλενίου.