Artikkeli
Metyleenisinen fotodynaaminen hoito: miten hoitoa tutkitaan
Metyleenisinen fotodynaaminen hoito kuulostaa kaksivaiheiselta. Levitetään sinistä väriainetta ja valaistaan punaisella valolla. Tämä mielikuva on väärä, ja siitä johtuu suurin osa tähän hoitoon liittyvistä väärinkäsityksistä. Tutkitussa menetelmässä on kolme osaa, joiden on oltava samassa paikassa samaan aikaan: valoherkistin valoa absorboivassa muodossaan, sopivan aallonpituuden fotonit mitattuna annoksena ja molekylaarinen happi, joka vastaanottaa siirtyvän energian. Jos yksikin osa puuttuu, väitetylle vaikutukselle ei ole mekanismia.
Tässä artikkelissa selitetään, miten tutkijat kuvaavat tätä kolmiosaista järjestelmää, mitä parametreja he hallitsevat ja miksi julkaistua aallonpituutta ja energialukemaa ei voi muuntaa kotona toteutettavaksi menetelmäksi. Syöpään liittyvät tulokset kuuluvat erilliseen katsaukseen metyleenisinen ja syövän tutkimuksesta, ja hammaslääketieteelliset sovellukset on koottu suun ja hampaiden fotodynaamista tutkimusta käsittelevään kokonaisuuteen. Kumpaakaan ei toisteta tässä.
Väriaine on valoherkistin, ei pelkkä värjäysaine
Metyleenisini absorboi punaista valoa voimakkaasti. Monomeerin absorptiohuippu on noin 664–666 nm:n kohdalla, ja sen molaarinen absorptiokerroin on erittäin suuri. Tämän absorptiokaistan vuoksi metyleenisinen fotodynaamisen hoidon tutkimuksissa käytetään punaisia valonlähteitä, yleensä noin 630–680 nm:n alueella. Tämän kaistan ulkopuolella säteilevä lamppu voi näyttää kirkkaalta, vaikka se tuottaa tuskin lainkaan käyttökelpoista viritystä. Valinnan taustalla olevat aallonpituuteen liittyvät periaatteet selitetään artikkelissa miten metyleenisini absorboi punaista valoa.
Absorptio on vasta ensimmäinen vaihe. Viritystilassa oleva väriaine siirtyy pitkäikäisempään triplettitilaan, josta voi edetä kaksi valokemiallista reittiä. Tyypin I kemiassa virittynyt väriaine vaihtaa elektroneja tai vetyatomeja läheisten substraattien kanssa ja tuottaa radikaaleja, joiden jatkoreaktioihin kuuluu superoksidin muodostuminen. Tyypin II kemiassa triplettitilassa oleva väriaine siirtää energiaa suoraan perustilassa olevalle hapelle ja tuottaa singlettihappea. Hapellisissa olosuhteissa metyleenisini toimii pääasiassa singlettihapen muodostusta herkistävänä aineena. Sen kvanttisaannoksi vedessä on raportoitu noin 0.5, kun taas tyypin I reaktioiden osuus kasvaa tai pienenee paikallisen ympäristön mukaan. Vuoden 1993 katsaus metyleenisinen valokemiaan biologisten substraattien kanssa kuvaa molemmat reitit ja osoittaa, miksi niiden keskinäistä osuutta ei voi päätellä väriaineen etiketistä.
Sama katsaus nimeää tärkeimmän nukleiinihappokohteen. Guaniinin hapetuspotentiaali on DNA:n emäksistä pienin, joten singlettihappi hapettaa sitä ensisijaisesti ja muodostaa esimerkiksi 8-oksodeoksiguanosiinia. Tämä vaurio ei edellytä interkalaatiota DNA:han. Katsaus kuitenkin varoittaa myös pitämästä DNA:ta koko selityksenä. Metyleenisini hapettaa proteiineja, lipidejä ja kalvoja, ja kunkin kokeen kuolemaan johtava vauriokohde riippuu siitä, mihin väriaine paikantuu. Ympäröivän liuoksen pitoisuus on siksi heikko mittari kohteessa olevalle annokselle. Lukijoiden, jotka vertaavat tätä valon ohjaamaa kemiaa väriaineen hapetus-pelkistystoimintoihin ilman valoa, on pidettävä nämä erillään, kuten metyleenisinen toimintaa soluissa käsittelevässä artikkelissa selitetään.
Lähtöyhdiste, ei optimoitu lääke
Toinen keskeinen lähde on vuoden 2005 katsaus fenotiatsiniumvaloherkistimien kehittämiseen. Siinä metyleenisiniä käsitellään jatkokehityksen lähtörakenteena, jolla on tunnettuja heikkouksia, eikä valmiiksi kehitettynä valoherkistimenä. Pienet rakenteelliset muutokset vaikuttavat lipofiilisyyteen, soluunottoon, solunsisäiseen paikantumiseen, singlettihapen tuottoon, toksisuuteen ilman valoa ja pelkistymisen vastustuskykyyn. Esimerkiksi kromoforin metylointi lisää lipofiilisyyttä ja singlettihapen muodostumista sekä hidastaa pelkistymistä inaktiiviseen leukomuotoon. Katsauksen taustalla olevassa tutkimuksessa metyloidut analogit olivat fototoksisempia noin 7.2 J:n energiatiheydellä neliösenttimetriä kohti. Suurempi lipofiilisyys ei silti automaattisesti ole parempi ominaisuus, sillä liiallinen hydrofobisuus heikentää liukoisuutta, edistää aggregaatiota ja voi vääristää valokemian edellyttämää geometriaa.
Leukomuotoa on syytä korostaa, koska se on näkymätön. Hapettunut metyleenisini on sinistä ja absorboi punaista valoa. Pelkistynyt leukometyleenisini on lähes väritöntä ja absorboi heikosti samalla aallonpituuskaistalla. Siksi solujen sisällä tai heikosti hapettuneessa kudoksessa pelkistynyt väriaine poistuu tilapäisesti valoaktiivisesta joukosta, kunnes se hapettuu uudelleen. Kudoksen hapetus-pelkistystila muuttaa siis valoherkistimen tehollista pitoisuutta, vaikka käytetty pitoisuus pysyy samana. Valmistemuotojen historiaa, mukaan lukien tämän väriaineryhmän varhaiset kliiniset ja laboratoriokäytöt, käsitellään artikkelissa metyleenisinen historia lääketieteessä.
Tutkimustaulukko: mikä vaihtelee ja mitä se merkitsee
Alla oleva taulukko on tätä artikkelia varten laadittu vertailu. Kukin rivi kuvaa yhtä hoitomuuttujaa, joka tutkimuksissa on raportoitava. Lue rivi kokonaisuudessaan nähdäksesi, miksi yhden asetuksen muuttaminen muuttaa kaikkien muiden merkitystä.
| Muuttuja | Mitä tutkimuksissa raportoidaan | Miksi se muuttaa tulosta |
|---|---|---|
| Valoherkistimen valmistemuoto | Vapaa väriaine vedessä, suolaliuoksessa tai puskuriliuoksessa; etanoli ja Cremophor väliaineina eläinkokeissa; liposomit, polymeerihiukkaset tai syklodekstriinikantajat kokeellisissa tutkimuksissa | Väliaine ja kantaja muuttavat soluunottoa, paikantumista ja tunkeutumista esteiden, kuten biofilmimatriisin tai kasvainkudoksen, läpi |
| Käytetty pitoisuus | Ihmisillä tehdyissä antimikrobisissa tutkimuksissa raportoidaan noin 0.0003–0.06 M:n pitoisuuksia ja 1–5 minuutin aikavälejä aineen annostelun ja valaistuksen välillä; eläinten kasvainkokeissa on esimerkkejä noin 500 mikrogramman pitoisuuksista mL:aa kohti kasvaimen sisään annosteltuna | Suurempi kokonaispitoisuus voi lisätä dimerisaatiota noin 590 nm:n kohdalla ja vähentää tuottavaa monomeerin valokemiaa, joten pitoisuuden kaksinkertaistaminen ei välttämättä kaksinkertaista vaikutusta |
| Aineen annostelun ja valaistuksen välinen aika | Minuutteja paikallisissa antimikrobisissa koeasetelmissa; kasvainmalleissa pidempi ja väliaineesta riippuva | Aikaväli ratkaisee, missä väriaine on valon saapuessa, mikä puolestaan ratkaisee pääasiallisen biologisen kohteen |
| Aallonpituus | Yleensä noin 630–680 nm | Sen on osuttava monomeerin absorptiokaistalle; runsaasti dimeerejä sisältävissä liuoksissa tehollinen absorptio siirtyy |
| Säteilytehotiheys | Ihmisillä tehtyjen antimikrobisten tutkimusten raportit kattavat noin 50–750 mW neliösenttimetriä kohti; eläinten haavatutkimuksissa yleensä enintään 100 mW neliösenttimetriä kohti | Suuri säteilytehotiheys voi kuluttaa paikallisen hapen nopeammin kuin verenkierto korvaa sen, mikä heikentää tehokkuutta samalla nimellisellä energiatiheydellä |
| Energiatiheys | Ihmisillä tehtyjen antimikrobisten tutkimusten raportit kattavat noin 6–18 J neliösenttimetriä kohti 8 sekunnin–10 minuutin aikana; eläinten haavatutkimuksissa vaihteluväli on noin 12–360 J neliösenttimetriä kohti | Kokonaisenergia ilman säteilytehotiheyttä, aikaa ja geometriaa on puutteellinen annoksen kuvaus |
| Hapetusolosuhteet | Harvoin suoraan hallittuja; päätellään kudostyypin, energiatiheyden kertymisnopeuden ja jaksotuksen perusteella | Tyypin II kemia kuluttaa happea, joten samat valoasetukset voivat tuottaa eri vaikutuksia hyvin verenkierron huoltamissa ja vähähappisissa kohteissa |
| Kohde ja koeasetelma | Ihon ja haavojen infektiomallit, suun biofilmimallit, viljellyt karsinooma- ja melanoomajärjestelmät, hiirten kasvaimet, historialliset ihokasvainraportit | Geometria, syvyys, optiset ominaisuudet ja siedettävä isäntäkudoksen vaurio eroavat niin paljon, etteivät antimikrobisten tutkimusten lukuarvot koskaan siirry määrällisesti kasvainkokeisiin |
Yllä olevat vaihteluvälit ovat tutkimuksissa havaittuja vaihteluvälejä, eivät suositeltu hoitokäytäntö. Juuri tämä ero on taulukon tarkoitus. Raportoitujen valoannosten laaja vaihtelu on itsessään näyttöä siitä, ettei yleispätevää metyleenisinen valoannosta ole. Valolla aktivoituja biofilmitutkimuksia koskevaa laboratorioympäristön taustaa on artikkelissa metyleenisini biofilmejä vastaan, ja laajempaa ihoon ja valohoitoon liittyvää taustaa käsitellään ihon valoherkkyyttä ja valoannoksen perusteita koskevassa kokonaisuudessa.
Miksi samat energialukemat voivat tuottaa erilaisia biologisia vaikutuksia
Neljä väärinkäsitystä toistuu aina, kun julkaistuja parametreja lainataan ilman niiden asiayhteyttä.
Ensinnäkään energiatiheys ei ole sama asia kuin annos. Kaksi valotusta samalla aallonpituudella ja samalla J-määrällä neliösenttimetriä kohti eroavat toisistaan, jos toinen annetaan nopeasti ja toinen hitaasti. Hapen ehtyminen, vaurioiden korjaantuminen valotuksen aikana ja väriaineen valohajoaminen riippuvat kaikki nopeudesta ja ajasta. Energian ilmoittaminen ilman säteilytehotiheyttä ja valotusaikaa jättää kokeen kuvauksen puutteelliseksi.
Toiseksi kudoksen optiset ominaisuudet muuttavat lampun asetuksen merkitystä. Absorptio, sironta, pinnan geometria ja takaisinsironta tarkoittavat, että kudoksen sisäinen energiatiheys voi poiketa olennaisesti lampun aukolta mitatusta arvosta. Kliinisen dosimetrian kirjallisuuden mukaan ero voi joissakin olosuhteissa olla lähes kaksinkertainen. Julkaisusta kopioitu luku kuvaa kyseisen julkaisun geometriaa, ei kaikkia geometrioita.
Kolmanneksi paikantuminen ratkaisee kohteen. Kationinen väriaine jakautuu kalvoihin, mitokondrioihin, lysosomeihin, bakteerien soluvaippoihin tai solunulkoiseen matriksiin valmistemuodon, varauksen, lipofiilisyyden, aikavälin ja kudoksen mukaan. Vuoden 1993 valokemian katsaus dokumentoi vaurioita nukleiinihapoissa, proteiineissa, lipideissä, kalvoissa, soluelimissä, viruksissa, bakteereissa, nisäkässoluissa ja kasvainjärjestelmissä. Juuri siksi sama väriaineen ja valon yhdistelmä voi aiheuttaa kuolemaan johtavia vaurioita eri reittejä pitkin eri koeasetelmissa.
Neljänneksi happi on kuluva resurssi. Suuri energiatiheyden kertymisnopeus voi ylittää hapen täydentymisen diffuusion ja verenkierron kautta ja aiheuttaa ohimenevän hapenpuutteen kesken valotuksen. Tällöin valon lisääminen tuottaa vain vähän tai ei lainkaan lisää tyypin II vaikutusta. Jaksotusta ja pienempää säteilytehotiheyttä tutkitaan osittain ratkaisuina tähän rajoitteeseen. Siksi myös turvamarginaalit ja kudoksen hapetus kuuluvat kliinisiin turvallisuus- ja valvontavaatimuksiin eivätkä lampun käyttöohjeeseen.
Kliinikon johtama toimenpide, ei kotiohje
Tutkittu hoito toteutetaan ympäristössä, jossa diagnoosi, dosimetria ja valvonta ovat kaikki käytettävissä. Jonkun on varmistettava, mikä muutos on kyseessä ja miten syvälle se ulottuu, valittava kohteeseen sopiva valmistemuoto ja aineen annostelun ja valaistuksen välinen aika, kalibroitava valonlähde määritetylle alueelle ja geometrialle sekä seurattava ihoa, silmiä, kipua ja paikallista kudosvastetta. Taustalla oleva katsaus fenotiatsiniumyhdisteiden kehittämiseen kuvaa koko alan rakenteen ja aktiivisuuden välisen suhteen optimointina hallituissa olosuhteissa, ei väriaineen ja minkä tahansa punaisen valon yhdistelmänä.
Kotona jäljiteltäessä kaikki hallittavat muuttujat jäävät samanaikaisesti hallitsematta. Kuluttajalamppujen tiedoissa ilmoitetaan harvoin kalibroitu spektrinen säteilytehotiheys hoitoetäisyydellä. Käytetyn väriaineen pitoisuus ei kerro mitään monomeerien osuudesta tai solunsisäisestä paikantumisesta. Kudoksen hapetus on tuntematon ja muuttuu valotuksen aikana. Mikään mainituista vaihteluväleistä ei oikeuta kotona toteutettavaa hoitokäytäntöä, eikä tämä artikkeli tarkoituksellisesti anna käyttökelpoista toteutusohjetta. Näytön yleistä laatua arvioivien lukijoiden kannattaa käyttää opasta miten metyleenisinitutkimusta luetaan ennen johtopäätösten tekemistä yksittäisestä julkaisusta. Pelkkään valoon ilman valoherkistintä perustuvista menetelmistä kiinnostuneiden kannattaa aloittaa artikkelista punavalohoito ilman valoherkistintä.
Mitä tämä artikkeli ei osoita
Artikkeli ei osoita, että metyleenisinen fotodynaaminen hoito parantaisi mitään ihosairautta, poistaisi mitään infektiota tai hoitaisi mitään kasvainta. Tässä lainatut mekanismeja käsittelevät katsaukset mittasivat valokemiaa ja vertailivat väriaineiden rakenteita; ne eivät määrittäneet kliinistä pitoisuutta tai energiatiheyttä. Edellä lainatut parametrien vaihteluvälit ovat peräisin keskenään erilaisista ihmisillä tehdyistä tutkimusraporteista ja eläinmalleista, joissa kohteet, syvyydet, valmistemuodot ja päätetapahtumat eroavat toisistaan. Niistä ei voi laskea keskiarvoa ohjeeksi. Kasvainkohtainen näyttö, mukaan lukien tyvisolusyöpää, Kaposin sarkoomaa ja melanoomaa koskevien varhaisten kliinisten raporttien rajoitukset, arvioidaan erikseen syöpätutkimusta käsittelevässä kokonaisuudessa. Laboratoriolaatuisen materiaalin puhtautta ja hankintaa koskevat kysymykset ovat hoidosta erillisiä, ja niitä käsitellään artikkelissa miten metyleenisinituote valitaan.