Artikel
Fotodynamische therapie met methyleenblauw: hoe de behandeling wordt onderzocht
Fotodynamische therapie met methyleenblauw klinkt als twee stappen. Breng blauwe kleurstof aan en schijn er rood licht op. Dat denkmodel klopt niet en veroorzaakt de meeste verwarring over deze behandeling. De onderzochte procedure bestaat uit drie onderdelen die op dezelfde plaats en hetzelfde moment aanwezig moeten zijn: een fotosensibilisator in zijn lichtabsorberende vorm, fotonen met een geschikte golflengte en een gemeten dosis, en moleculaire zuurstof die de overgedragen energie kan opnemen. Als één onderdeel ontbreekt, is er geen mechanisme voor het geclaimde effect.
Dit artikel legt uit hoe onderzoekers dat driedelige systeem beschrijven, welke parameters ze beheersen en waarom een gepubliceerde golflengte en energiewaarde niet kunnen worden omgezet in een procedure voor thuisgebruik. Uitkomsten bij kanker horen thuis in een afzonderlijk overzicht van onderzoek naar methyleenblauw en kanker, en tandheelkundige toepassingen zijn verzameld in het overzicht van fotodynamisch onderzoek voor mond en gebit. Geen van beide wordt hier herhaald.
De kleurstof is een fotosensibilisator, geen kleurmiddel
Methyleenblauw absorbeert rood licht sterk, met een monomeerpiek rond 664 tot 666 nm en een zeer hoge molaire absorptiviteit. Die absorptieband verklaart waarom onderzoeken naar fotodynamische therapie met methyleenblauw rode lichtbronnen gebruiken, doorgaans in het bereik van ongeveer 630 tot 680 nm. Een lamp buiten die band kan er helder uitzien terwijl hij vrijwel geen bruikbare excitatie levert. De regels voor de golflengte achter die keuze worden uitgelegd in hoe methyleenblauw rood licht absorbeert.
Absorptie is slechts de eerste stap. De aangeslagen kleurstof gaat over naar een langer bestaande triplettoestand, van waaruit twee fotochemische routes mogelijk zijn. Bij Type I-chemie wisselt de aangeslagen kleurstof elektronen of waterstofatomen uit met nabijgelegen substraten en ontstaan radicalen, met onder meer daaropvolgende reacties waarbij superoxide betrokken is. Bij Type II-chemie draagt de kleurstof in de triplettoestand energie rechtstreeks over aan zuurstof in de grondtoestand, waardoor singletzuurstof ontstaat. Onder zuurstofrijke omstandigheden werkt methyleenblauw voornamelijk als singletzuurstofsensibilisator, met een gerapporteerde kwantumopbrengst van ongeveer 0.5 in water, terwijl de bijdrage van Type I toeneemt of afneemt afhankelijk van de lokale omgeving. Het overzicht uit 1993 van de fotochemie van methyleenblauw met biologische substraten brengt beide routes in kaart en laat zien waarom hun onderlinge verhouding niet van het kleurstofetiket af te lezen is.
Hetzelfde overzicht benoemt het belangrijkste doelwit onder de nucleïnezuren. Guanine heeft de laagste oxidatiepotentiaal van de DNA-basen, waardoor singletzuurstof bij voorkeur guanine oxideert en producten zoals 8-oxo-deoxyguanosine vormt. Intercalatie in DNA is niet nodig voor die schade. Het overzicht waarschuwt er echter ook voor om DNA als het volledige verhaal te beschouwen. Methyleenblauw oxideert eiwitten, lipiden en membranen, en het dodelijke doelwit in een bepaald experiment hangt af van waar de kleurstof zich bevindt. De concentratie in de omringende oplossing is daarom een zwakke maat voor de dosis bij het doelwit. Lezers die deze door licht aangedreven chemie vergelijken met de redoxfuncties van de kleurstof in het donker, moeten die twee gescheiden houden, zoals uiteengezet in de uitleg over hoe methyleenblauw in cellen werkt.
Een uitgangsverbinding, geen geoptimaliseerd geneesmiddel
De tweede centrale bron is het overzicht uit 2005 van de ontwikkeling van fenothiazinium-fotosensibilisatoren, waarin methyleenblauw wordt behandeld als een uitgangsstructuur met bekende zwakke punten, niet als een volledig ontwikkelde fotosensibilisator. Kleine structurele veranderingen beïnvloeden de lipofiliteit, cellulaire opname, intracellulaire lokalisatie, productie van singletzuurstof, toxiciteit in het donker en weerstand tegen reductie. Methylering van de chromofoor verhoogt bijvoorbeeld de lipofiliteit en de productie van singletzuurstof en vertraagt de reductie tot de inactieve leucovorm. Gemethyleerde analogen vertoonden in het onderliggende onderzoek een hogere fototoxiciteit bij ongeveer 7.2 J per vierkante cm. Meer lipofiliteit is echter niet automatisch beter, omdat overmatige hydrofobiciteit de oplosbaarheid vermindert, aggregatie bevordert en de geometrie kan verstoren die de fotochemie nodig heeft.
De leucovorm verdient nadruk omdat die onzichtbaar is. Geoxideerd methyleenblauw is blauw en absorbeert rood licht. Gereduceerd leucomethyleenblauw is vrijwel kleurloos en absorbeert slecht in dezelfde band. Kleurstof die in cellen of in zuurstofarm weefsel is gereduceerd, behoort daardoor tijdelijk niet meer tot de fotoactieve fractie, totdat heroxidatie optreedt. De redoxtoestand van het weefsel verandert dus de effectieve concentratie van de fotosensibilisator, zelfs als de aangebrachte concentratie vaststaat. De geschiedenis van formuleringen, waaronder vroege klinische en laboratoriumtoepassingen van deze kleurstoffamilie, wordt behandeld in de geschiedenis van methyleenblauw in de geneeskunde.
De onderzoekstabel: wat varieert en wat dat betekent
De onderstaande tabel is het oorspronkelijke vergelijkingsoverzicht voor dit artikel. Elke rij beschrijft één behandelvariabele die onderzoeken moeten rapporteren. Lees de rijen van links naar rechts om te zien waarom een verandering in één instelling de betekenis van alle andere verandert.
| Variabele | Wat onderzoeken rapporteren | Waarom dit de uitkomst verandert |
|---|---|---|
| Formulering van de fotosensibilisator | Vrije kleurstof in water, zoutoplossing of buffer; ethanol en Cremophor als vehikels in dieronderzoek; liposomen, polymeerdeeltjes of cyclodextrinedragers in experimenteel onderzoek | Vehikel en drager veranderen de opname, lokalisatie en penetratie door barrières zoals de biofilmmatrix of tumorweefsel |
| Aangebrachte concentratie | Antimicrobiële onderzoeken bij mensen rapporteren ongeveer 0.0003 tot 0.06 M met geneesmiddel-lichtintervallen van 1 tot 5 minuten; dieronderzoek naar tumoren omvat voorbeelden rond 500 microgram per mL intratumoraal | Een hogere concentratie in de oplossing kan de dimerisatie rond 590 nm verhogen en de productieve fotochemie van monomeren verminderen, zodat een verdubbeling van de concentratie het effect niet hoeft te verdubbelen |
| Geneesmiddel-lichtinterval | Minuten bij lokale antimicrobiële opstellingen; langer en afhankelijk van het vehikel in tumormodellen | Het interval bepaalt waar de kleurstof zich bevindt wanneer het licht aankomt, en daarmee het dominante biologische doelwit |
| Golflengte | Meestal ongeveer 630 tot 680 nm | Moet overlappen met de absorptieband van de monomeer; oplossingen met veel dimeren verschuiven de effectieve absorptie |
| Irradiantie | Antimicrobiële rapporten bij mensen bestrijken ongeveer 50 tot 750 mW per vierkante cm; wondonderzoeken bij dieren gebruiken doorgaans 100 mW per vierkante cm of minder | Een hoge irradiantie kan lokale zuurstof sneller verbruiken dan perfusie die aanvult, waardoor de efficiëntie bij dezelfde nominale fluentie daalt |
| Fluentie | Antimicrobiële rapporten bij mensen bestrijken ongeveer 6 tot 18 J per vierkante cm gedurende 8 seconden tot 10 minuten; wondonderzoeken bij dieren bestrijken ongeveer 12 tot 360 J per vierkante cm | Totale energie zonder irradiantie, tijd en geometrie is een onvolledige dosis |
| Oxygenatie | Zelden rechtstreeks beheerst; afgeleid uit weefseltype, fluentiesnelheid en fractionering | Type II-chemie verbruikt zuurstof, waardoor identieke lichtinstellingen verschillende effecten kunnen geven in goed doorbloede versus hypoxische doelwitten |
| Doelwit en onderzoekscontext | Modellen voor huid- en wondinfecties, orale biofilmmodellen, systemen met gekweekte carcinoom- en melanoomcellen, tumoren bij muizen, historische rapporten over huidtumoren | Geometrie, diepte, optische eigenschappen en de toelaatbare schade aan de gastheer verschillen zo sterk dat antimicrobiële waarden nooit kwantitatief overdraagbaar zijn naar tumoronderzoek |
De bovenstaande bereiken zijn waargenomen onderzoeksbereiken, geen aanbevolen protocol. Dat onderscheid is de kern van de tabel. De grote spreiding in de gerapporteerde lichtdoses is op zichzelf al bewijs dat er geen overdraagbare lichtdosis voor methyleenblauw bestaat. Gerelateerde laboratoriumcontext over door licht geactiveerd biofilmonderzoek staat in methyleenblauw tegen biofilms. Bredere achtergrondinformatie over huid- en lichttherapie is te vinden in de basisinformatie over lichtgevoeligheid van de huid en lichtdosis.
Waarom identieke energiewaarden verschillende biologische effecten kunnen geven
Vier misverstanden keren steeds terug wanneer gepubliceerde parameters zonder hun context worden aangehaald.
Ten eerste is fluentie niet hetzelfde als dosis. Twee belichtingen met dezelfde golflengte en dezelfde J per vierkante cm verschillen als de ene snel en de andere langzaam wordt toegediend, omdat zuurstofuitputting, herstel tijdens de belichting en fotobleking van de kleurstof allemaal afhangen van snelheid en tijd. Als alleen de energie wordt gerapporteerd, zonder irradiantie en belichtingsduur, is het experiment onvoldoende beschreven.
Ten tweede veranderen de optische eigenschappen van het weefsel de betekenis van de lampinstelling. Door absorptie, verstrooiing, oppervlaktegeometrie en terugverstrooiing kan de fluentie in het weefsel aanzienlijk verschillen van de waarde die bij de lampopening wordt gemeten. Volgens de klinische dosimetrische literatuur kan dit verschil onder bepaalde omstandigheden een factor van bijna twee bedragen. Een getal dat uit een publicatie wordt overgenomen, beschrijft de geometrie van die publicatie, niet elke geometrie.
Ten derde bepaalt de lokalisatie het doelwit. Een kationische kleurstof verdeelt zich over membranen, mitochondriën, lysosomen, bacteriële omhulsels of de extracellulaire matrix, afhankelijk van formulering, lading, lipofiliteit, interval en weefsel. Het fotochemische overzicht uit 1993 documenteert schade aan nucleïnezuren, eiwitten, lipiden, membranen, organellen, virussen, bacteriën, zoogdiercellen en tumorsystemen. Dat is precies waarom dezelfde combinatie van kleurstof en licht in verschillende opstellingen via verschillende routes dodelijk kan werken.
Ten vierde is zuurstof een verbruiksstof. Hoge fluentiesnelheden kunnen de aanvulling door diffusie en perfusie overtreffen en tijdens de belichting tijdelijke hypoxie veroorzaken. Als dat gebeurt, levert meer licht weinig of geen extra Type II-effect op. Fractionering en lagere irradiantie worden deels onderzocht als oplossingen voor deze beperking. Daarom horen veiligheidsmarges en weefseloxygenatie thuis in normen voor klinische veiligheid en toezicht, niet in een lamphandleiding.
Een procedure onder leiding van een arts, geen recept voor thuis
De onderzochte behandeling wordt uitgevoerd in een omgeving waar diagnostiek, dosimetrie en toezicht samenkomen. Iemand moet vaststellen wat de laesie is en hoe diep die reikt, een formulering en geneesmiddel-lichtinterval kiezen die bij dat doelwit passen, de bron kalibreren over een afgebakend veld met een vastgelegde geometrie, en huid, ogen, pijn en de lokale weefselreactie bewaken. Het onderliggende overzicht van de ontwikkeling van fenothiaziniumverbindingen beschrijft het hele vakgebied als optimalisatie van de structuur-activiteitsrelatie onder gecontroleerde omstandigheden, niet als kleurstof plus willekeurig rood licht.
Bij nabootsing thuis gaat het bij alle gecontroleerde variabelen tegelijk mis. Consumentenlampen vermelden zelden de gekalibreerde spectrale irradiantie op de behandelafstand. De aangebrachte kleurstofconcentratie zegt niets over de monomeerfractie of de intracellulaire lokalisatie. De weefseloxygenatie is onbekend en verandert tijdens de belichting. Geen van de aangehaalde bereiken rechtvaardigt een thuisprotocol, en dit artikel geeft bewust geen bruikbaar recept. Lezers die de algemene kwaliteit van het bewijs afwegen, zouden hoe je een onderzoek naar methyleenblauw leest moeten raadplegen voordat ze conclusies trekken uit één publicatie. Lezers die nieuwsgierig zijn naar benaderingen met alleen licht, zonder fotosensibilisator, kunnen beginnen met roodlichttherapie zonder fotosensibilisator.
Wat dit artikel niet aantoont
Dit artikel toont niet aan dat fotodynamische therapie met methyleenblauw een huidaandoening geneest, een infectie verhelpt of een tumor behandelt. De hier aangehaalde mechanistische overzichtsartikelen onderzochten fotochemie en vergeleken kleurstofstructuren; ze schreven geen klinische concentratie of fluentie voor. De hierboven genoemde parameterbereiken komen uit uiteenlopende rapporten over mensen en diermodellen met verschillende doelwitten, diepten, formuleringen en eindpunten. Ze kunnen niet worden gemiddeld tot een richtlijn. Tumorspecifiek bewijs, waaronder de beperkingen van vroege klinische rapporten over basaalcelcarcinoom, kaposisarcoom en melanoom, wordt afzonderlijk beoordeeld in de verzameling over kankeronderzoek. Vragen over zuiverheid en herkomst van materiaal van laboratoriumkwaliteit staan los van behandeling en worden behandeld in hoe je een methyleenblauwproduct kiest.