Terapia fotodynamiczna błękitem metylenowym: jak bada się leczenie

Terapia fotodynamiczna błękitem metylenowym brzmi jak procedura dwuetapowa. Nałożyć niebieski barwnik, skierować na niego czerwone światło. Taki obraz jest błędny i stanowi źródło większości nieporozumień dotyczących tego leczenia. Badana procedura obejmuje trzy elementy, które muszą występować w tym samym miejscu i czasie: fotouczulacz w postaci pochłaniającej światło, fotony o odpowiedniej długości fali dostarczone w zmierzonej dawce oraz tlen cząsteczkowy przyjmujący przekazywaną energię. Po usunięciu któregokolwiek z tych elementów deklarowany efekt nie ma mechanizmu, który mógłby go wywołać.

Ten artykuł wyjaśnia, jak badacze opisują ten trójelementowy układ, jakie parametry kontrolują i dlaczego opublikowanych wartości długości fali i energii nie można przekształcić w procedurę domową. Wyniki dotyczące nowotworów omówiono w osobnym przeglądzie badań nad błękitem metylenowym i nowotworami, a zastosowania stomatologiczne zebrano w materiałach o badaniach fotodynamicznych w obrębie jamy ustnej i zębów. Żaden z tych tematów nie jest tutaj powielany.

Barwnik jest fotouczulaczem, a nie środkiem do barwienia

Błękit metylenowy silnie pochłania czerwone światło, przy czym maksimum absorpcji monomeru przypada w pobliżu 664 do 666 nm, a molowy współczynnik absorpcji jest bardzo wysoki. To pasmo absorpcji jest powodem, dla którego w badaniach nad terapią fotodynamiczną błękitem metylenowym stosuje się źródła czerwonego światła, zwykle w zakresie około 630 do 680 nm. Lampa emitująca poza tym pasmem może wydawać się jasna, a jednocześnie dostarczać niemal żadnego światła zdolnego do użytecznego wzbudzenia. Zasady dotyczące długości fali, które stoją za tym wyborem, wyjaśniono w artykule jak błękit metylenowy pochłania czerwone światło.

Absorpcja jest dopiero pierwszym krokiem. Wzbudzony barwnik przechodzi do dłużej żyjącego stanu trypletowego, z którego dostępne są dwie ścieżki fotochemiczne. W reakcjach typu I wzbudzony barwnik wymienia elektrony lub atomy wodoru z pobliskimi substratami i wytwarza rodniki, a dalsze reakcje obejmują między innymi powstawanie anionorodnika ponadtlenkowego. W reakcjach typu II barwnik w stanie trypletowym przekazuje energię bezpośrednio tlenowi w stanie podstawowym i wytwarza tlen singletowy. W warunkach obecności tlenu błękit metylenowy działa przede wszystkim jako fotosensybilizator wytwarzania tlenu singletowego, z opisywaną wydajnością kwantową w wodzie wynoszącą około 0.5, natomiast udział reakcji typu I zwiększa się lub zmniejsza zależnie od lokalnego środowiska. Przegląd z 1993 roku dotyczący fotochemii błękitu metylenowego z substratami biologicznymi opisuje obie ścieżki i pokazuje, dlaczego ich proporcji nie można odczytać z etykiety barwnika.

Ten sam przegląd wskazuje główny cel wśród składników kwasów nukleinowych. Guanina ma najniższy potencjał utleniania spośród zasad DNA, dlatego tlen singletowy utlenia ją preferencyjnie, tworząc produkty takie jak 8-okso-deoksyguanozyna. Do powstania tych uszkodzeń nie jest konieczna interkalacja do DNA. Przegląd przestrzega jednak również przed uznawaniem DNA za jedyny istotny cel. Błękit metylenowy utlenia białka, lipidy i błony, a cel, którego uszkodzenie prowadzi do śmierci komórki w danym eksperymencie, zależy od lokalizacji barwnika. Stężenie w roztworze otaczającym badany materiał jest więc słabym przybliżeniem dawki w miejscu docelowym. Czytelnicy porównujący tę chemię napędzaną światłem z rolą barwnika w reakcjach redoks bez udziału światła powinni rozpatrywać je oddzielnie, zgodnie z omówieniem tego, jak błękit metylenowy działa w komórkach.

Związek wiodący, a nie zoptymalizowany lek

Drugim kluczowym źródłem jest przegląd z 2005 roku dotyczący rozwoju fotouczulaczy fenotiazyniowych, który przedstawia błękit metylenowy jako strukturę wiodącą o znanych słabościach, a nie gotowy fotouczulacz. Niewielkie zmiany strukturalne wpływają na lipofilowość, wychwyt komórkowy, lokalizację wewnątrzkomórkową, ilość wytwarzanego tlenu singletowego, toksyczność bez udziału światła i odporność na redukcję. Na przykład metylacja chromoforu zwiększa lipofilowość i wytwarzanie tlenu singletowego oraz spowalnia redukcję do nieaktywnej postaci leuko, a w badaniach omawianych w przeglądzie metylowane analogi wykazywały wyższą fototoksyczność przy około 7.2 J na cm kwadratowy. Większa lipofilowość nadal nie oznacza automatycznie lepszych właściwości, ponieważ nadmierna hydrofobowość pogarsza rozpuszczalność, sprzyja agregacji i może zaburzać geometrię potrzebną do reakcji fotochemicznych.

Kwestia postaci leuko zasługuje na podkreślenie, ponieważ jest niewidoczna. Utleniony błękit metylenowy jest niebieski i pochłania czerwone światło. Zredukowany leukobłękit metylenowy jest niemal bezbarwny i słabo pochłania światło w tym samym paśmie, dlatego barwnik zredukowany wewnątrz komórek lub w słabo natlenionej tkance zostaje tymczasowo wyłączony z puli fotoaktywnej aż do ponownego utlenienia. Stan redoks tkanki zmienia więc efektywne stężenie fotouczulacza nawet wtedy, gdy stężenie podawanego preparatu pozostaje stałe. Historię formulacji, w tym wczesne zastosowania kliniczne i laboratoryjne tej rodziny barwników, opisano w historii błękitu metylenowego w medycynie.

Tabela badań: co się zmienia i co to oznacza

Poniższa tabela jest autorskim zestawieniem porównawczym przygotowanym do tego artykułu. Każdy wiersz przedstawia jedną zmienną leczenia, którą należy raportować w badaniach. Czytając kolejne kolumny, można zobaczyć, dlaczego zmiana jednego ustawienia zmienia znaczenie wszystkich pozostałych.

Powyższe zakresy to wartości obserwowane w badaniach, a nie zalecany protokół. Właśnie to rozróżnienie jest istotą tabeli. Rozpiętość raportowanych dawek światła sama w sobie świadczy o tym, że nie istnieje uniwersalna dawka światła dla błękitu metylenowego, którą można przenosić między różnymi warunkami. Powiązany kontekst laboratoryjny badań biofilmów z aktywacją światłem przedstawiono w artykule błękit metylenowy przeciw biofilmom, a szersze informacje o skórze i terapii światłem znajdują się w materiałach dotyczących światłowrażliwości skóry i podstaw dawkowania światła.

Dlaczego identyczne wartości energii mogą dawać różne efekty biologiczne

Gdy opublikowane parametry przytacza się bez kontekstu, powracają cztery nieporozumienia.

Po pierwsze, fluencja nie jest dawką. Dwie ekspozycje przy tej samej długości fali i tej samej wartości J na cm kwadratowy różnią się, jeśli jedna przebiega szybko, a druga wolno, ponieważ wyczerpywanie tlenu, naprawa uszkodzeń podczas ekspozycji i fotowybielanie barwnika zależą od szybkości i czasu. Podanie energii bez natężenia napromienienia i czasu ekspozycji pozostawia opis eksperymentu niepełny.

Po drugie, właściwości optyczne tkanki zmieniają znaczenie ustawień lampy. Absorpcja, rozpraszanie, geometria powierzchni i rozpraszanie wsteczne sprawiają, że fluencja wewnątrz tkanki może istotnie różnić się od wartości zmierzonej przy otworze wyjściowym lampy — według literatury dotyczącej dozymetrii klinicznej w niektórych warunkach niemal dwukrotnie. Liczba przepisana z publikacji opisuje geometrię zastosowaną w tej publikacji, a nie każdą możliwą geometrię.

Po trzecie, lokalizacja decyduje o celu. Barwnik kationowy rozmieszcza się w błonach, mitochondriach, lizosomach, osłonach komórek bakteryjnych lub macierzy zewnątrzkomórkowej zależnie od formulacji, ładunku, lipofilowości, odstępu przed naświetlaniem i rodzaju tkanki. Przegląd fotochemii z 1993 roku dokumentuje uszkodzenia kwasów nukleinowych, białek, lipidów, błon, organelli, wirusów, bakterii, komórek ssaków i układów nowotworowych. Właśnie dlatego to samo połączenie barwnika i światła może prowadzić do śmierci komórek różnymi drogami w różnych układach doświadczalnych.

Po czwarte, tlen jest zużywanym zasobem. Wysoka szybkość dostarczania fluencji może przewyższać tempo uzupełniania tlenu przez dyfuzję i perfuzję, powodując przejściowe niedotlenienie w trakcie ekspozycji. Gdy tak się dzieje, dostarczenie większej ilości światła przynosi niewielki dodatkowy efekt typu II lub nie przynosi go wcale. Frakcjonowanie i niższe natężenie napromienienia bada się między innymi jako sposoby radzenia sobie z tym ograniczeniem. Z tego samego powodu marginesy bezpieczeństwa i natlenienie tkanek należą do standardów bezpieczeństwa klinicznego i nadzoru, a nie do instrukcji obsługi lampy.

Procedura prowadzona przez klinicystę, a nie domowy przepis

Badane leczenie prowadzi się w warunkach łączących diagnostykę, dozymetrię i nadzór. Ktoś musi potwierdzić rodzaj zmiany i jej głębokość, dobrać formulację oraz odstęp między podaniem substancji a naświetlaniem do danego celu, skalibrować źródło dla określonego pola o określonej geometrii oraz monitorować skórę, oczy, ból i miejscową reakcję tkanki. Przywołany przegląd dotyczący rozwoju fotouczulaczy fenotiazyniowych przedstawia całą dziedzinę jako optymalizację zależności między strukturą a aktywnością w kontrolowanych warunkach, a nie połączenie barwnika z dowolnym czerwonym światłem.

Domowe naśladowanie nie spełnia wymagań dotyczących żadnej z kontrolowanych zmiennych. W przypadku lamp konsumenckich rzadko podaje się skalibrowane widmowe natężenie napromienienia w odległości stosowanej podczas zabiegu. Stężenie nałożonego barwnika nie mówi nic o udziale monomeru ani o lokalizacji wewnątrzkomórkowej. Natlenienie tkanki jest nieznane i zmienia się podczas ekspozycji. Żaden z przytoczonych zakresów nie uzasadnia protokołu domowego, a ten artykuł celowo nie podaje przepisu nadającego się do zastosowania. Czytelnicy oceniający ogólną jakość dowodów powinni sięgnąć po artykuł jak czytać badanie nad błękitem metylenowym przed wyciąganiem wniosków z pojedynczej publikacji, a osoby zainteresowane metodami wykorzystującymi samo światło, bez fotouczulacza, powinny zacząć od materiału terapia czerwonym światłem bez fotouczulacza.

Czego ten artykuł nie dowodzi

Nie dowodzi, że terapia fotodynamiczna błękitem metylenowym leczy jakąkolwiek chorobę skóry, usuwa jakiekolwiek zakażenie lub leczy jakikolwiek nowotwór. Cytowane tutaj przeglądy mechanistyczne dotyczyły pomiarów fotochemicznych i porównań struktur barwników; nie zalecały żadnego stężenia ani fluencji do zastosowań klinicznych. Podane wyżej zakresy parametrów pochodzą z niejednorodnych doniesień dotyczących ludzi i modeli zwierzęcych, różniących się celami, głębokościami, formulacjami i punktami końcowymi. Nie można ich uśrednić, aby uzyskać zalecenia. Dowody dotyczące konkretnych nowotworów, w tym ograniczenia wczesnych doniesień klinicznych o raku podstawnokomórkowym, mięsaku Kaposiego i czerniaku, oceniono oddzielnie w zbiorze materiałów o badaniach nad nowotworami. Kwestie czystości i pozyskiwania materiału klasy laboratoryjnej są niezależne od leczenia i zostały omówione w artykule jak wybrać produkt z błękitem metylenowym.