Articol
Terapia fotodinamică cu albastru de metilen: cum este studiat tratamentul
Terapia fotodinamică cu albastru de metilen pare să presupună doi pași. Aplici un colorant albastru, apoi îndrepți lumină roșie asupra lui. Această reprezentare este greșită și constituie sursa majorității confuziilor despre acest tratament. Procedura studiată are trei componente care trebuie să fie prezente în același loc și în același timp: fotosensibilizatorul în forma sa care absoarbe lumina, fotoni cu o lungime de undă adecvată și o doză măsurată, precum și oxigen molecular care să primească energia transferată. Dacă lipsește oricare dintre componente, efectul invocat nu mai are un mecanism care să îl susțină.
Acest articol explică modul în care cercetătorii descriu acest sistem cu trei componente, ce parametri controlează și de ce o lungime de undă și o valoare a energiei publicate nu pot fi transformate într-o procedură pentru acasă. Rezultatele privind cancerul fac obiectul unei analize separate a cercetărilor despre albastrul de metilen și cancer, iar aplicațiile dentare sunt reunite în cercetările fotodinamice orale și dentare. Niciuna dintre aceste teme nu este reluată aici.
Colorantul este un fotosensibilizator, nu un simplu agent de colorare
Albastrul de metilen absoarbe puternic lumina roșie, cu maximul de absorbție al monomerului în apropiere de 664 până la 666 nm și cu o absorptivitate molară foarte ridicată. Această bandă de absorbție explică de ce studiile privind terapia fotodinamică cu albastru de metilen folosesc surse roșii, de obicei în intervalul de aproximativ 630 până la 680 nm. O lampă care emite în afara acestei benzi poate părea luminoasă, dar să furnizeze aproape deloc excitație utilă. Regulile privind lungimea de undă care stau la baza acestei alegeri sunt explicate în modul în care albastrul de metilen absoarbe lumina roșie.
Absorbția este doar primul pas. Colorantul excitat trece într-o stare triplet cu durată de viață mai lungă, din care sunt posibile două căi fotochimice. În chimia de tip I, colorantul excitat schimbă electroni sau atomi de hidrogen cu substraturile din apropiere și produce radicali, inclusiv reacții ulterioare care implică superoxidul. În chimia de tip II, colorantul în stare triplet transferă energie direct oxigenului în starea fundamentală și produce oxigen singlet. În condiții oxigenate, albastrul de metilen acționează predominant ca sensibilizator pentru producerea oxigenului singlet, cu un randament cuantic raportat de aproximativ 0.5 în apă, în timp ce contribuțiile de tip I cresc sau scad în funcție de mediul local. Analiza din 1993 a fotochimiei albastrului de metilen cu substraturi biologice descrie ambele căi și arată de ce echilibrul dintre ele nu poate fi dedus din eticheta colorantului.
Aceeași analiză identifică principala țintă dintre componentele acizilor nucleici. Guanina are cel mai scăzut potențial de oxidare dintre bazele ADN, astfel că oxigenul singlet o oxidează preferențial, formând produși precum 8-oxo-deoxiguanozina. Intercalarea în ADN nu este necesară pentru această deteriorare. Totuși, analiza avertizează și împotriva reducerii întregului mecanism la ADN. Albastrul de metilen oxidează proteine, lipide și membrane, iar ținta letală într-un anumit experiment depinde de locul în care se localizează colorantul. Concentrația din soluția în care este scufundată proba este, prin urmare, un indicator slab al dozei la nivelul țintei. Cititorii care compară această chimie determinată de lumină cu rolurile redox ale colorantului în absența luminii trebuie să le păstreze distincte, așa cum se explică în materialul despre modul în care albastrul de metilen funcționează în celule.
Un compus de pornire, nu un medicament optimizat
A doua sursă de bază este analiza din 2005 privind dezvoltarea fotosensibilizatorilor de tip fenotiaziniu, care tratează albastrul de metilen ca pe o structură de pornire cu limitări cunoscute, nu ca pe un fotosensibilizator definitiv. Mici modificări structurale schimbă lipofilicitatea, captarea celulară, localizarea intracelulară, producția de oxigen singlet, toxicitatea în absența luminii și rezistența la reducere. Metilarea cromoforului, de exemplu, crește lipofilicitatea și producția de oxigen singlet și încetinește reducerea la forma leuco inactivă, iar analogii metilați au prezentat o fototoxicitate mai mare la aproximativ 7.2 J pe cm pătrat în cercetările pe care se bazează analiza. O lipofilicitate mai mare nu este însă automat mai bună, deoarece hidrofobicitatea excesivă reduce solubilitatea, favorizează agregarea și poate modifica geometria necesară fotochimiei.
Aspectul legat de forma leuco merită subliniat deoarece nu este vizibil. Albastrul de metilen oxidat este albastru și absoarbe lumina roșie. Leuco-albastrul de metilen redus este aproape incolor și absoarbe slab în aceeași bandă, astfel încât colorantul redus în interiorul celulelor sau în țesutul slab oxigenat este exclus temporar din fracția fotoactivă până la reoxidare. Starea redox a țesutului modifică, așadar, concentrația efectivă a fotosensibilizatorului chiar și atunci când concentrația aplicată este fixă. Istoria formulărilor, inclusiv utilizările clinice și de laborator timpurii ale acestei familii de coloranți, este prezentată în istoria albastrului de metilen în medicină.
Tabelul studiilor: ce variază și ce înseamnă
Tabelul de mai jos este materialul comparativ original al acestui articol. Fiecare rând reprezintă o variabilă a tratamentului pe care studiile trebuie să o raporteze. Citiți fiecare rând pentru a vedea de ce schimbarea unui singur parametru modifică semnificația tuturor celorlalți.
| Variabilă | Ce raportează studiile | De ce modifică rezultatul |
|---|---|---|
| Formularea fotosensibilizatorului | Colorant liber în apă, soluție salină sau soluție tampon; vehicule cu etanol și Cremophor în cercetările pe animale; lipozomi, particule polimerice sau transportori pe bază de ciclodextrină în cercetările experimentale | Vehiculul și transportorul modifică captarea, localizarea și pătrunderea prin bariere precum matricea biofilmului sau țesutul tumoral |
| Concentrația aplicată | Studiile antimicrobiene la oameni raportează aproximativ 0.0003 până la 0.06 M, cu intervale de 1 până la 5 minute între administrare și iluminare; cercetările asupra tumorilor la animale includ exemple de aproximativ 500 micrograme pe mL administrate intratumoral | O concentrație mai mare în soluție poate crește dimerizarea asociată absorbției în apropiere de 590 nm și poate reduce fotochimia productivă a monomerului, astfel că dublarea concentrației nu dublează neapărat efectul |
| Intervalul dintre administrare și iluminare | Minute în experimentele antimicrobiene cu aplicare locală; mai lung și dependent de vehicul în modelele tumorale | Intervalul determină unde se află colorantul când ajunge lumina, ceea ce stabilește ținta biologică dominantă |
| Lungimea de undă | De obicei, aproximativ 630 până la 680 nm | Trebuie să se suprapună cu banda de absorbție a monomerului; soluțiile bogate în dimeri deplasează absorbția efectivă |
| Iradianța | Rapoartele antimicrobiene la oameni acoperă aproximativ 50 până la 750 mW pe cm pătrat; studiile asupra rănilor la animale folosesc frecvent valori de cel mult 100 mW pe cm pătrat | Iradianța ridicată poate epuiza oxigenul local mai repede decât îl înlocuiește perfuzia, ceea ce reduce eficiența la aceeași fluență nominală |
| Fluența | Rapoartele antimicrobiene la oameni acoperă aproximativ 6 până la 18 J pe cm pătrat, pe durate de 8 secunde până la 10 minute; studiile asupra rănilor la animale acoperă aproximativ 12 până la 360 J pe cm pătrat | Energia totală fără iradianță, timp și geometrie reprezintă o doză incomplet definită |
| Oxigenarea | Rareori controlată direct; dedusă din tipul de țesut, rata fluenței și fracționare | Chimia de tip II consumă oxigen, astfel că aceleași setări ale luminii pot produce efecte diferite în ținte bine perfuzate față de ținte hipoxice |
| Ținta și contextul | Modele de infecții cutanate și ale rănilor, modele de biofilm oral, sisteme de carcinom și melanom în cultură, tumori murine, rapoarte istorice despre tumori cutanate | Geometria, profunzimea, proprietățile optice și gradul tolerat de afectare a țesuturilor gazdei diferă atât de mult încât valorile antimicrobiene nu se transferă niciodată cantitativ la cercetările tumorale |
Intervalele de mai sus sunt intervale observate în studii, nu un protocol recomandat. Această distincție este scopul tabelului. Amploarea intervalelor de doze de lumină raportate este în sine o dovadă că nu există o doză de lumină transferabilă pentru albastrul de metilen. Contextul de laborator conex privind cercetările asupra biofilmelor activate de lumină este prezentat în albastrul de metilen împotriva biofilmelor, iar informațiile mai generale despre piele și terapia cu lumină se găsesc în materialul despre fotosensibilitatea pielii și elementele de bază ale dozei de lumină.
De ce valori identice ale energiei pot produce efecte biologice diferite
Patru confuzii reapar ori de câte ori parametrii publicați sunt citați fără context.
În primul rând, fluența nu este doza. Două expuneri la aceeași lungime de undă și cu aceeași valoare în J pe cm pătrat diferă dacă una este administrată rapid, iar cealaltă lent, deoarece epuizarea oxigenului, repararea în timpul expunerii și fotoalbirea colorantului depind toate de rată și de timp. Raportarea energiei fără iradianță și fără timpul de expunere lasă experimentul descris incomplet.
În al doilea rând, proprietățile optice ale țesutului modifică semnificația setării lămpii. Absorbția, împrăștierea, geometria suprafeței și retroîmprăștierea fac ca fluența din interiorul țesutului să poată diferi substanțial de valoarea măsurată la apertura lămpii, în anumite situații cu factori care se apropie de doi, potrivit literaturii de dozimetrie clinică. O valoare copiată dintr-un articol descrie geometria acelui articol, nu orice geometrie.
În al treilea rând, localizarea determină ținta. Un colorant cationic se distribuie în membrane, mitocondrii, lizozomi, învelișuri bacteriene sau matricea extracelulară în funcție de formulare, sarcină, lipofilicitate, interval și țesut. Analiza fotochimiei din 1993 documentează deteriorarea acizilor nucleici, proteinelor, lipidelor, membranelor, organitelor, virusurilor, bacteriilor, celulelor de mamifere și sistemelor tumorale, ceea ce explică tocmai de ce aceeași combinație de colorant și lumină poate produce efecte letale pe căi diferite în configurații diferite.
În al patrulea rând, oxigenul se consumă. Ratele ridicate ale fluenței pot depăși reaprovizionarea prin difuzie și perfuzie și pot crea hipoxie tranzitorie în timpul expunerii. Când se întâmplă acest lucru, lumina suplimentară adaugă un efect de tip II redus sau chiar nul. Fracționarea și iradianța mai mică sunt studiate parțial ca răspunsuri la această limitare, motiv pentru care marjele de siguranță și oxigenarea țesutului țin de standardele de siguranță și supraveghere clinică, nu de manualul unei lămpi.
O procedură condusă de un clinician, nu o rețetă pentru acasă
Tratamentul studiat este administrat într-un cadru în care diagnosticul, dozimetria și supravegherea sunt prezente împreună. Cineva trebuie să confirme ce este leziunea și cât de profund se extinde, să aleagă o formulare și un interval între administrare și iluminare adaptate acelei ținte, să calibreze sursa pe un câmp definit, cu o geometrie definită, și să monitorizeze pielea, ochii, durerea și răspunsul local al țesutului. Analiza privind dezvoltarea fotosensibilizatorilor de tip fenotiaziniu, care stă la baza discuției, prezintă întregul domeniu drept optimizarea relației structură–activitate în condiții controlate, nu drept colorant plus lumină roșie generică.
Imitarea la domiciliu eșuează simultan în privința tuturor variabilelor controlate. Lămpile destinate consumatorilor raportează rareori iradianța spectrală calibrată la distanța de tratament. Concentrația colorantului aplicat nu spune nimic despre fracția de monomer sau despre localizarea intracelulară. Oxigenarea țesutului este necunoscută și se modifică în timpul expunerii. Niciunul dintre intervalele citate nu justifică un protocol pentru acasă, iar acest articol nu oferă în mod deliberat nicio rețetă utilizabilă. Cititorii care evaluează calitatea generală a dovezilor ar trebui să consulte cum să citești un studiu despre albastrul de metilen înainte de a trage concluzii dintr-un singur articol, iar cei interesați de abordări bazate doar pe lumină, fără fotosensibilizator, ar trebui să înceapă cu terapia cu lumină roșie fără fotosensibilizator.
Ce nu stabilește acest articol
Acest articol nu stabilește că terapia fotodinamică cu albastru de metilen vindecă vreo afecțiune cutanată, elimină vreo infecție sau tratează vreo tumoră. Analizele mecanistice citate aici au măsurat fotochimia și au comparat structurile coloranților; nu au prescris nicio concentrație clinică și nicio fluență. Intervalele de parametri citate mai sus provin din rapoarte eterogene la oameni și din modele animale cu ținte, profunzimi, formulări și criterii de evaluare diferite și nu pot fi transformate în recomandări prin calcularea unei medii. Dovezile specifice tumorilor, inclusiv limitele rapoartelor clinice timpurii privind carcinomul bazocelular, sarcomul Kaposi și melanomul, sunt evaluate separat în colecția de cercetări despre cancer. Întrebările privind puritatea și procurarea materialului de calitate pentru laborator sunt distincte de tratament și sunt abordate în cum să alegi un produs cu albastru de metilen.