Bài viết
Liệu pháp quang động với xanh methylen: cách nghiên cứu phương pháp điều trị
Liệu pháp quang động với xanh methylen nghe có vẻ chỉ gồm hai bước. Bôi chất màu xanh, rồi chiếu ánh sáng đỏ. Cách hình dung đó sai, và là nguồn gốc của phần lớn sự nhầm lẫn về phương pháp điều trị này. Quy trình được nghiên cứu có ba thành phần phải cùng hiện diện ở một nơi, vào cùng một thời điểm: chất nhạy quang ở dạng hấp thụ ánh sáng, photon có bước sóng phù hợp với liều được đo lường, và oxy phân tử để tiếp nhận năng lượng được truyền sang. Thiếu bất kỳ thành phần nào, tác dụng được nêu sẽ không còn cơ chế để xảy ra.
Bài viết này giải thích cách các nhà nghiên cứu mô tả hệ thống ba thành phần đó, những thông số họ kiểm soát, và vì sao không thể biến một bước sóng cùng giá trị năng lượng đã công bố thành quy trình thực hiện tại nhà. Kết quả liên quan đến ung thư nằm trong một bài tổng quan riêng về xanh methylen và nghiên cứu ung thư, còn các ứng dụng nha khoa được tập hợp trong nhóm nghiên cứu quang động về miệng và răng. Nội dung của cả hai nhóm không được lặp lại ở đây.
Chất màu là chất nhạy quang, không phải chất nhuộm
Xanh methylen hấp thụ mạnh ánh sáng đỏ, với đỉnh hấp thụ của dạng đơn phân gần 664 đến 666 nm và hệ số hấp thụ mol rất cao. Dải hấp thụ đó là lý do các nghiên cứu liệu pháp quang động với xanh methylen sử dụng nguồn ánh sáng đỏ, thường trong khoảng 630 đến 680 nm. Một đèn nằm ngoài dải này có thể trông rất sáng nhưng gần như không cung cấp sự kích thích hữu ích nào. Các nguyên tắc về bước sóng đằng sau lựa chọn đó được giải thích trong bài cách xanh methylen hấp thụ ánh sáng đỏ.
Hấp thụ chỉ là bước đầu tiên. Chất màu được kích thích chuyển sang trạng thái triplet có thời gian tồn tại dài hơn, và từ đó có thể đi theo hai con đường quang hóa. Trong phản ứng Loại I, chất màu ở trạng thái kích thích trao đổi electron hoặc nguyên tử hydro với các cơ chất lân cận và tạo ra các gốc tự do, bao gồm các phản ứng liên quan đến superoxide ở những bước tiếp theo. Trong phản ứng Loại II, chất màu ở trạng thái triplet truyền năng lượng trực tiếp cho oxy ở trạng thái cơ bản và tạo ra oxy singlet. Trong điều kiện có oxy, xanh methylen chủ yếu hoạt động như một chất nhạy hóa tạo oxy singlet, với hiệu suất lượng tử được báo cáo gần 0.5 trong nước, trong khi mức đóng góp của Loại I tăng hoặc giảm tùy theo môi trường cục bộ. Bài tổng quan năm 1993 về quang hóa của xanh methylen với các cơ chất sinh học trình bày cả hai con đường và cho thấy vì sao không thể xác định sự cân bằng giữa chúng chỉ từ nhãn chất màu.
Bài tổng quan đó cũng nêu đích tác động chính trong axit nucleic. Guanine có thế oxy hóa thấp nhất trong các base của DNA, nên oxy singlet ưu tiên oxy hóa nó, tạo ra các sản phẩm như 8-oxo-deoxyguanosine. Sự xen cài vào DNA không phải điều kiện bắt buộc để gây tổn thương đó. Tuy nhiên, bài tổng quan cũng cảnh báo không nên xem DNA là toàn bộ câu chuyện. Xanh methylen oxy hóa protein, lipid và màng, còn đích tác động gây chết trong mỗi thí nghiệm phụ thuộc vào nơi chất màu phân bố. Vì vậy, nồng độ trong dung dịch ngâm chỉ là một chỉ dấu thay thế yếu cho liều tại đích tác động. Người đọc khi so sánh phản ứng hóa học do ánh sáng thúc đẩy này với vai trò oxy hóa–khử của chất màu khi không có ánh sáng cần phân biệt hai cơ chế, như trình bày trong bài về cách xanh methylen hoạt động trong tế bào.
Một hợp chất đầu mối, không phải thuốc đã được tối ưu hóa
Nguồn tham khảo nền tảng thứ hai là bài tổng quan năm 2005 về phát triển chất nhạy quang phenothiazinium, trong đó xem xanh methylen là một cấu trúc đầu mối với những hạn chế đã biết, chứ không phải một chất nhạy quang đã hoàn thiện. Những thay đổi nhỏ trong cấu trúc làm thay đổi tính ưa lipid, khả năng được tế bào hấp thu, vị trí phân bố nội bào, lượng oxy singlet tạo ra, độc tính khi không có ánh sáng và khả năng chống bị khử. Ví dụ, methyl hóa nhóm mang màu làm tăng tính ưa lipid và khả năng tạo oxy singlet, đồng thời làm chậm quá trình khử thành dạng leuco không hoạt động; các chất tương tự được methyl hóa cho thấy độc tính quang cao hơn ở khoảng 7.2 J trên cm vuông trong nghiên cứu làm cơ sở cho tổng quan. Tuy vậy, tính ưa lipid cao hơn không tự động đồng nghĩa với tốt hơn, vì tính kỵ nước quá mức làm giảm độ tan, thúc đẩy sự kết tụ và có thể làm biến dạng cấu trúc hình học cần thiết cho phản ứng quang hóa.
Điểm về dạng leuco cần được nhấn mạnh vì không thể quan sát nó bằng màu sắc. Xanh methylen ở dạng oxy hóa có màu xanh và hấp thụ ánh sáng đỏ. Leuco-xanh methylen ở dạng khử gần như không màu và hấp thụ kém trong cùng dải này, nên chất màu đã bị khử bên trong tế bào hoặc trong mô thiếu oxy tạm thời không còn thuộc nhóm có hoạt tính quang cho đến khi được oxy hóa trở lại. Vì vậy, trạng thái oxy hóa–khử của mô làm thay đổi nồng độ chất nhạy quang có hiệu lực ngay cả khi nồng độ được đưa vào không đổi. Lịch sử bào chế, bao gồm những ứng dụng lâm sàng và trong phòng thí nghiệm thời kỳ đầu của họ chất màu này, được trình bày trong bài lịch sử xanh methylen trong y học.
Bảng nghiên cứu: những gì thay đổi và ý nghĩa của chúng
Bảng dưới đây là nội dung so sánh gốc của bài viết này. Mỗi hàng là một biến số điều trị mà các nghiên cứu phải báo cáo. Đọc theo từng hàng để hiểu vì sao thay đổi một thông số lại làm thay đổi ý nghĩa của tất cả các thông số khác.
| Biến số | Những gì nghiên cứu báo cáo | Vì sao biến số này làm thay đổi kết quả |
|---|---|---|
| Dạng bào chế chất nhạy quang | Chất màu tự do trong nước, nước muối hoặc dung dịch đệm; tá dược ethanol và Cremophor trong nghiên cứu trên động vật; chất mang liposome, hạt polymer hoặc cyclodextrin trong nghiên cứu thực nghiệm | Tá dược và chất mang làm thay đổi khả năng hấp thu, vị trí phân bố và khả năng xuyên qua các hàng rào như nền màng sinh học hoặc mô khối u |
| Nồng độ được đưa vào | Các nghiên cứu kháng vi sinh vật ở người báo cáo khoảng 0.0003 đến 0.06 M với khoảng thời gian từ dùng chất đến chiếu sáng là 1 đến 5 phút; nghiên cứu khối u trên động vật có các ví dụ dùng khoảng 500 microgam trên mL trong khối u | Nồng độ tổng thể cao hơn có thể làm tăng sự tạo dimer gần 590 nm và giảm phản ứng quang hóa hữu ích của dạng đơn phân, nên tăng gấp đôi nồng độ không nhất thiết làm tăng gấp đôi tác dụng |
| Khoảng thời gian từ dùng chất đến chiếu sáng | Tính bằng phút trong các mô hình kháng vi sinh vật tại chỗ; dài hơn và phụ thuộc vào tá dược trong các mô hình khối u | Khoảng thời gian này quyết định chất màu nằm ở đâu khi ánh sáng tới, từ đó quyết định đích sinh học chủ đạo |
| Bước sóng | Thường khoảng 630 đến 680 nm | Phải chồng lấp với dải hấp thụ của dạng đơn phân; các dung dịch giàu dimer làm dịch chuyển dải hấp thụ hiệu dụng |
| Mật độ công suất chiếu xạ | Các báo cáo kháng vi sinh vật ở người có khoảng từ 50 đến 750 mW trên cm vuông; nghiên cứu vết thương trên động vật thường ở mức 100 mW trên cm vuông hoặc thấp hơn | Mật độ công suất chiếu xạ cao có thể làm cạn oxy cục bộ nhanh hơn tốc độ tưới máu bổ sung oxy, khiến hiệu suất giảm dù mật độ năng lượng danh định không đổi |
| Mật độ năng lượng | Các báo cáo kháng vi sinh vật ở người có khoảng từ 6 đến 18 J trên cm vuông trong 8 giây đến 10 phút; nghiên cứu vết thương trên động vật có khoảng từ 12 đến 360 J trên cm vuông | Tổng năng lượng mà không có mật độ công suất chiếu xạ, thời gian và cấu hình hình học là một mô tả liều chưa đầy đủ |
| Tình trạng oxy hóa mô | Hiếm khi được kiểm soát trực tiếp; được suy ra từ loại mô, tốc độ cung cấp năng lượng trên đơn vị diện tích và việc chia lần chiếu | Phản ứng Loại II tiêu thụ oxy, nên cùng thông số ánh sáng có thể cho tác dụng khác nhau ở đích được tưới máu tốt so với đích thiếu oxy |
| Đích tác động và bối cảnh | Mô hình nhiễm trùng da và vết thương, mô hình màng sinh học trong miệng, hệ nuôi cấy ung thư biểu mô và u hắc tố, khối u ở chuột, các báo cáo trước đây về khối u da | Cấu hình hình học, độ sâu, đặc tính quang học và mức tổn thương mô chủ có thể chấp nhận khác nhau đến mức không thể chuyển các giá trị kháng vi sinh vật sang nghiên cứu khối u về mặt định lượng |
Các khoảng giá trị trên là những khoảng được ghi nhận trong nghiên cứu, không phải quy trình được khuyến nghị. Sự phân biệt đó chính là mục đích của bảng. Bản thân độ rộng của các liều ánh sáng được báo cáo đã cho thấy không tồn tại một liều ánh sáng dùng với xanh methylen có thể áp dụng chung cho các bối cảnh khác nhau. Bối cảnh thí nghiệm liên quan đến nghiên cứu màng sinh học được hoạt hóa bằng ánh sáng có trong bài xanh methylen đối với màng sinh học, còn kiến thức nền rộng hơn về da và liệu pháp ánh sáng nằm trong phần cơ bản về tính nhạy sáng của da và liều ánh sáng.
Vì sao cùng giá trị năng lượng có thể tạo ra tác động sinh học khác nhau
Bốn sự nhầm lẫn thường lặp lại khi các thông số đã công bố được trích dẫn mà không kèm bối cảnh.
Thứ nhất, mật độ năng lượng không phải là liều. Hai lần chiếu ở cùng bước sóng và cùng số J trên cm vuông vẫn khác nhau nếu một lần được thực hiện nhanh, còn lần kia chậm, vì sự cạn oxy, quá trình sửa chữa trong khi chiếu và sự quang tẩy màu đều phụ thuộc vào tốc độ và thời gian. Báo cáo năng lượng mà không có mật độ công suất chiếu xạ và thời gian chiếu sẽ khiến mô tả thí nghiệm không đầy đủ.
Thứ hai, đặc tính quang học của mô làm thay đổi ý nghĩa của thông số đèn. Hấp thụ, tán xạ, hình học bề mặt và tán xạ ngược khiến mật độ năng lượng bên trong mô có thể khác đáng kể so với giá trị đo tại cửa phát sáng của đèn; theo tài liệu về đo liều lâm sàng, trong một số trường hợp mức chênh lệch có thể gần gấp hai lần. Một con số được chép từ bài báo mô tả cấu hình hình học của bài báo đó, không phải mọi cấu hình hình học.
Thứ ba, vị trí phân bố quyết định đích tác động. Một chất màu mang điện tích dương phân bố vào màng, ty thể, lysosome, lớp bao vi khuẩn hoặc chất nền ngoại bào tùy theo dạng bào chế, điện tích, tính ưa lipid, khoảng thời gian từ dùng chất đến chiếu sáng và loại mô. Bài tổng quan quang hóa năm 1993 ghi nhận tổn thương ở axit nucleic, protein, lipid, màng, bào quan, virus, vi khuẩn, tế bào động vật có vú và các hệ khối u. Đó chính là lý do cùng một cặp chất màu và ánh sáng có thể gây chết qua các con đường khác nhau trong những mô hình khác nhau.
Thứ tư, oxy là thành phần bị tiêu hao. Tốc độ cung cấp năng lượng trên đơn vị diện tích cao có thể vượt quá tốc độ bổ sung oxy qua khuếch tán và tưới máu, tạo ra tình trạng thiếu oxy tạm thời giữa quá trình chiếu. Khi điều đó xảy ra, tăng thêm ánh sáng chỉ làm tăng rất ít hoặc không làm tăng thêm tác dụng Loại II. Chia lần chiếu và giảm mật độ công suất chiếu xạ được nghiên cứu một phần để giải quyết giới hạn này; đây cũng là lý do biên độ an toàn và tình trạng oxy hóa mô thuộc về các tiêu chuẩn an toàn và giám sát lâm sàng, chứ không phải sách hướng dẫn sử dụng đèn.
Một quy trình do bác sĩ phụ trách, không phải công thức tại nhà
Phương pháp điều trị được nghiên cứu được thực hiện ở nơi có đầy đủ chẩn đoán, đo liều và giám sát. Cần có người xác định tổn thương là gì và lan sâu đến đâu, lựa chọn dạng bào chế cùng khoảng thời gian từ dùng chất đến chiếu sáng phù hợp với đích đó, hiệu chuẩn nguồn sáng trên một vùng xác định với cấu hình hình học xác định, đồng thời theo dõi da, mắt, mức đau và phản ứng của mô tại chỗ. Bài tổng quan về phát triển phenothiazinium làm nền tảng cho nội dung này đặt toàn bộ lĩnh vực trong khuôn khổ tối ưu hóa mối quan hệ cấu trúc–hoạt tính dưới các điều kiện được kiểm soát, chứ không phải kết hợp chất màu với ánh sáng đỏ bất kỳ.
Việc tự làm theo tại nhà không đáp ứng được tất cả các biến số cần kiểm soát cùng lúc. Đèn dành cho người tiêu dùng hiếm khi cung cấp mật độ công suất chiếu xạ theo phổ đã được hiệu chuẩn tại khoảng cách điều trị. Nồng độ chất màu được đưa vào không cho biết tỷ lệ dạng đơn phân hay vị trí phân bố nội bào. Tình trạng oxy hóa mô không được biết và thay đổi trong quá trình chiếu. Không khoảng giá trị nào được trích dẫn cho phép xây dựng một quy trình tại nhà, và bài viết này chủ ý không đưa ra công thức có thể áp dụng. Người đọc khi cân nhắc chất lượng bằng chứng nói chung nên tham khảo cách đọc một nghiên cứu về xanh methylen trước khi rút ra kết luận từ bất kỳ bài báo đơn lẻ nào; còn người đọc muốn tìm hiểu các phương pháp chỉ dùng ánh sáng, không có chất nhạy quang, nên bắt đầu với bài liệu pháp ánh sáng đỏ không dùng chất nhạy quang.
Những điều bài viết này không xác lập
Bài viết không xác lập rằng liệu pháp quang động với xanh methylen chữa khỏi bất kỳ bệnh da nào, loại bỏ bất kỳ nhiễm trùng nào hay điều trị bất kỳ khối u nào. Các bài tổng quan cơ chế được trích dẫn ở đây đo lường phản ứng quang hóa và so sánh cấu trúc chất màu; chúng không chỉ định nồng độ hay mật độ năng lượng dùng trong lâm sàng. Các khoảng thông số nêu trên đến từ những báo cáo ở người và mô hình động vật không đồng nhất, với đích tác động, độ sâu, dạng bào chế và tiêu chí đánh giá khác nhau, nên không thể lấy trung bình để làm hướng dẫn. Bằng chứng riêng về khối u, bao gồm các giới hạn của những báo cáo lâm sàng ban đầu về ung thư biểu mô tế bào đáy, sarcoma Kaposi và u hắc tố, được đánh giá riêng trong nhóm nghiên cứu ung thư. Các câu hỏi về độ tinh khiết và nguồn cung của vật liệu cấp phòng thí nghiệm là vấn đề tách biệt với điều trị và được trình bày trong bài cách chọn sản phẩm xanh methylen.