В структуре смертности населения России злокачественные новообразования занимают третье место (11,4 %; 2020 г. – 13,6 %) после болезней системы кровообращения (38,3 %; 2020 г. – 43,9 %) и коронавирусной инфекции, вызванной SARS-CoV-2 (19,1 %, 2020 г. – 6,8 %) [1]. Около 50 % онкологических больных на том или ином этапе лечения проходят курс лучевой терапии, как в самостоятельном плане, так и в сочетании с другими методами, такими как хирургическое вмешательство и химиотерапия. При проведении лучевой терапии процент осложнений в настоящее время все еще высок. При облучении онкологических образований органов малого таза у 14–80 % пациенток развиваются локальные лучевые осложнения различной степени тяжести, затрагивающие прямую кишку, мочевой пузырь и влагалище. Эти осложнения значительно снижают качество жизни пациенток, приводят к вынужденным перерывам в терапии и в конечном итоге ухудшают онкологические исходы [2]. Наиболее часто встречающимся побочным эффектом при лучевой терапии у пациентов с орофарингеальным раком является лучевой мукозит (эпителиит), который наблюдается у более чем 60 % пациентов при стандартном режиме фракционирования и почти у 100 % больных при использовании нетрадиционных режимов или химиолучевой терапии [3]. Таким образом, осложнения лучевой терапии часто сводят на нет положительные результаты противоопухолевого лечения, требуют незапланированных перерывов, задерживают проведение последующих этапов комбинированного и комплексного лечения, а также ухудшают психоэмоциональное состояние пациентов и снижают качество их жизни. В течение последних нескольких лет ученые ищут новые стратегии снижения ранних и поздних эффектов лучевой терапии, а также усиления реакции опухоли на лучевое лечение.
Цель исследования – обзор данных литературы по обоснованию возможности применения некоторых лекарственных препаратов для протекции органов и тканей при лучевой терапии злокачественных новообразований.
Материалы и методы исследования
Теоретически изучены основные механизмы радиоцитопротективного действия лекарственных веществ. Рассмотрены последние научные исследования и опыты применения данных веществ по данным PubMed, eLIBRARY с 1995 по 2023 г. Было проанализировано 65 литературных источников, в список литературы включены 50. Обзор был составлен в соответствии с современными принципами подготовки обзоров по протоколу Prisma [4]. Выявлены другие положительные свойства некоторых веществ, помимо радиоцитопротективного.
Результаты исследования и их обсуждение
Амифостин
Амифостин, одобренный Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (Food and Drug Administration, FDA), радиопротектор, широко изучен и используется в клинической лучевой терапии. Амифостин (действующее вещество – этиол) применяется для профилактики побочных эффектов алкилирующих средств и препаратов платины.Является пролекарством, метаболизируется щелочной фосфатазой до трех активных тиоловых метаболитов, снижающих цитотоксичность. Связывается с реактивными метаболитами цисплатина, митомицина и алкилирующих агентов и нейтрализует их, выступая в качестве поглотителя свободных радикалов. Эти эффекты более выражены в нормальных тканях, нежели в опухоли, вследствие более высокой активности фосфатазы, рН и лучшей васкуляризации нормальных тканей, что приводит к их селективному предохранению, уменьшает вероятность гемато-, нефро-, нейро- и ототоксических реакций, наблюдаемых при проведении химиотерапии и лучевой терапии. Также имеются исследования, что амифостин не может защитить абсолютно все органы человека от токсического воздействия ионизирующего излучения [5] и, следовательно, необходимы дальнейшие исследования для поиска альтернативных радиоцитопротекторов. Кроме того, амифостин имеет некоторые побочные эффекты, такие как тошнота и рвота, которые могут привести к его отмене во время курса лучевой терапии [6], что также подвигает нас к мысли о поиске новых средств.
Мелатонин
Мелатонин– гормон, вырабатываемый шишковидной железой (эпифизом), регулирующий циркадные ритмы. Мелатонин, помимо основной функции регуляции циклов сна и бодрствования, обладает рядом других значимых свойств, включая антиоксидантный, противовоспалительный и омолаживающий эффекты [7]. Исследования продемонстрировали его способность защищать организм от токсических воздействий противораковых методов лечения, таких как химиотерапия и лучевая терапия [8]. В течение последних двадцати лет было проведено множество исследований, посвященных радиозащитным свойствам мелатонина на различные клетки и органы. Основными преимуществами мелатонина являются его способность легко проникать во все типы клеток и низкая токсичность, поскольку он является естественным эндогенным метаболитом [9]. Более того, последние исследования показывают, что мелатонин не только обладает радиоцитопротективным эффектом, но и повышает чувствительность некоторых опухолевых клеток к радиации, что делает его перспективным вспомогательным средством при лучевой терапии.
Радиоцитопротективные эффекты мелатонина объясняются его значительным антиоксидантным воздействием на различные токсические агенты, включая ионизирующее излучение, что представляет для нас наибольший интерес, а также химиотерапевтические средства, металлы и другие агенты [10]. Антиоксидантные свойства мелатонина могут проявляться как напрямую, так и опосредованно. Прямой антиоксидантный эффект связан с нейтрализацией свободных радикалов, таких как активные формы кислорода (АФК) и азота, тогда как опосредованный эффект обусловлен изменениями в экспрессии генов и активности ферментов, ответственных за продукцию АФК и оксида азота (NO) [11]. Ряд исследований in vitro и in vivo продемонстрировали, что предварительное введение мелатонина перед воздействием ионизирующего излучения может смягчить окислительное повреждение за счет повышения активности мощных антиоксидантных ферментов, таких как супероксиддисмутаза, глутатион, глутатионпероксидаза и каталаза, в различных клетках и органах [12].
Другое важное антиоксидантное действие мелатонина проявляется ингибирующим действием на ферменты, продуцирующие АФК и NO. Мелатонин, в свою очередь, может активизирующе воздействовать на митохондрии, обладающие способностью нейтрализовать АФК за счет улучшения эффективности окислительного фосфорилирования и уменьшения утечки электронов [13].
Благодаря его мощному антиоксидантному эффекту, мелатонин способен защищать от повреждений ДНК, вызванных ионизирующим излучением (ИИ), через различные механизмы воздействия на активные формы кислорода (АФК), описанные выше, а также через активацию ферментов репарации ДНК [14]. Исследования показали, что предварительное введение мелатонина способствует усилению экспрессии генов, вовлеченных в механизмы репарации ДНК, такие как негомологичное соединение концов и гомологичная рекомбинация [15].
Дополнительно к репарации ДНК мелатонин продемонстрировал способность влиять на гены, регулирующие апоптоз. Среди ключевых регуляторов апоптоза после воздействия радиации выделяются гены Bcl-2 и Bax [16]. После облучения ионизирующим излучением происходит снижение экспрессии Bcl-2 и увеличение Bax, что стимулирует апоптоз через активацию каспазы-3 и высвобождение цитохрома C из митохондрий.
Мохсени и его коллеги исследовали антиапоптотическую роль мелатонина на лимфоцитах периферической крови крыс. Их результаты показали, что мелатонин уменьшает апоптоз за счет снижения соотношения Bax/Bcl-2. Этот эффект был наиболее выражен при использовании более высоких доз мелатонина [17]. Исследователи также продемонстрировали, что предварительная обработка мелатонином перед облучением летальной дозой гамма-лучей приводила к 100 % выживаемости и сохранению кроветворной и желудочно-кишечной систем у мышей [18].
В высокочувствительных к радиации органах (костный мозг, ЖКТ и половые железы) ионизирующее излучение (ИИ) может вызывать не только апоптоз, но и воспаление, фиброз и некроз путем активации определенных сигнальных путей. Соотношение некроза к апоптозу прямо зависит от дозы облучения: Чем выше доза облучения, тем чаще возникают некротические и воспалительные реакции. Мелатонин способствует значительному уменьшению частоты этих осложнений после облучения ИИ. В эксперименте на крысах введение мелатонина показало снижение некроза и дегенерации нейронов, что уменьшило отек и гистопатологические изменения в головном мозге [19].
Путь NF-κB/NLRP3 является ключевым сигнальным путем, участвующим в секреции интерлейкина-1 и медиаторов воспаления после лучевой терапии. Исследования на животных показали, что мелатонин ингибирует этот путь, что способствует снижению мукозита и уменьшению кровотечений в кишечнике и языке [20]. Защитное действие мелатонина при мукозите, вызванном лучевой терапией, было подтверждено у пациентов с раком головы и шеи, не оказывая влияния на результаты лечения [21]. Также было подтверждено, что мелатонин может снижать радиационно-индуцированные воспалительные и фиброзные процессы в легких, сердце, коже и головном мозге [22].
Еще одним важным действием мелатонина является органоспецифическая радиоцитосенсибилизация. Исследователи предполагают, что низкий уровень мелатонина у женщин может быть связан с повышенным риском развития рака молочной железы [23]. Эстроген стимулирует пролиферацию клеток молочных желез через его рецептор, а также способствует нестабильности генома путем активации метаболизма, что способствует онкогенезу. Исследования показали, что мелатонин через рецептор мелатонина типа 1А (МТ1) ингибирует альфа-рецептор эстрогена (ERα) в клетках рака молочной железы человека [24].
Другие исследования показали, что мелатонин, изменяя биосинтез эстрогена, может увеличивать чувствительность клеток MCF-7 (клеточная линия инвазивной аденокарциномы протоков молочной железы) к ионизирующему излучению, что происходит в синергии. В одном из экспериментов клетки MCF-7 инкубировались в течение 7 дней с различными концентрациями мелатонина. После облучения клетки культивировались в течение недели, и затем оценивалось влияние мелатонина на регуляцию ароматазы, фермента, ответственного за биосинтез эстрогена. Результаты показали, что после облучения активность ароматазы была подавлена на 40 % [25].
Метформин
Метформин является самым известным противодиабетическим средством во всем мире. Он используется при лечении сахарного диабета второго типа и инсулинорезистентности. В дополнение к противодиабетическому эффекту метформина были обнаружены и другие интересные свойства: антиоксидантное, противоопухолевое действие, стабилизация генома, противовоспалительное действие и противофиброзное, которые могут быть полезны для его использования в качестве адъюванта в онкологии [26].
Некоторые экспериментальные исследования подтвердили антиоксидантное действие метформина. Это объясняется тем, что метформин является соединением, богатым водородом, а тот в свою очередь может взаимодействовать со свободными радикалами и нейтрализовать их. [27]. В дополнение к прямому антиоксидантному эффекту метформина, исследования показали, что он может поглощать свободные радикалы путем стимуляции антиоксидантной защиты в клетках [28]. Исследование, проведенное Obi В.С. и соавт., показало, что лечение метформином крыс, страдающих диабетом, уменьшает оксидантные повреждения за счет усиления продукции супероксиддисмутазы, глутатиона и каталазы [29]. Исследования на людях также показали, что применение метформина у больных сахарным диабетом значительно снижает уровень маркеров оксидантного стресса [30]. Метформин также влияет на дыхательную цепь переноса электронов. Причем описано два вида влияния: во-первых, это прямое подавление митохондриальной электронной цепи 1 (ETC 1), что приводит к снижению выработки супероксида и, соответственно, снижению его действия на ДНК [31]; во-вторых, это ингибирование ферментов семейства NADPH-оксидазы. [32] Также было показано, что метформин стимулирует активность цитотоксических лимфоцитов против раковых клеток [33]. Репаративный на ДНК эффект метформина связан с его стимулирующим действием на AMPK (AMP-activated protein kinase, фермент, участвующий в репарации ДНК) [34]. За счет этого же пути (AMPK) метформин способен стимулировать дифференцировку CD8+ Т-клеток памяти, однако механизм изучен не до конца. В модели CAR-T-клеточной терапии метформин также проявлял эффекты, способствующие цитотоксичности, что приводило к уменьшению роста опухоли. [35]
В последние годы было проведено несколько исследований для оценки потенциального радиопротекторного эффекта метформина в различных клетках [36]. В одном из таких исследований изучали потенциальный радиоцитопротекторный эффект метформина на стволовые клетки костного мозга мышей. Животным давали метформин в дозе 250 мг/кг за один день до и через одну неделю после облучения всего тела дозой 4 Грей. Результаты показали, что облучение вызывало хроническую выработку активных форм кислорода (АФК) и последующее вторичное повреждение ДНК в гемопоэтических стволовых клетках в течение нескольких недель. Однако лечение метформином значительно снижало выработку АФК и последующее повреждение ДНК.
Дальнейшие анализы показали, что повышенная продукция NADPH-оксидазы играла ключевую роль в хроническом окислительном стрессе. Метформин способен подавлять повышенную выработку NADPH-оксидазы. Кроме того, так как этот фермент играет важную роль в старении стволовых клеток, введение метформина также уменьшало старение, хотя не влияло на смягчение апоптоза в гемопоэтических стволовых клетках костного мозга. Дополнительно, метформин продемонстрировал повышенную активность антиоксидантных ферментов, таких как супероксиддисмутаза, глутатион и каталаза [37].
Другое исследование провело оценку радиоцитопротекторного действия метформина на лимфоциты человека перед облучением различными дозами: 1, 2, 3 и 4 Грей, а также при обработке двумя различными концентрациями метформина (10 и 50 мкм). Это исследование показало, что обработка лимфоцитов метформином в концентрации 50 мкм не вызывала генотоксичности, такой как образование микроядер и увеличение других маркеров повреждения ДНК, таких как дицентрики, ацентрики и кольца. Результаты также показали, что лечение метформином перед облучением улучшает образование микроядер, индукцию нуклеоплазматических мостиков и увеличивает индекс пролиферации облученных клеток. Дополнительно, анализ метафазы показал значительное уменьшение количества дицентриков, ацентриков и колец.
В отличие от предыдущего исследования, это исследование показало, что метформин снижает индукцию апоптоза в облученных клетках. Защитный эффект метформина был более заметен при концентрации 50 мкм по сравнению с 10 мкм [38]. Также было обнаружено, что лечение метформином уменьшает соотношение BAX (BCL2 Associated X, Apoptosis Regulator) к Bcl-2 (B-cell lymphoma 2), что приводит к уменьшению индукции апоптоза в лимфоцитах человека [39]. Кроме того, было показано, что лечение метформином может предотвратить снижение количества клеток периферической крови (эритроцитов, нейтрофилов, лимфоцитов и тромбоцитов) после радийодтерапии 131I рака щитовидной железы [40].
В дополнение к этим результатам, метформин показал, что благодаря стимуляции AMPK (AMP activated protein kinase) он уменьшает окислительное повреждение и усиливает антиоксидантную защиту против токсичности радиации и цисплатина [41].
Витамин С
Витамин С (аскорбиновая кислота) является самым известным витамином с антиоксидантными свойствами.
Уже в 1993 г. были доказаны его радиоцитопротективные свойства в эксперименте с введением изотопа йода I 131. Экспериментальной моделью был сперматогенез у мышей, а биологической конечной точкой – выживание головки сперматозоида. При введении небольшого нетоксичного количества витамина С с последующей аналогичной инъекцией йода 131 выживаемость 37 % сперматозоидов увеличилась в 2,2 раза по сравнению с выживаемостью у животных, получавших только радионуклид. Аналогичные результаты наблюдались также при содержании животных на диете, обогащенной 1 % витамина С.
Также исследовались высокие концентрации аскорбиновой кислоты при лучевой терапии пациентов с раком молочных желез. Было доказано, что внутривенное введение высоких доз витамина С снижает нейтрофильно-лимфоцитарное отношение (Neutrophil to lymphocyte ratio, NLR), что является показателем системного воспаления [42].
Donald Xhuti и соавт. обнаружили, что внутрибрюшинное введение 41 мг/кг аскорбиновой кислоты после облучения всего тела мышей в дозе от 7 до 8 Грей значительно увеличивало выживаемость. А также наблюдалось снижение индуцированного радиацией апоптоза в клетках костного мозга и восстановление функции кроветворения. Кроме того, после лечения аскорбиновой кислотой наблюдалось снижение вызванного радиацией уровня воспалительных цитокинов и свободных радикалов. Однако для человека такие дозы будут высокими, поэтому эти данные малозначимы для клинической практики [43].
Кроме того, аскорбиновая кислота в сочетании с N-ацетилцистеином, липоевой кислотой и бета-каротином значительно уменьшала количество разрывов ДНК в мононуклеарах периферической крови пациентов, перенесших сканирование костей с использованием 99mTc (изомер изотопа технеций-99) по сравнению с контрольной группой. Эффект объясняется способностью антиоксидантов поглощать свободные радикалы, которые образуются при взаимодействии между облучением и молекулами воды [44].
Однако в настоящее время имеются данные, указывающие на возможность преимущественного накопления витамина С в опухолевых клетках, что может снизить их чувствительность к оксидативному стрессу [45] и, как следствие, уменьшить эффективность цитотоксической терапии, что требует более тщательного исследования применения аскорбиновой кислоты в онкологии.
Витамин Е
Витамин Е (токоферол), наряду с аскорбиновой кислотой, является эффективным антиоксидантом среди всех витаминов. Кроме того, в настоящее время тщательно изучается и доказывается его сольный противоопухолевый эффект [46].
В исследовании Gu Y.H. и соавт. оценивали влияние витамина Е на рост опухоли во время лучевой терапии на мышиной модели. Модели были разделены на 4 группы, в первой лечили только витамином Е, во второй – сочетанием витамина Е и лучевой терапии, 3 – только лучевая терапия, 4 – контрольная группа. Чтобы оценить влияние на рост опухоли, клетки карциномы Эрлиха вводили в бедра мышей и сравнивали объемы опухоли и скорость ингибирования роста. Количество лейкоцитов было увеличено в первой группе по сравнению с таковым в контрольной группе. Величина восстановления лейкоцитов после лучевой терапии также была увеличена в пять раз. На это изменение в значительной степени повлияли изменения в лимфоцитах и моноцитах, а не в гранулоцитах. Витамин Е положительно влиял как на CD4+, так и на CD8+ Т-лимфоциты. Рост опухоли подавлялся не только при лучевой терапии, но и при приеме только витамина Е. Если облучение проводилось с витамином Е, рост опухоли заметно подавлялся [47].
Следующее исследование, служащее доказательством радиоцитопротективного действия витамина Е, было основано на лучшей приживаемости костных аллотрансплантантов при ортопедических хирургических вмешательствах в США. Стерилизация ионизирующим излучением является наиболее эффективным методом минимизации биологической нагрузки на костные аллотрансплантаты; однако радиация вызывает разрыв коллагеновой цепи, что приводит к снижению механической прочности аллотрансплантатов. Сочетание радиопротектора с сшивающим агентом дополнительно минимизировало деградацию коллагена и дополнительно сохранило механическую прочность аллотрансплантатов. Соединение кости-хозяина с аллотрансплантатом происходило быстрее на модели дефекта голени крысы с аллотрансплантатом, обработанным витамином Е, и комбинированным аллотрансплантатом, обработанным витамином Е, по сравнению с аллотрансплантатами, получавшими только облучение. Этот метод может обеспечить эффективную и равномерную радиозащитную обработку костного аллотрансплантата желаемой формы для стерилизации с улучшенной механической прочностью и биоинтеграцией [48].
Также было изучено радиоцитопротективное действие на слизистую оболочку тонкой кишки. Для этого среднюю часть тонкой кишки крысы хирургически экстериоризировали и разделяли с помощью шпал на отсеки, каждый из которых заполняли тестируемым раствором за 30 мин до введения рентгеновского облучения 1100 кГр. После того, как крыс умерщвляли 5 дней спустя, различные сегменты оценивали на выживаемость крипт, высоту слизистой оболочки и сохранность бокаловидных клеток. Просветляющие средства включали альфа-токоферолфосфат и альфа-токоферола ацетат. В отдельном исследовании пищевые добавки альфа-токоферола давали за 10 дней до облучения, и проводилась та же последовательность облучения. В результате количество клеток крипт тонкой кишки, высота слизистой оболочки и количество бокаловидных клеток были значительно защищены от радиационного воздействия путем предварительной обработки альфа-токоферолом с пищей и применения витамина Е в просвете. Причем нет разницы, вводится ли он в виде хронической системной пероральной предварительной обработки или в виде кратковременного местного применения [49].
Однако имеются данные об отрицательном эффекте переизбытка альфа-токоферола в организме. L. Lignitto и соавт. объяснили, что избыток витамина Е в организме статистически значимо увеличивает метастазирование аденокарциномы легкого. Поэтому, как правило, антиоксиданты не рекомендуются для терапии опухолевого процесса при значительном метастазировании [50].
Заключение
Таким образом, стоит отметить, что данные препараты являются очень перспективной отраслью развития современной науки онкологии, в частности профилактики лучевых осложнений. Препараты каждой группы имеют важные свойства, которые делают их потенциальными радиоцитопротекторами. Каждый препарат заслуживает особого внимания, но у них есть важное сходство – практически отсутствуют побочные эффекты при правильном их назначении и приеме в строго подобранных дозировках. А их различия – это их дополнительные полезные эффекты: у метформина – его первоначальная цель применения, противодиабетический эффект, соответственно, его следует назначать в качестве радиопротектора пациентам, страдающим сахарным диабетом 2 типа и инсулинорезистентностью. Мелатонин, за счет ингибирования альфа-рецептора эстрогена (ERa) – при раке молочной железы. А токоферол, имеющий собственное противоопухолевое действие, следует назначать, как и витамин С, в соответствии с клинической ситуацией. Кроме того, следует принимать во внимание, что в настоящее время также изучены и отрицательные эффекты витаминов С и Е, поэтому вопрос об их введении в клиническую онкологическую практику должен оставаться дискутабельным.