Несмотря на значительные усилия, предпринимаемые международным сообществом, злокачественные новообразования остаются одной из важнейших причин смертности в современном мире. По данным Всемирной организации здравоохранения в 2018 г. от этих заболеваний умерли 9,6 млн человек [1]. По данным GLOBOCAN 2018, IARC (Международного агентства по исследованию рака) Россия в 2018 г. заняла 5-е место в мире по числу смертей онкологических больных [2], заболеваемость в РФ на 100 тыс. населения составила 11,4 человека, ежегодно в РФ выявляются 1,67 млн новых пациентов [3].
К сожалению, эффективность стандартных видов в химио- и лучевой терапии для ряда злокачественных новообразований остается недостаточной. Это обусловлено различными причинами, в том числе развитием в опухолевых клетках резистентности к лекарственным препаратам [4] и выраженной токсичностью химио- и лучевой терапии [5]. Это стимулирует поиск новых терапевтических стратегий противоопухолевой терапии, направленных на селективное повреждение опухолевой ткани со снижением токсического действия на здоровые ткани.
Одним из эффективных методов противоопухолевой терапии является гипертермия опухолевой ткани, при которой в качестве источников тепла используются широкий диапазон излучения, начиная от радиочастот до микроволн, а также ультразвуковые волны [6]. Наиболее интенсивно исследуемым направлением гипертермической терапии в последние годы является лазерная терапия с использованием нанотермосенсибилизаторов, в том числе плазмонная фототермическая терапия с использованием плазмонно-резонансных золотых наночастиц [7].
Для термосенсибилизации опухолевых тканей используют различные виды золотых наночастиц: наносферы [8], нанооболочки [9], наностержни [10], наноклетки [11]. При воздействии на опухоль с накопившимися в ней золотыми наночастицами лазером с определенной длиной волны, близкой к плазмонной полосе поглощения наночастиц, осуществляют выраженный нагрев наночастиц, вызывающий термолиз опухолевых клеток, при этом окружающие здоровые ткани не повреждаются [12, 13]. В современной англоязычной литературе данный вид терапии получил название «плазмонная фототермическая терапия» или «плазмонно-резонансная фототермическая терапия» [14]. Наиболее часто используется спектральная настройка плазмонного резонанса золотых наночастиц в так называемом терапевтическом окне прозрачности тканей (750–1100 нм), где отмечается наибольшее проникновение лазерного излучения в биоткань [15]. Было показано, что золотые наностержни обладают оптимальными характеристиками для фототермической терапии из-за продолжительной циркуляции в кровотоке [16], коллоидной стабильности и легкой настройки их плазмонного резонанса к длине волны лазера путем изменения соотношения размеров наностержней [17]. Эксперименты in vitro и in vivo продемонстрировали наибольшую эффективность применения золотых наностержней по сравнению с наносферами и нанокубами для преобразования светового излучения в тепловую энергию [18, 19].
Селективное накопление наночастиц в опухолевой ткани достигается с использованием методик пассивной и активной доставки. Пассивное накопление наночастиц в опухолевой ткани происходит за счет так называемого эффекта повышенной проницаемости и задержания – EPR-эффекта [20]. Сосудистая сеть опухоли характеризуется неупорядоченной архитектоникой, расширенными и извилистыми сосудами, наличием артериовенозных шунтов, расширенных пор, нарушениями формы и структурной организации эндотелиальных клеток, что делает сосуды «дырявыми» [21]. Это обусловливает увеличенную проницаемость опухоли для белков плазмы и лекарственных средств, кроме того, скорость выведения из опухоли наночастиц снижена из-за недостатка функциональных лимфатических сосудов в опухоли.
Изменение размера, формы и характера покрытия наночастиц может увеличивать эффективность их накопления в опухоли [22]. Например, установлено, что поверхностная модификация золотых наночастиц с использованием полиэтиленгликоля препятствует их агломерации и повышает время циркуляции в системном кровотоке [23].
Активная доставка предусматривает модификацию поверхности наночастиц опухолевыми биомаркерами, способными специфически связываться с мембранами опухолевых клеток [24].
Успешное применение плазмонной фототермической терапии для лечения опухолей с использованием наночастиц требует решения ряда проблем, связанных с потенциальной токсичностью и биораспределением наночастиц, наиболее эффективным способом доставки наночастиц и неинвазивными методами мониторинга их накопления в опухоли, а также оптимизацией терапевтического протокола [25].
Для биомедицинских применений часто используют золотые нанооболочки с поглощением света в красной и ближней инфракрасной области спектра. Так, в исследовании D.P. O’Neal и соавторов (2004) авторы отметили выраженный терапевтический эффект у мышей с карциномой кишечника при внутривенном введении золотых нанооболочек и проведении в течение 3 минут облучения ИК-лазером с длиной волны 808 нм и плотностью мощности 4 Вт/см2 [26].
В исследовании A.M. Gobin и соавторов (2007) мышам с перевитой карциномой кишечника внутривенно вводили золотые нанооболочки диаметром 143 нм с диаметром ядра 119±11 нм и размером оболочки 12 нм. Через 20 часов на опухоль воздействовали ИК-лазером с длиной волны 808 нм и плотностью мощности 4 Вт/см2 в течение 3 минут. Авторы отмечали уменьшение объема опухоли в 2 раза на 12-й день после воздействия и увеличение продолжительности жизни мышей после фототермической терапии [27].
E.B. Dickerson и соавторы (2008) проводили сравнение эффективности интратуморального и внутривенного введения золотых наностержней на мышиной модели плоскоклеточной карциномы кожи. Было показано, что на 13-й день после фототермического воздействия при интратуморальном введении наностержней объем опухоли сокращался на 57% по сравнению с первоначальным, а в случае внутривенного введения – на 23% [28].
В исследовании in vitro G.Von Maltzahn и соавторами (2009) было показано, что PEG-покрытые золотые наностержни (ЗНС) в 6 раз быстрее нагреваются при облучении, чем при тех же концентрациях – золотые нанооболочки (ЗНО). В исследовании in vivo те же авторы установили, что ЗНС более длительно циркулируют в крови при внутривенном введении, чем ЗНО (17 ч и 4 ч соответственно). При внутривенном введении мышам c перевитой человеческой меланомой MDA-MB-435 покрытых полиэтиленгликолем золотых наностержней в высокой дозировке (20 мг/кг) при фототермолизe была достигнута полная резорбция опухоли [29]. Полученные результаты можно объяснить малым размером опухоли (объем порядка 0,5 см3) и высокой вводимой дозой золотых наночастиц.
С целью повышения уровня накопления наночастиц в опухоли в работе Z. Li и соавторов (2010) использовали золотые наностержни, функционализованные RGD-трипептидом, селективно связывающимся с рецепторами опухолевых клеток меланомы. Для облучения применяли ИК-лазер с высокой плотностью мощности 24 Вт/см2 [30]. Безусловно, подобный протокол не применим для использования в клинических условиях.
В исследовании J. Chen и соавторов (2010) мышам с перевитой глиомой линии U78 внутривенно вводили золотые наноклетки в высокой дозировке (9×1012 частиц). Дальнейшее облучение ИК-лазером с небольшой плотностью мощности 0,7 Вт/см2 позволило добиться значительного снижения метаболической активности опухолевых тканей [31].
В исследовании М.А. Сироткиной (2014) мышам линии СВА с раком шейки матки вводили однократно внутривенно золотые наноcтержни (размерами 50/10 нм и 60/15 нм, в дозе 250 мкг/кг), контроль накопления наночастиц в опухоли проводили с помощью ОКТ каждые 30 минут в течение 7 часов. При визуализации наибольшего накопления перевитую опухоль облучали диодного лазера с плотностью мощности 1,2–1,5 Вт/см2 в течение 20 минут. Применение наностержней размером 50/10 нм привело к торможению роста перевитой опухоли на 51% на 7-й день после лазерного воздействия, наностержней размером 60/15 нм – на 72% на 14-й день после лазерного воздействия [32]. Однако небольшая проникающая способность ОКТ – максимум до 2–3 мм [33] – ограничивает возможность контролировать накопление наночастиц методом ОКТ в опухолях мягких тканей.
Зарубежными авторами были предложены различные стратегии дозирования для увеличения накопления наночастиц в опухоли. J. Wang и соавт. [34] продемонстрировали максимальное накопление золота в опухоли и во внутренних органах через 24 часа и 72 часа соответственно после однократного внутривенного введения 200 мкл золотых наностержней (60±15 нм) с концентрацией золота 0,1 мг/мл мышам Balb c перевитой карциномой молочной железы 4T1. В работе P. Puvanakrishnan и соавт. [35] повторная стратегия дозирования была использована для внутривенного введения покрытых ПЭГ золотых наностержней (24 ± 7 нм) Swiss nu/nu мышам с перевитыми опухолями CRL-155.
В исследовании A.M. El-Saed и соавторов (2013) мышам Balb C с перевитой карциномой Эрлиха вводили внутривенно и внутритуморально раствор пегилированных ЗНС с размерами 60±5 и осевым соотношением 4,6 с максимумом поглощения 800 нм в дозировке 1,5 мг/кг каждые три недели. Максимальное накопление в перевитых опухолях наблюдалось через 3 суток после внутривенного введения, период полувыведения составлял 11,6 дня. Через 7 дней после каждого внутривенного введения на перевитую карциному Эрлиха воздействовали локально излучением диодного лазера с плотностью мощности 50 Вт/см2 в течение 2 минут, нагрев опухоли составил 79°С. Однако при данном способе терапии торможение роста опухоли наблюдалось только начиная с 22-го по 47-й день наблюдения [36].
В исследовании российских авторов было установлено, что трехкратное внутривенное введение золотых наностержней, покрытых полиэтиленгликолем, позволяет увеличить накопление наночастиц в опухоли при достаточной степени васкуляризации перевитых опухолей печени у крыс. Предложенный способ плазмонной фототермической терапии оказывает значительный повреждающий эффект на опухоль, проявлявшийся в выраженных некротических и дистрофических изменениях опухолевых клеток, сопоставимый с эффектом воздействия плазмонной фототермической терапии после интратуморального введения золотых наностержней [37].
Известно, что токсичность ЗНС непосредственно коррелирует с их накоплением в основном в органах ретикулоэндотелиальной системы, таких как печень и селезенка [38]. Таким образом, разработка оптимальной и безопасной стратегии дозирования внутривенных инъекций золотых наночастиц для эффективного накопления золота в опухолях и эффективной плазмонной фототермической терапии остается актуальной задачей дальнейших исследований. Нерешенной проблемой остается оптимальный выбор интервалов между внутривенным введением наночастиц и проведением плазмонной фототермической терапии; кроме того, небольшой подъем температуры при лазерной гипертермии, обусловленный недостаточным накоплением ЗНС, может вызывать продолженный рост опухоли.
Одним из перспективных экспериментальных методов терапии опухолей является фотодинамическая терапия (ФДТ), основанная на использовании фотосенсибилизаторов и лазерного излучения [39]. При облучении определенной длиной волны фотосенсибилизатор переходит в возбужденное состояние и инициирует образование синглетного кислорода и других свободных радикалов, необратимо повреждающих злокачественные клетки [40]. Наряду с высокой локальностью воздействия и хорошей переносимостью процедуры у ФДТ имеются и слабые стороны: недостаточное накопление фотосенсибилизатора в опухоли, низкая проникающая способность красной области спектра, на которую настроено подавляющее большинство фотосенсбилизаторов, невозможность терапии опухолей со слабой оксигенацией. Наиболее часто применяются фотосенсибилизаторы на основе порфирина, в том числе гематопорфирин [41].
Важными проблемами применения ФДТ остаются небольшая глубина проникновения света в ткани и медленная биодеградация фотосенсибилизатора, в результате чего ткани пациента длительно остаются чувствительными к свету [42]. Для оптимизации ФДТ терапии активно проводятся поиск новых и модификация существующих фотосенсибилизаторов, в том числе с использованием наночастиц [43].
Одной из важных тенденций развития экспериментальной и клинической онкологии является переход к комбинированному лечению опухолей с использованием нескольких методов [44]. С точки зрения повышения эффективности терапии перспективным видится сочетание фототермической и фотодинамической терапии в рамках одной процедуры. Для этого есть многочисленные предпосылки: сопряженность обоих методов с оптическим излучением, ускорение фотохимических реакций при повышении температуры, синергичное воздействие на опухолевые кровеносные сосуды, разобщенность максимальных терапевтических эффектов обеих процедур во времени, повышение термочувствительности клеток в условиях гипоксии, вызываемой фотохимической реакцией, и т.д. [45]. Для сочетания фототермического и фотодинамического воздействий предполагается использование нанокомпозитов, в составе которых можно выделить три основных элемента: золотое ядро, детерминирующее нагрев, кремнеземную оболочку (содержащую инкапсулированные молекулы фотосенсибилизатора) и фотосенсибилизатор, ответственный за фотохимическую реакцию [46]. В ряде работ была отмечена низкая цитотоксичность подобных нанокомпозитов [47, 48], однако данные об экспериментах in vivo с их использованием немногочисленны [49, 50].
Так, в исследовании B. Jang и соавт. (2011) мышам с перевитыми опухолями внутривенно вводили нанокомпозиты на основе золотых наностержней с фталоцианином алюминия, через неделю рост опухоли уменьшился на 79% при использовании только фотодинамической терапии (ФДТ) и на 95% – при использовании комбинированной фотодинамической и фототермической терапии [49].
В исследовании G. Terentyuk и соавт. (2014) крысам с перевитыми опухолями печени внутритуморально в объеме 30% от объема опухоли вводили нанокомпозиты на основе золотых наностержней с гематопорфирином, дальнейшее наблюдение за животными проводили в течение 21 дня. При воздействии только фотодинамической терапии отмечали умеренное торможение роста опухоли – в среднем на 20%. Плазмонная фототермическая терапия и сочетанное воздействие фотодинамической и фототермической терапии с использованием нанокомпозитов приводили к резкому снижению объема опухоли – до 90% через 3 дня после облучения. Снижение объема опухолей и дальнейшее торможение их роста было обусловлено выраженными некротическими процессами в опухолевой ткани. Однако к 21-м суткам у животных авторы отметили возобновление роста опухолей. Авторы предположили, что наблюдаемый рецидив опухоли может быть обусловлен неравномерным пространственным распределением плотности мощности ИК лазера и недостаточным проникновением лазерного облучения в ткань опухоли [50].
Наряду с перспективностью использования подобных конструкций для комбинированной терапии имеется целый ряд проблем и вопросов, связанных с их использованием. Они касаются в том числе подбора оптимальных доз препарата и мощностей излучения, количества сеансов, длительности воздействия, способа введения композитов в организм, наиболее эффективного сочетания терапевтических воздействий, а также способов усиления степени проникновения вглубь биологических тканей лазерного излучения.
Таким образом, для развития и последующего внедрения в клиническую практику методик лечения на основе плазмонной фототермической и фотодинамической терапии с использованием золотых наночастиц необходимы совершенствование протоколов физических воздействий, разработка оптимальных стратегий дозирования для увеличения накопления наночастиц в опухоли и тщательная оценка их возможного токсического воздействия на организм. Решение поставленных задач позволит открыть новые перспективы в лечении онкологических заболеваний и решить некоторые фундаментальные проблемы наноонкологии, касающиеся механизма комбинированного воздействия наночастиц и излучения на патоморфоз перевитых опухолей.
Библиографическая ссылка
Бучарская А.Б. ПЛАЗМОННАЯ ФОТОТЕРМИЧЕСКАЯ И ФОТОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ ОПУХОЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЗОЛОТЫХ НАНОЧАСТИЦ // Современные проблемы науки и образования. – 2019. – № 3. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=28928 (дата обращения: 18.04.2024).