Современная квантовая технология в диагностике и лечении рака легких: перспективы развития

В чем суть фотодинамической терапии рака легкого? С чем связаны ограничения этого метода на современном этапе? За последние два десятилетия появилось значительное число сообщений о весьма успешном клиническом применении высокоэнергетических




РЕКЛАМА

В чем суть фотодинамической терапии рака легкого?
С чем связаны ограничения этого метода на современном этапе?

За последние два десятилетия появилось значительное число сообщений о весьма успешном клиническом применении высокоэнергетических лазеров при злокачественных поражениях легких [8]. С учетом того, что луч высокоэнергетического лазера устраняет нарушение проходимости дыхательных путей, вызванное опухолью, разрешает ателектаз и обструктивную пневмонию, улучшает вентиляцию легких, его можно использовать в паллиативной терапии неоперабельных онкологических больных с обструкцией трахеобронхиального дерева и в качестве этапа подготовки к хирургическому пособию в сочетании с химио- и радиотерапией [2].

Если говорить о современных квантовых технологиях, используемых в онкологии, следует отметить, что в последнее время приоритетное значение приобрели низкоэнергетические технологии. Среди них методы диагностики злокачественных опухолей, основанные на эффекте низкоэнергетической индуцированной флюоресценции, занимают особое место.

Высокая информативность методов лазерной флюоресцентной диагностики живых опухолевых тканей обусловлена главным образом существующей взаимосвязью между особенностями их спектральных характеристик и функциональным состоянием отдельных клеточных структур, входящих в состав единой биологической системы [1].

Наиболее известным методом в этом направлении являлась диагностика рака по флюоресценции экзогенных красителей — фотосенсибилизаторов (ФС), которые после предварительного введения определенным образом накапливаются в злокачественных опухолях [7].

К сожалению, широкое применение данного метода в клинической практике затруднено по ряду причин, в том числе в связи с недостаточной селективностью накопления в опухолях и неоднородностью химического состава тканей. Кроме того, сравнительно небольшая глубина проникновения в биоткань низкоинтенсивного лазерного излучения, используемого для возбуждения флюоресценции ФС, не позволяет проводить эффективную диагностику новообразований легкого, локализованных интрамурально (эндофитно растущие опухоли и т. д.).

Вместе с тем еще в начале века было хорошо известно явление собственной флюоресценции биологических тканей, проявляющееся, например, в специфическом красном свечении злокачественных опухолей при их освещении ультрафиолетовым (УФ) светом [1]. Объективные трудности, связанные с регистрацией аутофлюоресценции (АФ), обладающей низким (на два-три порядка ниже, чем у ФС) квантовым выходом, привели к тому, что большинство авторов рассматривали собственную флюоресценцию лишь как фоновое явление при проведении диагностики фотосенсибилизированных биотканей [5]. В то же время в некоторых работах приводятся данные, свидетельствующие о специфических особенностях аутофлюоресцентных свойств раковых и нормальных тканей человека [6], которые можно было бы использовать в целях онкологической диагностики. Спектры люминесценции в этих работах авторы измеряли в диапазоне 300-850 нм. По соотношению интенсивности флюоресценции в сине-зеленом диапазоне спектра, характеризующей в основном флюоресценцию молекул NADH, к интенсивности флюоресценции в зелено-красном диапазоне (флюоресценция собственно эндогенных порфиринов) оценивали диагностическую контрастность (ДК) исследуемых тканей, показывающую, во сколько раз интенсивность флюоресценции исследуемой ткани в зелено-красном диапазоне выше, чем в нормальной слизистой, что позволяло идентифицировать злокачественное новообразование.

По измеренному соотношению интенсивности рассеянной лазерной линии и максимальной величины интенсивности флюоресценции оценивают диагностическую контрастность (ДК), показывающую, во сколько раз интенсивность флюоресценции опухолевой ткани выше интенсивности флюоресценции нормальной слизистой.

     I ф.о.     I ф.н.ДК =  —————  :  —————     I р.о.     I р.н.   

где I ф.о., I ф.н. — интенсивность флюоресценции опухоли и нормальной слизистой соответственно;

I р.о., I р.н. — интенсивность рассеянного лазерного компонента в опухоли и нормальной слизистой соответственно.

По результатам экспериментальных данных и после сопоставления с данными морфологического анализа авторами было установлено, что при ДК > 2 можно судить о злокачественном перерождении ткани, причем чем выше ДК, тем выше степень малигнизации (рис. 1).

Рисунок 1. Схематическое изображение спектров флюоресценции нормальной слизистой здорового легкого (1) и опухолевой злокачественной легочной ткани (аденокарцинома), полученных при проведении бронхоскопии (2). Флюоресценцию возбуждали He-Ne лазером (длина волны 633 нм)

Обследование осуществляется следующим образом. Во время проведения эндоскопии через биопсийный канал бронхоскопа вводят волоконно-оптический катетер, который предназначен для подведения возбуждающего лазерного излучения красного диапазона спектра к ткани, и одновременно регистрируют рассеянный лазерный компонент, а также спектр флюоресценции, например, при возбуждении флюоресценции He-Ne лазером мощностью 5-15 мВт [4] (рис. 2).

Подобный лазерно-спектральный анализ исключительно удобен в оценке выраженности эффекта фотодинамической терапии (ФДТ) рака легкого.

За истекшие десять лет в России и за рубежом накоплен значительный опыт лечения злокачественных новообразований легких с помощью метода ФДТ. В основе метода ФДТ злокачественных новообразований лежит катализируемое светом (источники лазерного излучения в ИК, видимом и в УФ-диапазонах) разрушение фотосенсибилизированных (порфиринами, хлоринами и другими красителями, действующими в соответствующих длинах волн) опухолей [9].

Механизм гибели фотосенсибилизированных опухолевых клеток под действием света до конца не известен, однако принято считать, что главным цитотоксическим агентом, возникающим при активации светом порфиринов, является синглетный кислород. Установлено, что в результате действия синглетного кислорода и образующихся при его участии продуктов (гидроксильных радикалов и перекисей) появляются дефекты в механизме мембранного транспорта клеток, нарушается окислительное фосфорилирование в митохондриях, развивается фотодеструкция таких биологически важных макромолекул, как нуклеиновые кислоты, белки и фосфолипиды. Многие исследователи считают, что наряду с прямой фотоиндуцированной деструкцией клеток опухоли для развития классического фотодинамического эффекта в тканях должно иметь место повреждение микрососудов за счет повреждения в них эндотелия.

Препараты, используемые в качестве фотосенсибилизаторов, по сравнению со здоровыми тканями обладают значительной фотодинамической активностью и достаточно высоким контрастом накопления в зонах опухолевого роста, достигающим в отдельных случаях значений 2-4.

Рисунок 2. Схема лазерного многоканального оптического волоконного бронхоскопа-спектроанализатора Адаптировано из патента РФ № 4955489/14 от 25. 06. 90 г. Лощенов В. Б., Кузин М. И., Логинов Л. Е. с соавт. [4]

Однако недостаток ФДТ рака легкого обусловлен тем, что у отдельной категории больных из-за особенностей гомеостаза не достигается приемлемого для ФДТ накопления препарата в зонах опухолевого роста и нет достаточно высокого контраста накопления. Это приводит к снижению лечебной эффективности ФДТ, необходимости введения в организм значительных доз препарата, что в дальнейшем может вызвать негативные побочные эффекты. Поэтому высока потребность в веществах или таких факторах воздействия, которые в комбинации с другими способами лечения могли бы увеличить чувствительность онкоклетки к лекарственному средству.

K. S. Zanker и R. Kroczek, исследуя концепцию о том, что химическая активность озона зависит от окислительных свойств (а точнее, от активных форм кислорода и свободно-радикального механизма окисления), доказали в эксперименте на культурах злокачественных клеток бронхолегочной системы, что озон, применяемый в комбинации с химиотерапией 5-флюороцилом в соответствующей концентрации, уменьшает резистентность раковых клеток и повышает терапевтическую эффективность без увеличения токсичности [18].

B 1996-1997 годах в МЦ совместно с лабораторией лазерной биоспектроскопии ИОФ РАН решалась задача повышения лечебной эффективности ФДТ рака легкого с использованием озонированных в терапевтических концентрациях растворов (озонотерапия) для системного и местного введения (0,9%-ный физиологический раствор, 5%-ный раствор глюкозы, раствор Рингера, раствор Дарроу и другие) за счет активации фотохимической реакции, усиления пенетрации и накопления фотосенсибилизатора в онкоклетках, увеличения коэффициента абсорбции лазерного излучения опухолевой тканью, в результате чего существенно возрастал фотодинамический эффект [3].

В сериях экспериментальных исследований in vitro на клетке-мишени установлено, что озонолиз усиливает цитотоксическое фотохимическое действие фотосенсибилизатора в биосистеме до 20-30%.

Для изучения возможности озоно-ФДТ злокачественных опухолей легких при местном введении фотосенсибилизатора на беспородных белых мышах с перевитой карциномой Эрлиха (локализация — правая задняя лапка) проведено две серии опытов.

В первой серии (основная группа) животным в ложе опухоли вводили озонированный 0,9%-ный раствор натрия хлорида объемом 0,2 мл, где концентрация озона составила 3,8 мкг/мл, и 0,2 мл раствора, содержащего фталоцианин алюминия с концентрацией 0,1-0,4 мг/мл и альбумин человеческий с концентрацией 5 мг/мл. Во второй серии (контрольная группа) вводился аналогичный раствор фталоцианина и альбумина, но без сочетания с озонированным 0,9%-ным раствором натрия хлорида.

В обеих группах проводилось два сеанса ФДТ (мощность Kr-лазера — 300 мВт), продолжительность — 15 мин каждый. В основной группе у всех животных отмечен сухой некроз всей массы опухоли, что подтверждено последующим гистологическим исследованием. В контрольной группе терапия не привела к видимым изменениям в опухоли. При флюоресцентно-спектроскопическом контроле содержания фотосенсибилизатора в тканях организма в ходе озоно-ФДТ в основной группе терапевтическая концентрация фталоцианина алюминия отмечалась во всей массе опухоли, в то время как в контрольной группе содержание фталоцианина алюминия в опухоли было неравномерным и значительно ниже терапевтического.

Экспериментальные исследования in vivo показали, что данный способ позволяет достичь большего накопления и равномерного распределения препарата в опухоли как при местном, так и при внутривенном его введении.

Можно выделить следующие механизмы действия озоно-фотодинамического эффекта. Первый обусловлен усилением фотохимической реакции. Этот эффект достигается благодаря тому, что в реакционной среде увеличивается содержание О2, его активных форм — ингредиентов фотохимической реакции. Следующий механизм обусловлен тем, что продукты озонолиза усиливают пенетрацию и фиксацию фотосенсибилизатора в структурах онкоклетки, а это способствует более быстрой и полной утилизации фотосенсибилизатора из системного кровотока и облегчает его накопление в опухолевой ткани (кроме того, при высоких концентрациях озона возможен дополнительный цитотоксический эффект, носящий не суммарный характер с фотодинамическим).

Способ озоно-ФДТ осуществляется следующим образом. Предлагаемый озонированный раствор готовят исходя из традиционных принципов озонотерапии. Например, непосредственно перед сеансом ФДТ в 0,9%-ный раствор хлорида натрия объемом от 200 до 400 мл для внутривенного введения в течение 10-20 мин подается воздушная смесь, содержащая не менее 1 мг/м3 озона, до достижения в последнем концентрации озона равной 3,8 мкг/мл. Насыщенный озоном раствор хлорида натрия вводится внутривенно капельным способом до или во время ФДТ, после введения фотосенсибилизатора. Далее производится эндоскопия трахеобронхиального дерева с последовательным его осмотром с целью установления локализации опухоли, характера ее роста и распространенности сопутствующего воспалительного процесса. После осмотра и аспирации избыточного секрета к исследуемой поверхности опухоли подводят лазерное излучение в красном (или видимом) диапазоне спектра, например Не-Ne-лазера мощностью 5-15 мВт, через волоконно-оптический катетер, соединенный с многоканальным оптическим спектроанализатором. В процессе эндоскопии проводят одновременное измерение интенсивности рассеяния облучаемой ткани, используемой для возбуждения собственной флюоресценции, и измерение спектра флюоресценции в диапазоне 650-850 нм (при использовании видимого излучения — в диапазоне 530-650 нм), оценивают ДК.

Затем через биопсийный канал бронхоскопа вводят волоконно-оптический катетер (с шаровидным или цилиндрическим диффузором), который предназначен для проведения лечебного лазерного излучения от лазера Кr (647 нм) или Ar (514 нм). Плотность мощности лазерного излучения при сеансах ФДТ колеблется от 100 до 1600 мВт/см2; энергетическая экспозиция — от 80 до 600 Дж/см2; продолжительность облучения — от 15 до 30 мин, в зависимости от типа лазера. После сеанса озоно-ФДТ повторно осуществляется флюоресцентно-спектроскопический контроль.

Наиболее эффективно решается задача повышения лечебной эффективности ФДТ при следующих характеристиках препаратов в используемых растворах: фотосенсибилизатор — 0,005-2,0 мг/кг; озон в растворе для системного применения — 3,8 мкг/мл и более; озон в растворе для местного введения — более 3,8 мкг/мл.

Выполненные в МЦ клинические исследования за 1998-1999 годы в области использования электрохимической технологии при лечении гнойно-воспалительной патологии бронхолегочной системы позволяют рекомендовать для эксперимента in vitro и in vivo иной режим озоно-ФДТ. Непосредственно во время сеанса ФДТ рекомендуется использовать раствор, например 0,9%-ный раствор хлорида натрия объемом от 200 до 400 мл, в режиме постоянного барботирования озонокислородной смесью с заданной концентрацией озона, равной 1200 мкг/л, что даст возможность поддерживать постоянную концентрацию озона, и свободных радикалов в течение всего сеанса ФДТ для достижения оптимального лечебного эффекта.

Дальнейшие клинико-экспериментальные исследования оптимизации режима ФДТ с использованием химического фактора воздействия определят возможности как радикального, так и паллиативного лечения наиболее сложной группы больных раком легкого, резистентных к известным традиционным методам терапии.

Литература

1. Барышев М. В. Лазерная флюоресцентная диагностика несенсибилизированных биотканей // Автореф. дис. ... канд. мед. наук. М., 1993.
2. Бирюков Ю. В., Астрожников Ю. В., Русаков М. А., Еремина Г. В., Гуреева Х. Ф., Лопатина О. П. Трахеобронхиальная эндоскопическая хирургия: Обзорная информация. Вып. 5/ВНИИМИ. М., 1987.
3. Логинов Л. Е., Торшина Н. Л., Волкова А. И., Посыпанова А. М. Озоно-фотодинамический эффект в эксперименте in vitro // VI Национальный конгресс по болезням органов дыхания. Новосибирск, 1996, с. 198.
4. Лощенов В. Б., Барышев М. В., Кузин М. И., Логинов Л. Е., Заводнов В. Я. Диагностика рака легких и желудка человека по собственной флюоресценции. Патент РФ № 4955489/14 от 25. 06. 90 г.
5. Aizava K. Endoscopic detection of hematoporphyrin derivative fluorescence in tumors. In: Lasers and Hematoporphyrin Derivative in Cancer. Tokyo. 1983: 21-24.
6. Alfano R. R. et al. Method for detecting cancerous tissue using visible native luminescence. US patent № 4, 930, 516 Jun. 5, 1990. 7. Dougherty T. J. Photodynamic Therapy. Clinics in Chest Medicine, 1985; v. 6, № 2: 219-236.
8. Gelb A. F., Epstein J. P. Laser in treatment of lung cancer // Chest. 1984; 86: 662-666.
9. Loh C. S., Bedwell J., Robert A.J., Krasner N., Philips D., Bown C. G. Photodynamic therapy of the normal rat stomach: a comparative study between disulphonated aluminium phtalocyanine and 5-aminolaevuline acid // J. Cancer. 1992; 66: 452-462.
10. Loschenov V. B., Poleshkin P. V., Stratonnikov A. A., Torshina N. L. The spectroscopy analysis of tissues in vivo. SPIE Vol. 2370. Laser Applications in Life Sciences. 1994: 500-508.