Фотодинамическая терапия: история становления и развития метода лечения новообразований

Введение. Разработка новых эффективных методов лечения новообразований представляет собой важную задачу как для гуманной медицины, так и для ветеринарии, поскольку рак продолжает оставаться актуальной проблемой, несмотря на значительные достижения науки в области диагностики и лечения опухолей. Одним из современных и перспективных подходов к лечению онкологических, а также кожных и инфекционных заболеваний является фотодинамическая терапия (ФДТ) — метод, характеризующийся безопасностью, нетоксичностью, минимизацией угнетения иммунной системы, низкой инвазивностью [1]. С молекулярной точки зрения на эффективность ФДТ влияют три ключевых фактора, необходимые для химической реакции [2]:

1. Фотосенсибилизатор — химическое вещество, которое при воздействии света определенной длины волны становится активным и генерирует активные формы кислорода, действующего на клетки. Фотосенсибилизаторы могут быть органическими или неорганическими химическими соединениями.
2. Свет подходящей длины волны — для активации фотосенсибилизатора необходимо использовать свет определенной длины волны, которая соответствует диапазону поглощения фотосенсибилизатора. Наиболее часто используемым источником света является лазер или светодиод.
3. Растворенный кислород в клетках — наличие кислорода в клетках имеет решающее значение для эффективности ФДТ, поскольку процесс включает активацию фотосенсибилизатора светом, что приводит к преобразованию кислорода в клетке в синглетный кислород, который затем атакует и уничтожает раковые клетки или патогены.

Цель данной статьи — проследить исторический путь развития фотодинамической терапии, проиллюстрировав данными об открытиях в этой области и успешном применении метода в лечении человека и животных; показать эффективность ФДТ по сравнению с традиционными методами лечения и перспективность дальнейших исследований в данном направлении.

История становления и развития фотодинамической терапии. Первые упоминания о лечении болезней с помощью фотохимиотерапии можно найти в литературе Древнего Египта, Китая и Индии. Уже тогда врачи использовали для лечения витилиго и псориаза природные фοтοсенсибилизатοры (хоть и не знали этого слова) — псоралены, содержащиеся в пастернаке, петрушке, зверобое, черных семенах растения бейвечи (Psoralena corylifolia), — заметив, что соединения в составе этих трав способны активизироваться при попадании солнечного света [3][4]. Исторические упоминания о лечении различных заболеваний с помощью воздействия солнечного света на человеческое тело (гелиотерапия) можно найти в трудах известных ученых Древней Греции, например Геродота [5].

Качественный скачок в развитии фотодинамической терапии произошел в конце XIX в. благодаря датскому физиотерапевту Н. Финзену, который изучал влияние солнечного света на живые организмы. В 1893 г. Финзен опубликовал результаты своих исследований по применению красного света для лечения ветряной оспы, что способствовало предотвращению нагноения пузырьков. В 1903 г. ученый был удостоен Нобелевской премии за достижения в области фотодинамики [6].

В 1900 г. в лаборатории австрийского фармаколога Г. фон Таппейнера студент-медик О. Рааб впервые открыл кислородно-зависимую фотохимическую реакцию. Он экспериментально установил, что определенные красители в присутствии кислорода и солнечного света способны вызывать быструю гибель клеток парамеции: инфузория-туфелька погибала при воздействии комбинации раствора акридинового красителя и дневного света, а при отсутствии красителя или при наличии его в темноте — выживала [3][4][7].

В 1903 г. Таппейнер и А. Джезионек разработали собственную технологию ФДТ и провели первые сеансы лечения таких заболеваний, как волчанка, псориаз и рак кожи. В качестве фотосенсибилизатора они использовали 1 % раствор эозина, осуществляя длительное облучение солнечным или искусственным светом с применением дуговой лампы [3][4][7]. В то же время Таппейнер ввел в научный лексикон термины «фотосенсибилизаторы» и «фотодинамическое действие», что позволило отделить данный эффект от фотохимических процессов, наблюдаемых в фотографии [8].

На протяжении последующих лет метод фотодинамической терапии претерпел значительные изменения и усовершенствования, связанные с разработкой первых сенсибилизаторов на основе порфиринов. В 1911 г. В. Гаусманн провел эксперимент, который показал, что клетки парамеции погибают при облучении светом лампы в питательной среде гематопорфирина [9]. В 1912 г. данное вещество было впервые испытано на человеческом организме: немецкий врач Ф. Мейер-Бетц ввел себе внутривенно 200 мг гематопорфирина, результатом чего стала солнечная фоточувствительность организма в виде отека и гиперпигментации, длившаяся около двух месяцев [10].

В 1924 г. французский исследователь A. Поликар провел исследования на животных со злокачественными опухолями, вводя им гематопорфирин и затем облучая область опухоли ультрафиолетом: злокачественные образования флюоресцировали в оранжево-красной области спектра — этот эффект был обусловлен наличием белков порфиринов в опухолевых клетках [11][12].

В 1942 г. два ученых из Берлина Г. Банзер и Г. Аулер решили исследовать и оценить процесс накопления и флуоресценции порфиринов, вводимых в организм экзогенно. Они отметили красную флюоресценцию после подкожного и внутримышечного введения гематопорфирина в первичной опухоли и в метастазах у крыс [13][14], что говорило о накоплении гематопорфирина как в первичных опухолях и метастазах, так и в лимфатических узлах. Воздействие на них светом дало положительные результаты [15].

В 1948 г. американский ученый Ф. Фигг с коллегами провели эксперимент с участием 240 мышей с перевитыми опухолями, которым были введены различные порфирины: гематопорфирин, протопорфирин, копропорфирин и цинкгематопорфирин. Наблюдения показали, что в течение 24–48 ч. все указанные вещества накапливались в опухолях. После этого периода флуоресценция сохранялась в течение 10–14 дней [16]. Однако применение этих порфиринов в качестве фотосенсибилизаторов для ФДТ было затруднено из-за высокой кожной фототоксичности.

В 1960-х гг. Р. Липсон провел значительное исследование, направленное на усиление гематопорфирина в опухолевой ткани. Эксперимент включал обработку гематопорфирина серной и уксусной кислотами, за которой следовал щелочной гидролиз. В результате этого был получен гематопорфирин-дериват, который впоследствии нашел применение в флуоресцентной диагностике различных онкологических заболеваний, включая рак легких, шейки матки и желудка [17]. В 1966 г. Липсон и его команда успешно применили этот дериват при лечении у пациентки рецидивирующей язвенной опухоли молочной железы, которая возникла вновь всего через несколько недель после завершения курса лучевой терапии. Данное исследование стало важным шагом в развитии методов диагностики и лечения онкологических заболеваний, открывая новые горизонты для применения фотодинамической терапии.

В 1966–1967 гг. были проведены исследования, направленные на оценку эффективности различных сенсибилизирующих агентов, среди которых выделялся метиленовый синий. Результаты экспериментов продемонстрировали его превосходство по сравнению с ранее применяемыми реагентами. В частности, отмечалось значительное разрушение опухолевых тканей, а также успешное заживление ран, возникших в результате нежелательных повреждений [18].

В 1974 г. был зарегистрирован первый препарат для фотодинамической терапии под названием «Фотофрин I». Препарат был получен из смеси гематопорфиринов с использованием метода мембранной фильтрации. В 1975 г. профессор Т. Доэрти, возглавляющий Центр фотодинамической терапии при Институте исследования рака в Баффало (США), провел успешное лечение 50 % опухолей молочной железы у мышей и карциносарком Walker 256 у крыс. Свой опыт он проводил с применением «Фотофрина I», который накапливался в таргетных тканях, после чего его активировали красным светом, выделявшимся из излучения ксеноновой лампы оптическими фильтрами [16][17].

С 1978 г. началось широкое клиническое применение фотодинамической терапии в области онкологии. Т. Доэрти опубликовал результаты успешного применения ФДТ у 25 пациентов, страдающих базальноклеточным и плоскоклеточным раком кожи, меланомой, а также рецидивирующими и метастатическими опухолями кожи и молочной железы. Облучение новообразований осуществлялось с использованием ксеноновой лампы через 24–160 ч после введения фотосенсибилизатора [17]. В дальнейшем данный метод лечения начал активно развиваться в Японии, Германии, Китае, Франции, Великобритании и других странах.

В 1980-х гг. Доэрти с коллегами выделили активную фракцию гематопорфирина, получившую название «Фотофрин II», которая отличалась от «Фотофрина I» большей селективностью накопления в опухолевых тканях и выраженным противоопухолевым эффектом. «Фотофрин II» на протяжении длительного времени оставался единственным фотосенсибилизатором, разрешенным для лечения онкологических заболеваний кожи и слизистых оболочек во многих странах [19][20].

В 1985 г. женщина-ученый Б. Хендерсон описала, что при проведении ФДТ происходит повреждение сосудов, которые питают опухолевые клетки в процессе их роста и прогрессирования. Этот механизм стал одним из ключевых аспектов деструкции опухолей при применении данного метода лечения [21].

Следует отметить, что развитие метода фотодинамической терапии и повышение его эффективности значительным образом связано с разработкой, внедрением и использованием лазеров. В 1964 г. ученые Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч.Х. Таунс были удостоены Нобелевской премии по физике за выдающиеся достижения в области квантовой электроники. Их фундаментальные исследования стали основой для создания генераторов и усилителей на основе лазерного принципа. Данные исследования не только открыли новые горизонты в физике, но и послужили катализатором для разработки разнообразных типов лазеров, которые впоследствии нашли широкое применение в различных областях науки, включая медицину.

В 1986 г. в Советском Союзе был учрежден Научно-исследовательский институт лазерной хирургии Министерства здравоохранения СССР, который возглавил профессор О.К. Скобелкин — врач-хирург, заслуженный деятель науки РСФСР и основоположник лазерной медицины в стране. В своей научной деятельности профессор сосредоточился на исследованиях, направленных на создание отечественного фотосенсибилизатора и разработку лазерного аппарата для фотодинамической терапии [22].

В 1980-х гг. в институте биофизики Минздрава СССР под руководством профессора Г.В. Пономарева был разработан препарат «Димегин» на основе природного протогемина [23]. В 1990 г. в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова под руководством профессора А.Ф. Миронова был синтезирован первый отечественный фотосенсибилизатор из группы производных гематопорфирина «Фотогем» [24].

Довольно известным на сегодняшний день представителем фотосенсибилизаторов из группы порфиринов является 5-аминолевулиновая кислота (5-АЛК) — естественный предшественник эндогенного фотосенсибилизатора протопорфирина IX (ПП-IX). Впервые его применил в 1990 г. канадский ученый Дж. Кеннеди. Механизм действия основывался на способности опухолевых клеток накапливать в себе фотоактивный протопорфирин IX в присутствии экзогенной 5-АЛК [8].

В 1994 г. в Государственном научном центре «НИОПИК» под руководством профессоров Е.А. Лукьянца и Г.Н. Ворожцова завершились клинические испытания фотосенсибилизатора второго поколения — «Фотосенс», представляющего собой сульфированный фталоцианин алюминия. На сегодняшний день «Фотосенс» успешно применяется для лечения злокачественных опухолей различной локализации благодаря своей высокой биологической активности: препарат демонстрирует интенсивный диапазон поглощения в красной области спектра с длиной волны 670–675 нм. В дальнейшем, под тем же руководством, был разработан препарат «Аласенс», основанный на 5-АЛК, который также находит применение в лечении кератозов, базальноклеточного рака, рака мочевого пузыря, опухолей головного мозга, желудка [13].

Поскольку фотосенсибилизаторы первого поколения на основе производных гематопорфирина обладают рядом недостатков (медленно накапливаются в тканях опухоли, имеют довольно низкую терапевтическую эффективность и при этом длительный период кожной фототоксичности после проведенного лечения, что значительно снижает качество жизни пациентов), дальнейшие исследования в данной области были направлены на развитие фотосенсибилизаторов второго поколения, которые бы обладали широкой полосой поглощения в красной области спектра [25]. На сегодняшний день препараты на основе 5-АЛК зарегистрированы в Норвегии — Metvix (PhotoCure ASA), Канаде — Levulan (DUSA Pharma), Республике Беларусь — Аламин (Институт биоорганической химии НАН Беларуси) [16].

В период 1994–2001 гг. в России проводились исследования по разработке технологий, направленных на извлечение из растительного сырья комплекса биологически активных хлоринов, среди которых основным компонентом являлся Е6 [26]. В 2002 г. в компании ООО «Рада-Фарма» под руководством кандидата химических наук А.В. Решетникова был осуществлен синтез отечественного фотосенсибилизатора «Радахлорин» на основе хлорина Е6. А в 2004 г. в ООО «Вета-Гранд» под руководством профессора Г.В. Пономарева на основе Е6 был синтезирован «Фотодитазин».

На сегодняшний день в клинической практике широко применяются следующие производные хлоринового ряда: «Фоскан» (Biolitec AG, Германия), «Вертепорфин» (Novartis Pharma, Швейцария), «Талопорфин» или «Лазерфирин» (Япония) [26]. Они позволяют целенаправленно воздействовать на опухолевые клетки с помощью световых волн определенной длины, разрушая их. Разработка подобных препаратов имеет большое значение для медицины и ветеринарии и открывает новые возможности в лечении сложных заболеваний.

В 2001 г. в Беларуси на базе Республиканского унитарного предприятия «Белмедпрепараты» был разработан фотосенсибилизатор третьего поколения под названием «Фотолон». Основное отличие препаратов данного поколения заключается в использовании технологии смешивания молекул фотосенсибилизаторов с молекулами других веществ, таких как наночастицы или липосомы, что позволяет значительно повысить селективность накопления фотосенсибилизатора в опухолевой ткани. Препарат «Фотолон» представляет собой молекулярный комплекс, состоящий из соли хлорина Е6 и поливинилпирролидона. Благодаря своей уникальной структуре и свойствам «Фотолон» нашел широкое применение в онкологии, в частности, в лечении рака кожи, рака слизистых оболочек и предраковых заболеваниях шейки матки. Исследования показывают, что использование данного препарата способствует увеличению эффективности фотодинамической терапии за счет улучшенного накопления активного вещества в опухолевых клетках и минимизации воздействия на здоровые ткани [16].

29 декабря 2012 г. приказом № 1629 Министерства здравоохранения Российской Федерации фотодинамическая терапия была включена в перечень высокотехнологичной медицинской помощи, что подчеркивает важность этого современного метода лечения, который продолжает развиваться и внедряться в клиническую практику. В настоящее время развитие ФДТ направлено на создание новых препаратов, которые эффективно поглощают свет в диапазоне спектра, известном как «терапевтическое окно» (700–900 нм). В этом диапазоне поглощение света биологическими тканями минимально, что позволяет обеспечить глубокое проникновение света в ткани организма, значительно снизить потенциальный вред от облучения и увеличить эффективность терапии.

Активно проводятся экспериментальные исследования экзогенных фотосенсибилизаторов различных классов, таких как нафталоцианины и фталоцианины, хлорины, феофорбиды и их производные, а также производные бензопорфирина и пурпурины. Эти соединения обладают уникальными оптическими свойствами, что делает их перспективными для применения в ФДТ [27]. Исследования сосредоточены на оценке эффективности этих фотосенсибилизаторов в контексте их способности вызывать фотохимические реакции при облучении светом в терапевтическом окне. Основное внимание уделяется улучшению селективности действия препаратов на опухолевые клетки и минимизации побочных эффектов для здоровых тканей.

Значительный прогресс в области фотодинамической терапии обусловлен не только развитием фотосенсибилизаторов, но и совершенствованием источников света, используемых в процессе лечения. В частности, диодные лазеры приобрели широкую популярность благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам, позволяющим более точно и эффективно воздействовать на опухолевые ткани [28]. Изучаются и совершенствуются различные схемы и режимы применения источников света для эффективной ФДТ. Параллельно с этим развивается фотодинамическая диагностика (ФДД), позволяющая более точно выявлять рак и планировать его лечение с помощью флуоресценции активированных фотосенсибилизаторов [5].

Фотодинамическая терапия практикуется в различных медицинских учреждениях России, включая специализированные онкологические центры, клиники и научно-исследовательские институты, где она используется для диагностики и лечения онкологических заболеваний. Кроме того, ФДТ находит применение в дерматологии, стоматологии, офтальмологии, косметологии, гинекологии, а также при лечении воспалительных заболеваний кожи и сосудистых нарушений. Инновации в области ФДТ включают интеграцию с другими видами терапии, такими как химиотерапия, лучевая терапия и таргетная терапия, которые повышают эффективность лечения и минимизируют побочные эффекты [5][23].

ФДТ демонстрирует высокую эффективность в лечении различных видов рака. Например, при использовании фотосенсибилизатора «Фотолон» в комбинации с цисплатином у крыс с саркомой М-1 была достигнута полная регрессия опухоли у 89 % животных и угнетение ее роста практически до 100 % [29]. В исследованиях на мышах с аденокарциномой молочной железы Са-755 лазерное облучение с длиной волны 687 нм показало улучшение терапевтического эффекта, в то время как при длине волны 678 нм эффективность снижалась до 23 % [30]. Также ФДТ показала хороший эффект при лечении рака глотки, гортани и ранних форм рака полости рта, достигая высоких показателей излечения. Кроме того, применение конъюгатов нанотело-фотосенсибилизаторов вызвало значительную регрессию ортотопических опухолей с высокой экспрессией HER2 у мышей [31].

В ветеринарии фотодинамическая терапия особенно полезна тогда, когда ввиду состояния животного противопоказано хирургическое вмешательство или химиотерапия. В 2009 г. О.А. Кулешова и С.А. Ягников провели исследование, в котором применяли «Фотодитазин» для лечения спонтанных опухолей слизистой оболочки ротовой полости у домашних собак и кошек. Положительный эффект был достигнут при дозировке фотосенсибилизатора 1–2 мг/кг и дозе световой энергии 300–600 Дж/см² [32].

В 2012 г. на базе Центра биологии и ветеринарии РУДН и Клиники экспериментальной терапии РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН исследовали накопление и распространение фотосенсибилизатора для определения терапевтической дозы при диагностической флуоресценции и фотодинамической терапии у собак и кошек с опухолевыми поражениями органов брюшной полости, ротовой полости, легких и головного мозга. Было установлено, что терапевтическая доза фотосенсибилизатора составила 1 мг/кг массы тела животного. Время накопления различалось: 90 минут при опухолях грудной и брюшной областей и головного мозга; 150 минут — при опухолях слизистой ротовой полости. При плотности световой энергии 200 Дж/см² ФДТ носит противовоспалительный характер, а при 300–400 Дж/см² — лечебный [33].

В 2013 г. Е.В. Давыдов при комбинированном лечении опухолей у мелких домашних животных применил два вида фотосенсибилизаторов: хлорин Е6 внутривенно и наружно в виде геля, а затем «Димегин» в виде геля. Исследование показало высокую эффективность с полной регрессией опухоли [34].

В 2016 г. В.И. Тельпухов и Е.В. Давыдов, применяя ФДТ перед операцией у кошек с саркомой мягких тканей, установили, что при данном варианте лечения опухоль становилась более операбельной [35]. Также в 2016 г. при лечении спонтанных опухолей молочной железы у кошек с помощью фотодинамической терапии был получен хороший результат: в качестве фотосенсибилизатора использовался «Фотодитазин», а источник излучения имел длину волны 660±2 нм и мощность 1,5 Вт. Наблюдалось, что в течение 6–10 дней опухоль некротизировалась и отторглась, а при дальнейшем наблюдении у животных была отмечена полная регрессия [36].

Перспективным направлением науки стало использование ФДТ в качестве предоперационного или интраоперационного метода лечения. В 2017 г. Е.В. Давыдов с коллегами применили ФДТ в предоперационном режиме, после чего осуществили радикальную мастэктомию у мелких домашних животных со спонтанно возникающими опухолями молочной железы. В экспериментальной группе заживление шва проходило в два раза быстрее, уменьшался процесс лимфореи и не наблюдалось осложнений [37].

В 2022 г. Р. Шреста с коллегами исследовали эффективность фотодинамической терапии с использованием чистого хлорина Е6 (Ce6) для лечения опухолей у собак и на моделях опухолей у мышей. Для пяти собак с различными видами рака проходили лечение Ce6-ФДТ от одного до двух раз, двум собакам также провели флуоресцентную визуализацию под контролем Ce6 с помощью фотодинамической диагностики (ФДД). У двух пациентов с карциномой молочной железы и гистиоцитарной саркомой опухоли значительно уменьшились в размерах, а состояние здоровья улучшилось. Дополнительное использование Ce6-ФДД позволило выявить опухолевые образования, которые не были видны при осмотре в белом свете. На моделях меланомы и рака поджелудочной железы у мышей Ce6-ФДТ также показал значительное уменьшение опухолей [38].

В 2023 г. профессор Д. Ло с коллегами использовали собак для оценки эффективности золотых наночастиц, нацеленных на простатический специфический мембранный антиген, в качестве метода для флуоресцентной визуализации и ФДТ рака простаты. После введения наноагентов (AuNPs-ФС158) и активации ФДТ лазерным излучением (672 нм) было обнаружено, что опухоли простаты значительно усиливали фотолюминесценцию по сравнению с нормальной тканью. ФДТ вызывала повреждения в облученных участках на глубину 1–2 мм, включая некроз и воспаление, при этом необлученные участки оставались без видимых повреждений [39].

Также в 2023 г. описан случай лечения плоскоклеточной карциномы лимба роговицы у коровы с помощью хирургического иссечения и ФДТ. После операции на место вмешательства наносили EmunDo® (инфрацианиновый зеленый) и облучали роговицу диодным лазером с длиной волны 810 нм и мощностью 500 мВт до общей энергии 167 Дж. Через 11 месяцев после операции наблюдался лишь незначительный фиброз роговицы и отсутствие признаков рецидива опухоли [40].

В 2024 г. Л. Себбаг и O. Петер описали клинический случай лечения двух кошек с плоскоклеточной карциномой век с помощью краевой резекции и фотодинамической терапии. После операции в рану вводили интрацианиновый краситель, а ФДТ проводили с использованием диодного лазера (810 нм) в два этапа: 1) шесть циклов по 500 мВт в течение 30 сек за цикл с использованием быстрого движения; 2) один (случай 1) или два цикла (случай 2) по 30 сек при мощности 2000 мВт. Последующие осмотры показали, что веко у обеих кошек зажило, признаков повторного роста опухоли или раздражения глаз не было [41].

Обсуждение и заключение. Представленный исторический обзор становления и развития фотодинамической терапии показывает, что этот метод прошел долгий путь от первых экспериментов с использованием природных фотосенсибилизаторов и солнечного света до создания современных высокоэффективных препаратов и высокоточных диодных лазеров. ФДТ находит применение в гуманной и ветеринарной медицине для лечения широкого спектра онкологических заболеваний, включая рак кожи, пищевода, гортани, ротовой полости, молочной железы и др. Метод демонстрирует эффективность как в качестве монотерапии, так и в комбинации с другими видами лечения, такими как химиотерапия, лучевая терапия и хирургическое вмешательство. Также внедряется методика фотодинамической диагностики для прецизионной визуализации опухолей и мониторинга терапевтического ответа. Разрабатываются инновационные подходы, основанные на использовании нанотел, для направленной доставки фотосенсибилизаторов к опухолевым клеткам, что повышает селективность и снижает системную токсичность. ФДТ демонстрирует перспективность в лечении спонтанных опухолей у животных, особенно в тех случаях, когда имеются противопоказания к традиционным методам лечения. Показана возможность использования ФДТ в качестве предоперационной подготовки для улучшения резектабельности опухолей и снижения риска осложнений. Проводятся исследования по оптимизации режимов ФДТ и разработке новых фотосенсибилизаторов для ветеринарного применения.

Тем не менее, несмотря на достигнутые успехи, ФДТ имеет определенные ограничения, такие как, например, относительно неглубокое проникновение света, возможность фототоксичности и зависимость эффективности данного метода от оксигенации тканей. Поэтому дальнейшие исследования должны быть направлены на:

– разработку новых поколений фотосенсибилизаторов с улучшенными фармакологическими и фотофизическими характеристиками;

– оптимизацию режимов облучения с учетом спектра поглощения фотосенсибилизаторов и глубины проникновения света в ткани;

– изучение молекулярных механизмов действия ФДТ и разработку стратегий повышения ее эффективности за счет модуляции сигнальных путей и иммунного ответа;

– разработку новых методов доставки фотосенсибилизаторов к опухолевым клеткам;

– проведение клинических исследований для оценки эффективности и безопасности ФДТ при глубоколежащих онкологических заболеваниях у людей и животных.