Обзор современных разработок в области Х-лучевой фотодинамической терапии

Традиционным методом лечения рака по-прежнему остается хирургическая резекция, зачастую дополняемая химиотерапией или лучевой терапией [1]. Однако эти вспомогательные методы имеют ряд серьезных побочных эффектов, а высокие дозы Х-лучей вызывают повреждение нормальных тканей. В связи с этим научный интерес представляет изучение новых терапевтических методик. Преимущества метода фотодинамической терапии (ФДТ) заключаются в сравнительно меньшей инвазивности, более коротком необходимом времени лечения и высокой селективности препаратов к опухолевым клеткам [2]. Определены три ключевых фактора для проведения эффективной ФДТ: применяемый препарат – фотосенсибилизатора (ФС), источник излучения и уровень генерируемых активных форм кислорода (АФК) [2].

Известно, что фотосенсибилизатор при облучении длиной волны (λ) света, соответствующей максимуму поглощения ФС, продуцирует цитотоксические АФК, а именно синглетный кислород (¹O₂), что приводит к апоптозу или некрозу опухолевых клеток [2]. Однако диапазон таких длин волн расположен в ультрафиолетовой (10–390 нм) или видимой (390–770 нм) областях спектра, которые характеризуются ограниченной проницаемостью в биологические ткани (< 5 мм), что обуславливает возможность применения ФДТ только для лечение опухолей в поверхностных областях тканей и затрудняет выполнение неинвазивного лечения глубоких или объемных опухолей [2][3].

Х-лучи представляют электромагнитную волну высокой проникающей способности в сравнении с  ультрафиолетовым, видимым или ближним инфракрасным светом [4]. Разработаны методики применения Х-лучей как источника возбуждающего света для фотодинамической терапии (Х-ФДТ) [4–6]. Однако большинство фотосенсибилизаторов (ФС) не способны напрямую поглощать энергию Х-лучей [7].

В настоящей работе приведен критический анализ исследований новых материалов, их биологических свойств и потенциала применения в Х-ФДТ, а также дальнейшие перспективы развития и становления этого направления лучевой терапии.

Одним из способов решения задачи по неспособности ФС поглощать высокоэнергетические Х-лучи непосредственно от источника является создание и применение люминесцентных наночастиц-сцинтилляторов (X-ray excited luminescent nanoparticles, XLNP), которые используются в качестве преобразователей энергии высокоэнергетических фотонов Х-лучей в низкоэнергетические фотоны (рис. 1). К этим последним относятся ультрафиолет (УФ)/видимый свет, возбуждающие ФС с генерацией активных форм кислорода (АФК).

Существует ряд требований, которым должен соответствовать XLNP [6–8]:

• спектры люминесценции XLNP должны соответствовать спектрам поглощения ФС для обеспечения эффективной активации ¹O₂;
• XLNP должен иметь высокую эффективность люминесценции при возбуждении Х-лучами, достаточную, для активации ФС, осуществляемой посредством флуоресцентного резонансного переноса энергии (Förster resonance energy transfer, FRET) от молекулы-сцинтиллятора к фотосенсибилизатору;
• высокая растворимость вещества для обеспечения биосовместимости;
• низкая токсичность.

В настоящее время созданы материалы на основе комплексов металлов и органических сцинтилляторов, которые можно напрямую активировать Х-лучами при радиодинамической терапии. Основная их задача заключается в производстве ¹O₂ и других активных радикалов [6][9]. В этом случае для достижения терапевтического эффекта требуется высокая доза облучения из-за неэффективного преобразования энергии, не позволяющей интенсивно продуцировать АФК [9].

Перспективным способом разработки материалов для Х-ФДТ является возможность создания комплексного соединения, содержащего фотосенсибилизатор и редкоземельный элемент. Для него характерна люминесценция в диапазонах длин волн от УФ и видимого до ближнего инфракрасного света за счет переходов 4f–4f или 4f–5d [10]. Широко применимы для биовизуализации наночастицы на основе лантанидов, возбуждаемые Х-лучами, поскольку им свойственны узкие спектральные линии и длительный срок жизни флуоресценции [10]. В  настоящее время были успешно синтезированы различные наносцинтилляционные частицы путем легирования лантаноидами различных матриц-хозяев, в основном, включая фториды редкоземельных металлов (LaF₃, CeF₃, GdF₃ и т. д.), оксиды редкоземельных металлов (Y₂O₃, Tb₂O₃ и т.д.), сульфид-оксиды редкоземельных металлов (Gd₂O₂S) и вольфраматы редкоземельных металлов (Gd₂(WO₄)₃) и другие [10].

В 2021 году появились сообщения о создании 80-нм наночастиц SrAl₂O₄:Eu²⁺ (SAO) [11]. На поверхности наночастиц формировался слой плотного кремнезема и мезопористого кремнезема, а затем Merocyanine 540 (MC540) загружался в мезопоры (рис. 2). Итоговый размер материала M-SAO@SiO₂ составил 407,4 ± 152,5 нм.

В экспериментах in vitro и in vivo показано, что низкодозовое облучение в 0,5 Гр в присутствии SAO@SiO₂-MC540 значительно снижает жизнеспособность клеток на 62,0 ± 9,0%. На модели мышиного ксенографта U87MG отмечена значительная остановка роста опухоли, тогда как нормальные ткани не были затронуты.

В 2024 году разработана новая платформа Eu-PPIX@Hemin для лечения раковых клеток в условиях гипоксии после воздействия Х-излучением [7]. В процессе синтеза фотосенсибилизатор протопорфирин IX (PpIX) был допирован Eu (III) в составе NaYF4 (NaYF₄:Eu) посредством гидрофобных взаимодействий. Далее наночастицы, содержащие NaYF₄:Eu и PpIX, были конъюгированы с гидроксисукцинимидом (N-Hydroxysuccinimide, NHS)-активированном гемином (hemin-NHS) для создания финальной конструкции Eu-PpIX@Hemin. В этом исследовании трехвалентный европий выбран в качестве сцинтиллятора для введения в NaYF₄ поскольку известно, что материалы на основе фторида широко используются в качестве основы для легирования ионами металлов [10]. В данном случае Eu³⁺ поглощает падающее излучение и передает энергию фотонов для возбуждения PpIX и генерации цитотоксического ¹O₂ в препаратах Eu-PpIX@Hemin.

Включение гемина значительно повышает эффективность Х-ФДТ в условиях гипоксии (например, при 2% O₂) за счет прямого генерирования кислорода, тем самым преодолевая ограничения, связанные с  низкой доступностью О₂. Имеются данные о синтезе биодоступного вещества с включением плохо растворимого ФС в структуру Eu-PPIX@Hemin [7]. Полученное вещество после облучения в дозе 0,5 Гр обеспечивает двойную генерацию как синглетного кислорода, так и гидроксильных радикалов (•OH), что приводит к повреждению двухцепочечной ДНК клеток эпителиального рака молочной железы (4T1-Luc).

P. Ge и др. [12] представили результаты получения липосом, содержащих вертепорфин (VP) и наночастиц золота 10 или 5 нм (Lipo-VP-10Au и Lipo-VP-5Au), а также состоящих только из VP (Lipo-VP) [12]. Показано, что Lipo-VP-10Au продуцировали наибольшее количество ¹O₂ с увеличением примерно на 186%, в то время как для Lipo- VP-5Au на 129% в сравнении с липосомами, содержащими только VP (91%) после облучения в дозе 4 Гр. Такое увеличение продукции ¹O₂ в присутствии наночастиц золота и объясняется радиосенсибилизирующими свойствами Au как тяжелого металла, т. е. способностью увеличивать дозы облучения в опухолевой ткани. Таким образом, молекулы VP в присутствии наночастиц золота способны эффективнее взаимодействовать с ионизирующим излучением, чем сам по себе VP, вызывая усиленную генерацию ¹O₂. Авторами также были проведены исследования типа клеточной гибели клеток колоректальной карциномы линии HCT116. Определено, что после контакта с Lipo-VP-10Au и после облучения 4 Гр через 10 дней процент апоптотических и некротических составляет 26 и 19% соответственно [12].

Помимо наносцинтилляционных частиц на основе редкоземельных элементов некоторые наночастицы состава «оксид металла/сульфид металла–полупроводник» также способны возбуждаться Х-лучами для преобразования в длины волн света, активирующие фотосенсибилизаторы, с дальнейшей генерацией АФК [13].

Наночастицы ZnO после возбуждения Х-лучами испускают интенсивную флуоресценцию, а их длины волн испускания совпадают со спектром поглощения фотосенсибилизаторов на основе порфиринов [8]. Известной исследовательской группой, работающей в области получения новых фотосенсибилизаторов под руководством профессора Chen, подготовлены наночастицы оксида цинка (ZnO), конъюгированные с мезо-тетра(о-аминофенил) порфирином (meso-tetra(o-amino phenyl) porphyrin, MTAP). Обнаружено, что эффективность передачи энергии от наночастиц ZnO к MTAP достигала 83%. Связанная система ZnO-MTAP имела более низкую темновую цитотоксичность по сравнению с отдельно взятыми MTAP и ZnO. Та же группа исследовала свойства длительной люминесценции наночастиц ZnS:Cu, Co и сравнили интенсивность для разных концентраций введенных ионов Cu²⁺ и Co²⁺ [13]. Было обнаружено, что после воздействия Х-лучами интенсивность люминесценции наночастиц ZnS:Сu была наиболее высокой. Концентрация легирующего иона Cu²⁺ составила 0,07%, а Co²⁺ – 0,03%, что свидетельствует о передаче энергии даже при малом содержании. После прекращения возбуждения эффективность сцинтиллятора достаточна для применения в качестве источника энергии для ФС, что значительно сокращает дозу и время облучения.

Получен стабильный люминесцентный материал Zn₃Ga₂GeO₈:-Cr³⁺, Yb³⁺ [14]. Наночастицы Er³⁺ в сочетании с мезопористыми силикатами являются новым нанотерапевтическим средством для визуализации и  лечения опухолей печени in situ. Монодисперсные, однородные по размеру сферические 100 нм частицы Zn₃Ga₂GeO₈:Cr³⁺, Yb³⁺, Er³⁺ (mZGGOs) после воздействия Х-лучами демонстрировали постоянную люминесценцию в ближнем инфракрасном диапазоне с λ = 706 нм. Показано, что после загрузки фотосенсибилизатора фталоцианина кремния (Si-PC), mZGGOs могут эффективно возбуждать ФС для производства ¹O₂.

В аналогичных условиях молекула, в которой носителем является полимер полиэтиленгликоль (PEG) Si-PC@PEG-mZGGOs, после облучения показала значительное снижение жизнеспособности опухолевых клеток в сравнении с контрольными группами фосфатно-солевого буфера, mZGGOs и Si-PC, что указывает на эффективность Х-ФДТ в отношении гибели клеток гепатоцеллюлярной карциномы человека HepG2. На модели in vivo продемонстрирован устойчивый сигнал люминесценции в изолированной области опухоли печени через 24 часа после внутривенного введения наночастиц Si-PC@PEG-mZGGOs.

Коллективом авторов под руководством Rossi предложена гибридная наносистема на основе биосовместимых нанопроводов (nanowires, NW) SiC/SiO_x, функционализированных с применением методов клик-химии ФС тетра(N-пропинил-4-аминокарбонилфенил) порфирином (H₂TPACPP) [15]. Эффективность гибридной системы NW-H₂TPACPP в качестве источника синглетного кислорода была исследована в растворе после воздействия излучением линейного ускорителя Linac Varian, мощностью 6 МВ, с помощью зонда Singlet Oxygen Sensor Green (SOSG). Установлено, что концентрация ¹O₂ резко возрастает в зависимости от дозы воздействия (в Греях) и в 5 раз превышает по интенсивности значения, полученные для свободной молекулы порфирина H₂TPACPP. Исследования in vitro были проведены на линии клеток карциномы легкого A549. Показано, что через 24 часа контакта наблюдается полное поглощение NW-H₂TPACPP клетками. Таким образом, клетки после суточного контакта облучали 2 Гр в соответствии со стандартными условиями клинической лучевой терапии (однократный сеанс). Далее оценивали жизнеспособность опухолевых клеток на основании клоногенного анализа. Через 12 ч отмечено ингибирование пролиферации клеток как после облучения, так и без него. Для подтверждения этого результата в рамках дополнительного эксперимента провели однократное облучение в дозе 2 Гр после контакта клеток A549 с увеличенными до 100 и 500 мг/мл концентрациями. Подтверждено снижение уровня аденозинтрифосфата в клетках, что напрямую коррелирует с их снижающейся жизнеспособностью. Результаты получены при времени облучения в 20 сек против 90 сек для стандартного клинического лечения. В перспективе это важное обстоятельство может сократить время облучения и нахождения пациента в условиях психологического и физического дискомфорта внутри процедурной комнаты.

В качестве носителей ФС для Х-ФДТ в последнее время также привлекают внимание квантовые точки (quantum dots, QDs) [16]. Авторы сообщили о QDs, способных к возбуждению Х-лучами и состоящих из ядра CdSe и оболочки ZnS с размером частиц всего 2,1 нм, с включением фотосенсибилизатора Фотофрин [8]. Показана передача энергии по механизму FRET от QD к Фотофрину после воздействия Х-лучами (6 МэВ). Эффективность этого процесса зависит от соотношения Фотофрин/QD: при молярном соотношении 291:1 эффективность передачи энергии была близка к 100%. Эксперимент по воздействию Х-лучей на культуру клеток H460, находившуюся в контакте с Фотофрин/QD, показал меньшее количество жизнеспособных клеток в сравнении с контрольной облученной группой.

Заключение

Х-ФДТ обладает преимуществами высокой проникающей способности, неинвазивности и избирательности. Применение такой методики способно привести к усилению терапевтических эффектов при использовании низких доз воздействия (0,5 Гр). Однако метод Х-ФДТ еще не нашел клинического применения и находится на стадии разработки. Для успешного развития метода необходимо учесть при разработке новых материалов следующие аспекты.

1. Длительность и интенсивность люминесценции – для более эффективной активации фотосенсибилизатора и, как следствие, повышения эффективности Х-ФДТ, а также возможности биовизуализации.
2. Необходимость разработки биодоступных материалов, т. е. в виде раствора или наноразмерных веществ с равномерным распределением частиц.
3. Выяснение точного механизма передачи энергии от сцинтиллятора к фотосенсибилизатору после воздействия Х-лучами.
4. Введение таргетных молекул в разрабатываемые структуры для адресной доставки к месту опухоли.

Таким образом, исследования в области Х-ФДТ обладают большим научным потенциалом и при развитии биомедицинского материаловедения могут привести к созданию эффективной технологии в лечении рака.

Конфликт интересов: авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования: работа выполнена в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» (ФГБОУ ВО ТГМУ Минздрава России) и государственного задания ФГБУН Института химии ДВО РАН, тема «Направленный синтез и исследование строения и свойств новых веществ, материалов и покрытий (включая наноразмерные) для морских технологий и техники и различного функционального назначения» (FWFN(0205)-2022-0003).

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования – ЕЕВ, ММА, ШОВ

Сбор и обработка материала – ШОВ, БМВ

Написание текста – ШОВ, ЮКА

Редактирование – ЕЕВ, ММА, БМВ