Pokonać raka światłem

Kiedy na początku ubiegłego stulecia uczeni odkryli najpierw, że drobnoustroje można niszczyć także światłem, a następnie metodę tę zastosowali z powodzeniem u myszy z guzem nowotworowym, sądzono, że to jedynie przypadek, a wyniki tych doświadczeń przyjmowano z przymrużeniem oka. Po kilkudziesięciu latach ciekawostkę tę traktuje się już na tyle poważnie, że nikogo zapewne to nie zdziwi, jeśli w najbliższej przyszłości metoda fotodynamiczna stanie się najważniejszą w diagnostyce i leczeniu chorób nowotworowych. Eksperymentalnie stosuje się ją już w USA, Japonii, Kanadzie, Chinach, Australii i w większości krajów Europy Zachodniej. Istota tej metody tkwi w tym, iż za pomocą odpowiednich barwników oraz światła o określonej długości fali można wykryć chore komórki, a następnie je wyleczyć.

- Metoda fotodynamiczna nie wywołuje praktycznie skutków ubocznych i na tym polega jej wyższość. W zasadzie jedynym niepożądanym objawem jest nadwrażliwość skóry na światło, dlatego tuż po zabiegu pacjent powinien przez kilka dni chronić się przed promieniami słonecznymi - wyjaśnia prof. Alicja Ratuszna z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

NA CZERWONO, NA ZIELONO...

W pierwszym etapie, tzw. diagnostyce fotodynamicznej (PDD, od photodynamic diagnostic), choremu aplikowany jest odpowiedni barwnik, który selektywnie kumuluje się w tkance nowotworowej, uczulając ją na światło. Do jego wzbudzenia potrzeba odpowiedniego źródła światła. Najczęściej stosuje się promieniowanie laserowe o długości fali znajdującej się w paśmie absorpcji barwnika, czyli ok. 400 nanometrów. Pod jego wpływem barwnik zgromadzony w chorej tkance zaczyna świecić na czerwono, różniąc się tym samym od zdrowej komórki, która daje zieloną luminescencję.

- Umieszczenie odpowiedniego detektora, np. kamery CCD, pozwala chirurgowi na obserwację tej luminescencji i precyzyjne zaplanowanie pola operacyjnego. Na obrazie otrzymanym z kamery można bowiem dokładnie zobaczyć, w którym miejscu znajdują się komórki nowotworowe oraz jakiego są kształtu i wielkości.

Silna fluorescencja, najbardziej intensywna na obrzeżach nowotworu, służy również wykryciu niewidocznych gołym okiem zmian nowotworowych oraz rozpoznaniu małych zdegenerowanych komórek, które mogą być źródłem przerzutów, a których nie zarejestruje nawet tomograf komputerowy. Pozwala to z kolei na o wiele szybsze wykrycie nowotworu i znacznie skuteczniejsze niszczenie chorych komórek. Jest to więc solidna podstawa do rozpoczęcia terapii fotodynamicznej (PDT, od photodynamic therapy), w której zlokalizowany wcześniej nowotwór naświetla się światłem widzialnym o długości fali 632 nm.

- Promienie wnikają wówczas głębiej, a zgromadzony w komórkach nowotworowych barwnik pod wpływem tego promieniowania produkuje w tkance czynniki toksyczne, które ją niszczą. Chodzi tu o tzw. tlen singletowy i wolne rodniki, które rozpoczynają procesy chemiczne prowadzące do niszczenia organelli komórki i w efekcie do jej planowanej śmierci - tłumaczy prof. Ratuszna.

Warto zaznaczyć, że w przeciwieństwie do chemioterapii czy radioterapii, które w efekcie uszkadzają również zdrowe tkanki i powodują liczne niepożądane objawy, terapia fotodynamiczna niszczy nowotwór dokładnie w miejscu jego istnienia, nie naruszając przy tym innych narządów. To niezwykle istotne, głównie w przypadku nowotworów na tak wrażliwych narządach, jak mózg czy rdzeń kręgowy.

Jak się można łatwo zorientować, zarówno w diagnostyce, jak i w terapii, zasadnicze znaczenie w tej metodzie walki z rakiem ma obecność barwnika, zwanego fotouczulaczem lub fotosensybilizatorem. Rolę tę może pełnić porfiryna, a właściwie jej pochodne. Porfiryny występują w organizmie w dwóch formach: jako główny składnik chlorofilu biorą aktywny udział w procesie fotosyntezy oraz stanowią podstawę hemu, składnika krwi, odpowiedzialnego za transport tlenu, i są w dużym stopniu odpowiedzialne za jego prawidłowe funkcjonowanie. Ich struktura oparta jest na pierścieniu, zbudowanym z atomów węgla, wodoru i azotu, pośrodku których znajduje się jon magnezu (chlorofil) bądź żelaza (hemoglobina). Po usunięciu tego ostatniego elementu powstaje protoporfiryna, która nabiera właściwości uczulających, a konkretnie świeci pod wpływem światła. Czy ta ingerencja jest konieczna? Otóż tak, w przeciwnym razie związki porfirynowe występujące w organizmie ulegałyby wzbudzeniu nawet pod wpływem światła słonecznego.

- Dlatego te naturalne porfiryny nie mogą być ”użyte„ do diagnostyki czy terapii. Dopiero pewne modyfikacje tego barwnika, wprowadzonego do organizmu w odpowiedniej ilości i stężeniu, sprawiają, że nabiera on własności fotouczulających. A procesy biochemiczne sprawiają, że gromadzi się on łatwiej w komórkach zmienionych nowotworowo niż w zdrowych.

Zdarza się, iż w wyniku zmian chorobowych porfiryny znajdujące się w sposób naturalny w organizmie człowieka odkładają się także w skórze, kościach czy zębach. Pigmenty te mogą uaktywniać się pod wpływem padającego światła słonecznego, rozpoczynając proces niszczenia tkanek i chorobę, znaną jako porfiria.

CZYSTE ZWIĄZKI

Syntetycznymi porfirynami Alicja Ratuszna zainteresowała się pięć lat temu zupełnie przez przypadek, gdy przy okazji badań właściwości fizycznych tych związków okazało się, że mogą być niezwykle przydatne właśnie w medycynie. Od tamtej pory, we współpracy z Uniwersytetem w portugalskiej Coimbrze oraz Centrum Onkologii w Gliwicach, prowadzone są badania, których celem jest synteza nowych pochodnych porfiryny, głównie aminokwasowych, cholesterolowych i cetylowych, a także określenie ich właściwości fizykochemicznych oraz biologicznej aktywności wobec komórek nowotworowych. Wszystko to w kontekście ewentualnych właściwości fotouczulających. Dostępne obecnie na rynku leki składają się niekiedy z kilkunastu różnych porfiryn, a to znacząco wpływa na stabilność ich własności i działanie.

- Wielkością, która determinuje przydatność danego fotouczulacza do zastosowania go w terapii, jest tzw. kwantowa wydajność tlenu singletowego. Oznacza ona, ile tlenu w stanie kwantowym zostanie ”wyprodukowane„ przez wzbudzoną odpowiednią długością fali świetlnej naszą porfirynę. Jeśli ta wydajność jest wysoka, gwarantuje to, że tlen rozpocznie w reakcjach utleniania niszczenie organelli komórek, w których znajduje się porfiryna - objaśnia prof. Ratuszna.

W doświadczeniach okazało się, że kwantowa wydajność tlenu singletowego badanych przez jej zespół fotouczulaczy jest bardzo wysoka, nawet dwukrotnie większa niż w wytwarzanym za granicą photofrinie. A czas życia wzbudzonego, singletowego tlenu, który musi dotrzeć do danego organu i rozpocząć reakcję utleniania, jest podobny. To o tyle istotne, że terapia zagranicznym preparatem jest stosunkowo droga - kosztuje ponad 5 tys. dolarów. Jakby tego było mało, photofrin rozpuszcza się w lipidach, co powoduje jego nagromadzenie w tkance tłuszczowej pod skórą. W konsekwencji przebywa on dłużej w organizmie. Z kolei polskie preparaty są rozpuszczalne w wodzie, co ułatwia ich wnikanie do wnętrza chorej komórki i przyspiesza wydalanie ich z organizmu.

- Głównym osiągnięciem zespołu, którym kieruję, jest otrzymanie czystych związków, pochodnych porfiryn, o zaprojektowanych podstawnikach, które pozwalają na kontrolowanie ich własności. Nasze syntetyczne porfiryny rozpuszczają się w wodzie lub w nietoksycznych ”rozpuszczalnikach„, powinny też posiadać stałe parametry fizyczne i chemiczne, co nie zawsze jest spełnione w przypadku preparatów syntetyzowanych z naturalnych porfiryn.

Niemniej, wiele związków chemicznych wykazuje cechy fotouczulaczy, które wzbudzone przez światło posiadają zdolność przekazywania tej energii cząsteczkom tlenu, przenosząc go następnie do wzbudzonego stanu singletowego lub generując w komórce wolne rodniki. Niektóre z tych substancji znalazły już zastosowania kliniczne. Najpowszechniej stosowany photofrin II - jedyny tego typu związek posiadający atest amerykańskiego Departamentu Kontroli Żywności i Leków - jest mieszaniną pochodnych hematoporfiryny. Posiada przy tym właściwości przypisywane lekom, a więc selektywnie kumuluje się w tkankach nowotworowych, nie jest toksyczny dla tkanek zdrowych, pod wpływem światła o odpowiedniej długości wykazuje wysoką wydajność niszczenia tkanek nowotworowych, wreszcie nie wykazuje efektów ubocznych. Pojawia się wprawdzie czasowy światłowstręt, ale jest on nieunikniony przy tego typu terapii. Jednak najdalej po tygodniu ustępuje.

Trzeba zaznaczyć, że photofrin nie jest panaceum na wszystkie rodzaje nowotworów. Nie ma bowiem związku, który byłby skuteczny dla każdej odmiany raka. W wielu ośrodkach prowadzi się za to eksperymenty, które określą, jakie porfiryny, czy ogólniej fotouczulacze, są odpowiednie do danego typu choroby.

- Gdyby photofrin był lekiem uniwersalnym, nie prowadzono by dalszych poszukiwań fotouczulaczy, które mogłyby być zastosowane w PDT i PDD. W tym kontekście wkład mojego zespołu w badania nad porfirynami i ich potencjalnym zastosowaniem w medycynie jest nie do przecenienia - uważa Alicja Ratuszna.

STUPROCENTOWA SKUTECZNOŚĆ?

Badania jej zespołu wykazały m.in. że cetylowe i aminokwasowe pochodne porfiryny są bardzo dobrymi fotouczulaczami, a ich skuteczność rośnie wraz ze wzrostem zastosowanej energii światła. Najwyższą, ocenianą na podstawie aktywności metabolicznej komórek (metoda MTS), obserwowano po zastosowaniu energii 10 i 15 J/cm2. Badania porównawcze wykonane na tych samych liniach komórkowych z zastosowaniem photofrinu wykazują, że nowe związki cechują się porównywalną skutecznością fotouczulającą. To obiecujący przyczynek do rozszerzenia badań na inne linie komórkowe, a także do sprawdzenia ich w układach in vivo. Tym bardziej że skuteczność samej metody fotodynamicznej jest również wysoka.

- Jeśli nowotwór zostanie rozpoznany we wczesnym stadium, a w organizmie nie ma jeszcze przerzutów, to metoda fotodynamiczna leczy go w 100 proc., szybko i z minimalnym skutkiem ubocznym - podkreśla prof. Ratuszna.

Taka terapia znajduje coraz szersze zastosowanie w leczeniu wybranych typów nowotworów. Najlepsze rezultaty daje w przypadku początkowego stadium nowotworu skóry, np. niezwykle złośliwego czerniaka. Zmiany nowotworowe skóry, umiejscowione na jej powierzchni, łatwo można zniszczyć kolejnymi naświetlaniami. Trudniej je usunąć, kiedy wejdą w głąb tkanki. Dobre rezultaty, znacznie powyżej średniej, uzyskano także w leczeniu raka przełyku i płuc. Metoda fotodynamiczna daje chorym, jak widać, sporą nadzieję.

- Jest to przede wszystkim terapia nieinwazyjna, bowiem uczulacz lokalizuje się wewnątrz komórki nowotworowej i tylko tam może dochodzić do uszkodzenia membrany, mitochondrium, lizosomów czy DNA i w efekcie do jej śmierci. Jeśli guz znajduje się w wewnętrznych częściach ciała, to promieniowanie doprowadzane i odbierane jest światłowodami, sygnały mierzone są w czasie rzeczywistym, a te same obszary można analizować wielokrotnie - wylicza zalety tej metody prof. Ratuszna.

Czy jednak jest ona w stanie zastąpić znane do tej pory sposoby leczenia nowotworów? Na obecnym etapie nie można udzielić jednoznacznej odpowiedzi. Z pewnością dużą barierą będą koszty. Oprócz fotouczulaczy potrzebny jest wysokiej klasy sprzęt, w postaci laserów, światłowodów czy kamer pozwalających na obserwację wnętrza organizmu. Do tego, w zależności od rodzaju i wielkości nowotworu, zabiegi wymagają nawet kilkukrotnego powtórzenia. Ale nawet gdyby metoda fotodynamiczna nie wyparła dotychczasowych, to i tak może być ich doskonałym uzupełnieniem. A kto wie, może zwalczanie raka światłem stanie się wobec tego polską specjalnością? W naszym kraju opracowano już ponad dwadzieścia preparatów opartych na bazie syntetycznych porfiryn, a Śląska Akademia Medyczna, gdzie stosuje się tę metodę, jest, zdaniem ekspertów, pod tym względem jednym z pięciu najlepszych ośrodków na świecie. To w pełni zobowiązuje.