Способ лазерного подавления роста и элиминации злокачественных образований

Способ лазерного подавления роста и элиминации злокачественных образований

Реферат

Изобретение относится к области медицины, в частности к онкологии, и может быть использовано для терапии злокачественных опухолей.

По данным ВОЗ, смертность от рака растет во всем мире и уступает по числу на душу населения лишь сердечно-сосудистым заболеваниям. В последние два десятилетия интенсивно развивается и в настоящее время применяется метод фотодинамической терапии (ФДТ) рака. Известны способы лазерного подавления роста и элиминации злокачественных образований методом ФДТ. (Ю.М.Лужков и др. «Способ фотодинамической терапии злокачественных опухолей" (патент №2169015), "Способ фотодинамической терапии злокачественных новообразований" (патент №2157268)).

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа лазерного подавления роста и элиминации злокачественных образований является Способ фотодинамической терапии опухоли (В.Г.Зенгер, Д.А.Рогаткин, Е.Ф.Странадко и др. Патент РФ №2184578 от 28.12.2000 г.). Этот способ включает воздействие лазерного излучения и генерацию химически активного электронно-возбужденного кислорода и измерение величины перфузии ткани кровью.

Суть метода ФДТ заключается в следующем: больному заранее инжектируется специальный краситель, фотосенсибилизатор, в основном, порфиринового ряда, который преимущественно накапливается в опухолевых тканях. После определенного специфического для каждого красителя времени опухоль подвергают лазерному облучению. Лазерное излучение, наряду с тканями, поглощается также и инжектированным красителем. Краситель, поглотив квант излучения, переходит в возбужденное состояние, из которого в результате внутримолекулярных переходов оказывается в так называемом триплетном состоянии. При взаимодействии красителя в этом триплетном состоянии с молекулярным кислородом, растворенным в тканях, кислород за счет передачи ему энергии от красителя оказывается в электронно-возбужденном синглетном состоянии. Молекулярный кислород в этом состоянии (обычно называемый синглетным кислородом) представляет собой радикал - частицу с некомпенсированным спином и вследствие этого обладает сильной реакционной способностью, как и радикалы других типов. Образованный таким образом синглетный кислород вступает в неконтролируемые химические реакции с окружающими тканями, приводя к их разрушению, т.е. аналогично обычной радиотерапии, когда ткани разрушаются другим радикалом, в основном, ОН^-.

Недостатком вышеприведенного решения является инжекция в организм больного красителя. Несмотря на разнообразие красителей, методики, длин волн облучения и т.п., во всех рассмотренных патентах центральным обязательным моментом является инжекция в организм больного красителя, что приводит к ряду недостатков метода, часть которых является существенной. А именно

i. Практически все без исключений красители, инжектируемые с целью фотодинамической терапии, являются токсичными. После их введения, например, понижается эластичность мембран эритроцитов, что отрицательно сказывается на снабжении органов кислородом, что оказывает на больного отрицательное воздействие.

ii. Совершенно не изученными являются отдаленные последствия такого введения красителей в организм. После введения красителя в организм больного до окончательного его выведения пациент подвергается облучению естественным светом достаточно долго и на гораздо большей поверхности по сравнению с размерами опухоли. Синглетный кислород вызывает мутации при взаимодействии с ДНК, вызывая повреждения ДНК всех известных типов. Учитывая, что иммунная система онкологического больного недостаточно активно реагирует на возникающие мутации в клетках, это может приводить к последующему развитию онкологических или иных заболеваний у пациента, прошедшего курс фотодинамической терапии.

iii. Недостатком метода является также неопределенность в вопросе, насколько часто можно повторять процедуру в случае неудачи при первом сеансе фотодинамической терапии, учитывая вышеперечисленные противопоказания.

iv. Так как большинство красителей поглощает излучение в видимой области спектра, где самостоятельное поглощение тканей даже без введенных красителей велико, возникают проблемы с облучением глубоко лежащих слоев опухоли куда проникновение излучения затруднено, при этом не уничтоженные клетки продолжают делиться и расти, нередко более интенсивно вследствие лазерной стимуляции.

v. Лазерное излучение при ФДТ воздействует на мембраны клеток, а не на ядра. Это объясняется тем, что сенсибилизаторы локализируется на клеточной мембране, что приводит к локализации нарабатываемого синглетного кислорода, который из-за малого времени жизни не успевает воздействовать на ядра клеток, исключая тем самым возможность подавления клеточного роста за счет активации апоптина [1]. Апоптин это особый белок, вызывающий фрагментацию ДНК и уничтожение клетки.

Техническим результатом применения предлагаемого способа является повышение эффективности и улучшение качества терапии злокачественных опухолей.

Указанный технический результат достигается тем, что лазерное облучение производят в ИК-области в полосах поглощения молекулярного кислорода при средней плотности мощности, не приводящей к термической коагуляции ткани. Облучение производят в импульсном режиме с мощностью в импульсе более 1 кВт/см² и длительностью импульсов Δτ, где 10^-8 с≤Δτ≤10^-5 с.

Предлагаемый способ основан на чисто фотохимическом воздействии лазерного излучения без введения каких-либо токсических препаратов, что делает его, несомненно, привлекательным. Апоптин в здоровых клетках содержится в цитоплазме. В раковых клетках апоптин концентрируется в ядре. Доказано экспериментально [2], что апоптин активируется именно синглетным кислородом, а не другими радикалами. В отличие от ФДТ, в предлагаемом способе используется более высокая импульсная мощность (при сохранении средней мощности), что приводит к эффективному возбуждению апоптина. Дозу облучения выбирают достаточной для возбуждения апоптина. Таким образом, основное воздействие изучения производится на ядра клеток злокачественного образования.

В ткани нарабатывается достаточное количество кислорода в синглетном, высоко реакционноспособном состоянии за счет возбуждения необходимого электронного состояния резонансным лазерным излучением. У молекулы кислорода в инфракрасной области спектра имеются два синглетных состояния, переходы на которые имеют резонанс на длинах волн 762 нм и 1268 нм, причем на 1268 нм поглощение в 8-10 раз выше, чем на длине волны 762 нм, и, следовательно, на этой длине волны предпочтительнее производить облучение. Кроме того, лазерное излучение на длине волны 1268 нм гораздо глубже проникает в ткани по сравнению с излучением 762 нм, не говоря о видимой области. Поглощение излучения молекулярным кислородом в этих полосах невелико. Поэтому было экспериментально проверено, насколько реально принципиально наработать за счет прямого поглощения достаточное количество синглетного кислорода, чтобы замедлить или остановить рост опухоли.

В эксперименте участвовало 88 экспериментальных животных (мыши C56/black), которым была привита опухоль меланомы В-16. На 10-й день было выбрано 46 животных со средним объемом опухолей 31.2 мм³. Они были разбиты на 4 группы: 1 контрольная и 3 экспериментальных. В контрольной группе содержалось 16 животных, а в каждой из экспериментальных по 10 мышей. Экспериментальные группы были подвергнуты локальному одноразовому лазерному облучению на длине волны 1268 нм со средней плотностью мощности 190 мВт/см² в течение 3, 9 и 27 минут. В процессе облучения осуществляется контроль температуры и величины перфузии ткани кровью.

Последующие 17 суток опухоли в контрольных и экспериментальных группах развивались с различной скоростью. Результаты экспериментов представлены на чертеже, где. Динамика развития объема опухоли в каждой группе представляет собой гладкую кривую среднеквадратичные уклонения кривых не превышают 18%. На 27-ые сутки эксперимента средний объем опухоли в контрольной группе достиг 6947 мм³, а в экспериментальных группах средний объем опухолей составил 3915 мм³, 3730 мм³, 3826 мм³. Таким образом, средний объем опухоли в экспериментальных группах в 1.82 раза меньше, чем в контрольной группе. Выживаемость животных на 28 сутки эксперимента в контрольной группе составила 31%, а в экспериментальных - 43%. Облучение животных на других длинах волн при той же энергетике ни к какому воздействию на скорость роста опухолей не приводило.

Полученные результаты свидетельствуют об эффективности метода. Одноразовая процедура облучения приводила к почти 60% торможению роста опухоли у животных. В этих экспериментах не удалось достигнуть полной деструкции опухоли из-за низкой импульсной мощности лазера. Теоретическим путем и основываясь на литературных данных были определены параметры лазерного излучения, необходимого для генерации достаточного количества синглетного кислорода и преодоления репарационной и антиоксидантной защиты клеток. Импульсная мощность более 1 кВт/см², длительность импульсов Δτ, где 10^-8 с≤Δτ≤10^-5 с.

Общим недостатком всех физиотерапевтических методов подавления опухолевого роста - радиационного, фотодинамического и в том числе предлагаемого выше является слабое подавление роста гипоксических клеток, которые в дальнейшем дают рост новой популяции. В предлагаемом способе эта задача решается просто увеличением падающей средней мощности лазерного излучения, которое производит одновременно фотохимическое воздействие и гипертермальное. Гипертермия как метод лечения онкологических заболеваний широко используется в медицинской практике. Она основана на том, что гипоксические клетки наиболее чувствительны к повышению температуры и погибают при нагревании до ˜42°С, что для здоровых клеток не представляет серьезной опасности.

Использование в качестве рабочей длины волны 1268 нм оправдано как для фотохимической деструкции, так и для гипертермии. Излучение на этой длине волны сравнительно слабо рассеивается биотканью и в то же время интенсивно поглощается в крыльях полосы поглощения воды. Это создает лучшие условия по сравнению с видимым излучением для концентрации тепловой энергии в биоткани и проникновения излучения на большую глубину. Происходит эффективное преобразование электромагнитной волны в джоулево тепло, что способствует реализации гипертермического режима. Облучение производят с уровнем средней мощности, достаточным для осуществления гипертермического режима.

Фотохимия и гипертермия действуют в какой-то мере синергетично. Фотохимический механизм в большей степени воздействует на артериолы и прекапиллярные артериолы, т.е. на те отделы системы микроциркуляции, которые доставляют кислород быстро растущим раковым клеткам. В то же время сами патологические клетки и венулярные отделы системы кровообращения сравнительно бедны кислородом, но объем венул существенно больше объема артериол. В нем скапливается больше жидкости, что приводит к большему поглощению излучения и эффективной работе механизма гипертермии. Также достоверно установлено, что гипоксические клетки наиболее чувствительны к нагреву. Таким образом, оба механизма нарушают транскапиллярный обмен в опухолевой ткани, что приводит к ее разрушению.

Для увеличения эффективности предлагаемого способа и снижения общей дозы облучения перед воздействием лазерным излучением пациенту вводят внутривенно коллоидный раствор металла, обладающего эффектом плазменного усиления локального поля, например, серебра, обладающего свойствами увеличения локального поля за счет плазменного резонанса, вследствие чего вблизи коллоидных частиц повысится интенсивность лазерного излучения, т.е. вместо долей В/см² она будет достигать уровня сотен киловатт/см², а то и мегаватт/см², тем самым повышая эффективность наработки синглетного кислорода.

Из вышеприведенного следует, что предложенное техническое решение имеет преимущества по сравнению с известным:

- отсутствие токсичных фотосенсибилизаторов, инжектируемых пациенту;

- возможность применения процедуры в любое необходимое время;

- отсутствие необходимости в стационарном лечении для предотвращения ожогов от рассеянного излучения.

Важным техническим результатом предлагаемого способа является то, что индуцируемые поражения клеток локализованы не только в мембране, где обычно накапливается сенсибилизатор при ФДТ, а везде, где присутствует растворенный в тканях молекулярный кислород, в том числе в митохондриях и ядре, вызывая при этом активацию апоптина и повреждения ДНК раковых клеток.

Следовательно, предложенный способ при использовании дает положительный технический результат: повышение эффективности и улучшение качества терапии злокачественных опухолей.

Литература

1. Apoptin induces apoptosis in human transformed and malignant cells but not in normal cells; (May 1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA. vol.94, pp.5943-5847; A.A.A.M.Dannen-Van Oorschot, D.F.Fisher, J.M.Grimbergen, B.Klein, S.-M.Zhuang, J.H.F.Falkenburg, C.Backendorf, P.H.Quax, A.J.Van der Eb, and M.H.M.Noteborne.

2. Singlet Oxygen, but not Oxidizing radicals. Induces Apoptosis in HL-60 Cells; (2000) Photochemistry and Photobiology, vol.72(4), pp.548=553; Irene E.Kochevar, Mary C.Lynch, Shougang Zhuang and Christopher R.Lambert.

1. Способ подавления роста и элиминации злокачественных образований, включающий воздействие на злокачественное образование инфракрасным лазерным излучением в импульсном режиме, при средней плотности мощности излучения, не приводящей к термической коагуляции ткани и обеспечивающей генерацию химически активного электронно возбужденного кислорода в ткани, при контроле величины перфузии ткани кровью, отличающийся тем, что лазерное облучение производят в инфракрасной области в полосах поглощения молекулярного кислорода, с мощностью в импульсе более 1 кВт/см² и длительностью импульсов Δτ, где 10^-8 с≤Δτ≤10^-5 с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дозу облучения выбирают достаточной для возбуждения апоптина.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед воздействием лазерным излучением пациенту вводят внутривенно коллоидный раствор металла, обладающего эффектом плазменного усиления локального поля.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве металла для получения коллоидного раствора используют серебро.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучение производят с уровнем средней мощности, достаточным для осуществления гипертермического режима.