Фотодинамический эффект и фотодинамическая терапия - Биология и естествознание контрольная работа

Главная

Биология и естествознание
Фотодинамический эффект и фотодинамическая терапия

Клиническое применение фотодинамической терапии. Механизм действия фотосенсибилизаторов на клеточном уровне. Роль митохондрий и ионов кальция в фотодинамически индуцированном апоптозе. Участие сигнальных процессов и защитных белков в реакциях клеток.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Фотодинамический эффект и фотодинамическая терапия
1. История фотодинамической терапии
2. Фотодинамический эффект: фотофизика и фотохимия
5. Клинические применения фотодинамической терапии
6. Внутриклеточная локализация фотосенсибилизаторов
7. Фотодинамическое воздействие на основные клеточные структуры
10. Аппарат Гольджи и эндоплазматический ретикулум
11. Цитоскелет: микротрубочки и актиновые филаменты
13. Роль митохондрий в фотодинамически индуцированном апоптозе
14. Смерть клеток при фотодинамическом воздействии на лизосомы
15. Роль ионов кальция в фотодинамически индуцированном апоптозе
16. Участие сигнальных процессов в реакциях клеток на фотодинамическое воздействие
21. Фосфатидилинозитол 3-киназа и протеинкиназа В/Akt
26. Участие защитных белков в реакциях клеток на фотодинамическое воздействие
1. История фотодинамической терапии
В 1900 году О. Рааб и Г. фон Таппейнер обнаружили, что инфузории и другие простейшие, окрашенные производными акридина, останавливаются и погибают при освещении. Г. фон Таппейнер назвал этот эффект фотодинамическим (ФД), что обозначало действие света на динамику клеток, их подвижность. Этот эффект также называют фотосенсибилизацией, т.е. приданием фоточувствительности клеткам или организмам. В 1902 году Леду-Лебартс показал, что для фотодинамического повреждения клеток кроме красителя и света обязательно нужен кислород, т.е. в фотодинамическом повреждении клеток участвует триада: «краситель - свет - кислород». Г. фон Таппейнер сразу понял потенциальную терапевтическую ценность фотодинамического эффекта. Уже в 1903 году он и А. Джезионек впервые вылечили рак кожи с помощью окрашивания эозином и освещения ярким солнечным светом. Но оказалось, что свет также повреждает кожу и вызывает сильную боль. Эти побочные эффекты, а также нестабильное лечебное действие, ограничение фотоповреждения только поверхностными слоями кожи побудило первых исследователей прекратить эксперименты. Позднее В. Хаусманн (1911) показал высокую фототоксичность гематопорфирина, а в 1924 году А. Поликар обнаружил избирательное накопление его опухолями, открывшее перспективы их флуоресцентной визуализации и фототерапии рака.
В конце 1950-х годов С. Шварц и Р.Л. Липсон показали, что красную флуоресценцию препаратов гематопорфирина, избирательно накопившихся в опухоли, можно видеть во время хирургической операции. В попытке очистить гематопорфирин с помощью серной и уксусной кислот была получена смесь различных производных, названная «производное гематопорфирина» (HpD), которая более избирательно локализуется в опухолях, чем чистый гематопорфирин. Авторы показали возможность использования HpD для флуоресцентной диагностики и разрушения опухолей. HpD не имеет точного химического состава. Это смесь различных веществ, наиболее активными из которых являются ди- и полигематопорфириновые эфиры. Препараты HpD, полученные в разных странах, называются Фотофрин, Фотофрин II (Сша, Канада), Фотосан-3 (Германия), Фотогем (Россия).
Широкое распространение фотодинамической терапии (ФДТ) началось в 1970-х годах с работ Т. Догерти и соавторов. Уже в первых работах они добились полного или частичного разрушения 111 из 113 кожных и подкожных опухолей и метастазов у 25 пациентов после внутривенного введения HpD и облучения красным светом ксеноновой лампы. После этих работ началось взрывное изучение фотодинамического эффекта и применение фотодинамической терапии для лечения рака и других болезней.
2. Фотодинамический эффект: фотофизика и фотохимия
В окрашенных клетках возбужденные светом молекулы красителей повышают чувствительность клеток к световому повреждению. Поэтому их называют фотосенсибилизаторами. Выделяются два типа фотодинамических процессов.
В фотодинамическом эффекте I типа фотовозбужденные молекулы фотосенсибилизаторов S переходят в возбужденное синглетное состояние 1 S * , а затем в долгоживущее триплетное состояние 3 Т* и реагируют с субстратом R и молекулами среды, в частности, с водой. При этом образуются промежуточные радикальные продукты, которые затем взаимодействуют с кислородом и дают сложную смесь высокоактивных продуктов, которые вступают в дальнейшие окислительные реакции и повреждают биоструктуры (Рис.1):
Далее происходит перенос электронов:
Образующиеся радикалы участвуют в различных реакциях, а в присутствии кислорода они инициируют цепное перекисное окисление, которому особенно подвержены ненасыщенные липиды в биомембранах:
и образование супероксид-аниона и других активных форм кислорода:
HO 2 * + O 2 *- + H + > H 2 O 2 + O 2
Последняя реакция называется реакцией Габера-Вейса. Она резко усиливается в присутствии ионов железа:
H 2 O 2 + Fe(II) > OH* + OH- + Fe(III)
Супероксид-анион O 2 *-, получающийся в этих реакциях, высокоактивен. Еще более активен гидроксил-радикал OH*. Эти активные формы кислорода (АФК) при взаимодействии с ненасыщенными жирными кислотами образуют радикалы липидов (L*), алкоксильные радикалы (LO*), перекисные радикалы (LOO*) или гидроперекиси липидов (LOOH), входящих в состав биомембран. Далее запускается цепь перекисного окисления липидов, повреждения биомембран и нарушения их функций.
В фотодинамических реакциях II типа (Рис.1) сначала энергия фотовозбужденного красителя переносится на кислород и переводит его в высокоактивное синглетное состояние 1 О 2 ( 1 Д g ), а затем синглетный кислород окисляет разнообразные субстраты в клетках:
и запускает цепь перекисных процессов:
В отличие от других молекул, основное состояние обычного молекулярного кислорода - триплетное ( 3 У g -) с локализацией двух неспаренных электронов на разных ядрах. В электронно-возбужденном синглетном состоянии 1 Д g оба спаренных электронов располагаются на одной орбитали, а вторая орбиталь свободна и может принять пару электронов, что обусловливает высокую реакционную способность синглетного кислорода. В воде время жизни 1 О 2 (ф Д ) примерно 3 мкс, а в органических растворителях 10-250 мкс. В биосистемах 1 О 2 быстро перехватывается аминокислотами и белками и ф Д значительно ниже: порядка 170-320 нс в цитоплазме и 24-30 нс в липидной фазе биомембран. По данным Й. Моана и К. Берга, в клетках, содержащих множество тушителей, диффузионная длина 1 О 2 не превышает 10-20 нм. Следовательно, 1 О 2 может повреждать только биоструктуры в непосредственной близости от молекул фотосенсибилизаторов. Поэтому фотодинамическое повреждение клетки во многом определяется внутриклеточной локализацией фотосенсибилизатора.
Рис.1. Инициация перекисного окисления липидов ФД реакциями I и II типов (по Girotti, 1990).
Окислительная способность синглетного кислорода на 2 порядка выше, чем обычного кислорода. Он может повреждать все основные компоненты клеток. Как показано T. Dougherty et al. (1976), именно синглетный кислород является основным цитотоксическим агентом при фотодинамическом повреждении опухолей производным гематопорфирина.
В нуклеиновых кислотах он атакует в основном тимин и урацил, а также вызывает поперечные сшивки ДНК-ДНК или ДНК-белок, однонитевые разрывы ДНК. Эти воздействия усугубляются тем, что ферменты, репарирующие ДНК, особенно чувствительны к синглетному кислороду. Однако, в интерфазных клетках ДНК не является первоочередной мишенью для ФД воздействия, т.к. фотосенсибилизаторы обычно локализуются в цитоплазме и не проникают в ядро.
В белках легче всего фотоокисляются дисульфидные связи, цистеин, гистидин, тирозин, триптофан и фенилаланин, особенно, если они расположены на поверхности глобул и доступны для фотосенсибилизатора. Они обычно играют ключевую роль в ферментативной активности, и поэтому белки очень чувствительны к фотодинамическому воздействию. Белки теряют активность в результате фотоиндуцированного нарушения структуры активного центра, внутренних сшивок или межмолекулярных сшивок с другими белками, липидами, РНК и ДНК.
В фотодинамических реакциях I типа радикальные пары, образующиеся при переносе электронов, относительно стабильны в среде с высокой диэлектрической проницаемостью, где обратный перенос электронов затруднен, т.е. в водных растворах. Напротив, в неполярных липидных средах время жизни и растворимость 1 О 2 выше. Следовательно, фотодинамические реакции I типа легче протекают в цитозоле, а II типа - в липидной фазе биомембран. То есть, фотодинамические реакции с участием гидрофильных фотосенсибилизаторов должны преимущественно идти по первому типу, а гидрофобных - по второму. Реакции II типа доминируют в повреждающем действии большинства фотосенсибилизаторов, включая порфирины, хлорины, фталоцианины и т.д.
Интенсивная генерация радикальных активных форм кислорода (О 2 -*, OH*, HO 2 *, H 2 O 2 или синглетного кислорода ( 1 О 2 ) при фотодинамическом воздействии приводит к окислению и повреждению белков, перекисному окислению липидов клеточных мембран, нарушению клеточных функций, развитию окислительного стресса и, в итоге, к смерти клеток. Общая схема фотоповреждения клетки:
Триплетное состояние фотосенсибилизатора
Активация кислорода (генерация 1 О 2 ) или других молекул
Окислительные превращения биомолекул
Структурные перестройки биоструктур
Процесс фотодинамической терапии (ФДТ), схематично представленный на рис. 2, можно разделить на следующие стадии:
А. Селективное окрашивание патологически измененных тканей.
Б. Фотофизические процессы, ведущие к генерации активных химических продуктов.
В. Темновые фотохимические процессы, ведущие к смерти клеток и деструкции опухоли.
Д. Выведение фотосенсибилизатора из организма.
Рис.2. Основные этапы фотодинамической терапии
А1. Доставка фотосенсибилизатора к опухолевой ткани. Фармакокинетика фотосенсибилизаторов зависит как от свойств органов или тканей, например, от их кровоснабжения, так и от их физико-химических характеристик фотосенсибилизаторов, особенно, от их гидрофильности или липофильности. Гидрофильные сенсибилизаторы локализуются преимущественно в кровеносных сосудах, а гидрофобные - в опухолевой ткани. Они лучше проникают в опухолевые клетки. Концентрация фотосенсибилизатора в опухоли достигает максимума через несколько часов после внутривенного введения, а затем он постепенно выводится из организма. При этом концентрация фотосенсибилизатора в опухоли может превышать его концентрацию в окружающих тканях в 10-30 раз, что позволяет избирательно разрушать опухоль.
А2. Проникновение фотосенсибилизаторов в клетки и распределение их между различными внутриклеточными компонентами (плазматической мембраной, органеллами, ядром и цитозолем) зависит от физико-химических характеристик фотосенсибилизаторов. Гидрофобные вещества локализуются в основном в клеточных мембранах, а гидрофильные после пиноцитоза попадают в эндосомы и лизосомы. При освещении лизосомальные мембраны разрушаются, и краситель может перераспределяться внутри клетки и неспецифически окрашивать внутриклеточные структуры.
Б1. Облучение опухоли. В качестве источников света используются мощные лампы, лазеры, в частности, лазерные диоды (LED - light-emitting diode), излучающие красный или ближний инфракрасный свет в области 600-800 нм. В этой спектральной области, называемой «терапевтическим окном», собственное поглощение тканей, обусловленное, главным образом, гемоглобином крови и миоглобином мышц, уменьшается, и свет глубже проникает в ткани по сравнению с более коротковолновым или длинноволновым излучением (Рис.3, 4). Инфракрасное излучение с длиной волны, большей 800 нм, несмотря на хорошее проникновение в биологические ткани, оказывается неэффективным из-за неспособности низкоэнергетических фотонов генерировать синглетный кислород.
Рис.3. Спектры поглощения важнейших хромофоров в клетках и тканях (По: J. Moan, 2001)
Рис.4. Проникновение оптического излучения с разной длины в кожу (По: J. Moan, 2007)
В тканях свет поглощается и рассеивается, его интенсивность падает. Глубина проникновения света не превышает 1 см. Поэтому наиболее эффективно повреждаются небольшие и плоские опухоли. Однако, возможно послойное разрушение более крупных опухолей в несколько приемов. Для повышения эффективности облучения в опухолевую ткань иногда вставляют несколько световодов, доставляющих лазерное излучение на большую глубину.
Б2. Поглощение света и первичные фотохимические реакции. Энергия фотовозбуждения молекул фотосенсибилизатора может не только расходоваться на тепловые процессы или флуоресценцию, но также пойти на фотохимические реакции. Это особенно эффективно происходит с участием долгоживущих триплетных состояний. Поэтому фотосенсибилизаторы должны отличаться высоким квантовым выходом интеркомбинационной конверсии синглетного состояния в триплетное. В результате переноса энергии фотовозбуждения на кислород и различные биомолекулы генерируются синглетный кислород, другие АФК и различные радикальные интермедиаты. Квантовые выходы генерации триплетных состояний и синглетного кислорода фотосенсибилизаторами имеют обычно значения 0,2-0,8 (Табл.1)
В1. Вторичные темновые реакции и повреждение клеток. На следующем этапе в клетках происходят свободнорадикальные процессы окисления липидов, белков и других биомолекул, вызывающие повреждение биомембран и клеточных органелл. В клетках развиваются цитотоксические каскады, ведущие к смерти клеток - апоптозу или некрозу. Эти процессы контролируются реакциями внутриклеточной сигнальной трансдукции.
В2. Лизис погибающих клеток. Высвобождение продуктов распада, стимулирующих как гибель соседних клеток, так и фагоцитоз клеточных обломков соседними клетками или лейкоцитами крови. Фагоцитоз продуктов распада больших опухолей представляет серьезную проблему для организма, поэтому лучшие результаты достигаются при лечении небольших новообразований.
Г. Заживление раны. В случае массивной некротической гибели клеток под влиянием интенсивного фотодинамического воздействия формируется рубцовая ткань, а при преимущественном развитии апоптоза продукты распада клеток успевают перевариваться соседними клетками и макрофагами, и заживление раны происходит быстрее, рубец не формируется и достигается лучший косметический эффект.
Д. Выведение фотосенсибилизатора из организма может занимать значительное время (до нескольких месяцев). При этом человек приобретает кожную фоточувствительность, что ограничивает возможность его пребывания на свету, снижает трудоспособность и качество жизни. Поэтому одной из проблем фотодинамической терапии является разработка быстро выводящихся сенсибилизаторов.
В качестве примера стандартного протокола фотодинамической терапии приведем методику, описанную Schuitmaker et al. (1996): внутривенная инъекция Фотофрина в дозе 2-5 мг/кг веса и через 24-72 часа после инъекции - облучение красным светом (630 нм, 100-200 Дж/см 2 ). Основными мишенями фотодинамической терапии рака являются опухолевые клетки, капиллярная сеть, периферические нервные элементы и иммунные клетки.
Таблица 1. Квантовые выходы генерации триплетных состояний и синглетного кислорода разными фотосенсибилизаторами
Производное гематопорфирина HpD, использованное Р.Л. Липсоном, а позднее Т. Догерти в первых работах по фотодинамической терапии, является эффективным сенсибилизатором и сегодня использующимся в онкологической практике. Но HpD, как и усовершенствованные препараты гематопорфирина Фотофрин или Фотогем (Россия) являются сложной смесью множества различных порфиринов, включая гематопорфирин, протопорфирин, дейтеропорфирины, их производные, мономеры, димеры и олигомеры, их эфиры, состав которой зависит от условий получения, а потому нестабилен. К тому же эти препараты медленно выводятся из организма, который приобретает фоточувствительность на срок до 4-6 недель. Это побудило исследователей к разработке фотосенсибилизаторов следующего поколения.
Оптимальный фотосенсибилизатор должен обладать следующими свойствами:
1. Химическая чистота. Установленная химическая формула.
2. Отсутствие темновой токсичности, стимуляции клеточного деления и мутагенности.
3. Высокая молярная экстинкция в дальней красной области.
4. Высокий квантовый выход триплетных возбужденных состояний и фотогенерации синглетного кислорода.
5. Стабильность в организме и при облучении.
6. Быстрое и селективное накопление в опухолях.
7. Отсутствие накопления в коже, глазах и слизистых оболочках и быстрое выведение из организма (за 1-2 суток).
10. Официальное разрешение применения.
Многие из этих требований противоречат друг другу, поэтому оптимальный фотосенсибилизатор, удовлетворяющий всем требованиям, пока не создан. При создании новых препаратов исследователям приходится идти на компромисс. В качестве фотосенсибилизаторов уже синтезированы и испытаны многие соединения, относящиеся преимущественно к порфириновому ряду: различные порфирины, хлорины, фталоцианины, феофорбиды и т.д. (Рис. 5; Табл. 2). К числу фотосенсибилизаторов, перспективных для клиники и уже прошедших II и/или III стадию клинических испытаний, относятся: производное бензопорфирина BPD-MA (лекарственные формы вертепорфин или визудин), сульфированный алюмофталоцианин Фотосенс; мезо-тетрагидроксифенилхлорин mTHPC (лекарственные формы темопорфин или фоскан); моноаспартилхлорин e 6 ; этиопурпурин олова SnET2 (лекарственная форма Purlytin) и другие. Несмотря на наличие этих, достаточно хороших фотосенсибилизаторов, исследователи продолжают поиски новых, более эффективных.
Рис.5. Некоторые фотосенсибилизаторы, применяющиеся при фотодинамической терапии
5. Клинические применения фотодинамической терапии
С помощью фотодинамической терапии удается получить положительный лечебный эффект и полностью вылечить до 70-90 % больных некоторыми формами рака. Онкологические применения фотодинамической терапии, однако, ограничены опухолями, доступными для светового воздействия. Это могут быть либо поверхностные опухоли, которые можно непосредственно облучать, например, рак кожи, головы и шеи, либо опухоли полых внутренних органов, к которым можно доставить свет с помощью волоконного световода. К таким опухолям относятся полости рта, пищевода, желудка, толстого кишечника, легких, молочной железы, шейки матки, простаты и мочевого пузыря. Также проводятся экспериментально-клинические исследования применения фотодинамической терапии для лечения опухолей мозга, глаза, яичек, груди и т.д. В ряде стран фотодинамическая терапия рака уже получила одобрение национальных организаций, контролирующих применение лечебных препаратов. Современное состояние клинических применений различных фотосенсибилизаторов отражено в таблице 2.
Таблица 2. Современное состояние разработок в области клинических применений ФДТ (По: Moan, Peng, 2003)
Разрешено для лечения рака пищевода, желудка, легких, мочевого пузыря, шейки матки (Франция, Германия, США, Великобритания, Канада, Финляндия, Япония, Нидерланды). Проводятся клинические испытания для лечения рака мозга.
Производное бензопорфирина (BPD-MA)
Разрешено в разных странах для лечения макулярной дегенерации сетчатки. III фаза клинических испытаний для лечения базальноклеточной карциномы
Диагностика рака мочевого пузыря (I/II фаза клинических испытаний)
Актиничный кератоз и базальноклеточная карцинома (ЕС, Австралия)
Тетра(гидрокси-фенил)хлорин (mTHPC)
Рак головы и шеи (ЕС, Норвегия, Исландия); Рак груди, поджелудочной железы, желудка и кишечника (II фаза клинических испытаний)
Рак кожи, макулярная дегенерация сетчатки (III фаза клинических испытаний); Рак простаты (I фаза клинических испытаний)
Рак мозга (I фаза клинических испытаний)
Ранние стадии рака легкого (III фаза клинических испытаний)
Опухоли головы, шеи, легких, прямой кишки, простаты и др. (II фаза клинических испытаний)
Глиобластома, кожная Т-клеточная лимфома, саркома Капоши, псориаз (I/II фаза клинических испытаний), антивирусный агент (СПИД и др.) (I фаза клинических испытаний)
Опухоли кожи, груди, легких, пищеварительного тракта (Россия)
Фотодинамическая терапия, как и другие методы лечения, особенно эффективна на ранних стадиях рака, в случае небольших локализованных опухолей. Ее достоинства по сравнению с другими методами лечения рака (хирургией, радио- и химиотерапией) - локальность и селективность воздействия, возможность многократного повторения процедур, послойной обработки опухолей, бесконтактность воздействия, возможность сочетания с другими методами лечения, снижение метастазирования. Фотодинамическая терапия является бинарным воздействием, оба компонента которого - краситель и свет - по отдельности нетоксичны и только при совместном применении разрушают клетки. К недостаткам относятся трудность точной дозиметрии, медленное выведение красителя из организма, придающее организму нежелательную фоточувствительность.
Области применения фотодинамической терапии не ограничиваются онкологией. В последние годы показано, что фотодинамическая терапия перспективна для лечения макулярной дегенерации сетчатки; псориаза, ревматоидного артрита, атеросклеоза, рестеноза кровеносных сосудов после балонной ангиопластики, бактериальной и грибковой инфекции, а также для стерилизации переливаемой крови или эритроцитарной массы.
6. Внутриклеточная локализация фотосенсибилизаторов
Для оптимизации фотодинамического воздействия на ткани и поиска наиболее эффективных фотосенсибилизаторов необходимо понять механизм их действия на клеточном уровне, выяснить, как структура фотосенсибилизаторов определяет их физико-химические свойства и фотодинамическую эффективность. Поскольку 1 О 2 диффундирует в клетке не более, чем на 10-20 нанометров, то локализация сенсибилизатора определяет мишени, которые в первую очередь подвергаются фотодинамическому воздействию.
Красители могут проникать в клетку, как путем диффузии, так и в результате эндоцитоза, когда некоторый объем внеклеточной жидкости захватывается внутрь эндоцитозных пузырьков, транспортируемых в клетку. Диффузионное проникновение фотосенсибилизатора в клетку и его внутриклеточная локализация сильно зависят от размеров молекул, их полярности (гидрофобность или гидрофильность), суммарного заряда и распределения заряженных групп (симметричное или асимметричное), способности к образованию водородных связей, подверженности к агрегации и т.д. Кроме того, локализация фотосенсибилизатора в клетке зависит от времени инкубации, состава внеклеточной среды, например, от присутствия в ней сыворотки крови или белков.
Гидрофобные фотосенсибилизаторы локализуются преимущественно вокруг ядра, в области, богатой клеточными органеллами - митохондриями, эндоплазматическим ретикулумом (ЭР), комплексами Гольджи, лизосомами и везикулами. Они легко проникают в липидную фазу плазматической мембраны, но с трудом выходят из нее в водную среду. Но они могут переноситься к внутриклеточным органеллам с помощью амфифильных белков цитозоля, таких как шапероны. Другой механизм их внутриклеточного транспорта - в составе мембран пиноцитозных пузырьков.
Проникновению в клетку полярных фотосенсибилизаторов препятствует липидный бислой клеточной мембраны. Они с трудом попадают в мембрану, но легко из нее выходят. Проницаемость мембраны для них характеризуют коэффициентом распределения K p в системе «неполярный органический растворитель/вода». Для анионных красителей дополнительным барьером служит отрицательный заряд клеточной поверхности. Поэтому такие анионные фотосенсибилизаторы, как NPе 6 ; TPPS 3,4 , AlPCS 3,4 попадают в цитоплазму главным образом путем эндоцитоза.
Наиболее эффективны амфифильные фотосенсибилизаторы, у которых с одной стороны есть положительно заряженная группа, а другая сторона липофильна. За счет липофильной части они пересекают плазматическую мембрану и проникают в цитоплазму, а затем благодаря своему положительному заряду втягиваются в митохондрии. Так, у фибробластов мембранный потенциал относительно окружающей среды равен примерно -75 мВ, а разность потенциалов между митохондриальным матриксом и цитозолем около -180 мВ. Расчет с использованием уравнения Нернста показывает, что концентрация хорошо пересекающего мембраны катионного красителя в цитозоле 18 раз выше, чем в среде, а в митохондриях - в 1000 раз выше, чем в цитозоле. Поскольку объем митохондрий около 15% от объема клетки, то подавляющее большинство красителя концентрируется в митохондриях. Это значительно увеличивает фототоксичность.
Локализация фотосенсибилизаторов в клетке также зависит от их концентрации и времени инкубации. Например, при 10-минутной инкубации TPPS 2a накапливается в плазматической мембране, а через 1 час попадает в лизосомы. Облучение клеток повреждает мембраны клеточных органелл, что может привести к перераспределению фотосенсибилизаторов из мест первоначального связывания в другие компартменты. Например, тот же TPPS 2a , сконцентрированный в лизосомах, после облучения диффузно распределяется в цитоплазме.
В настоящее время ведутся работы по направленной доставке фотосенсибилизаторов в клетки. В качестве их носителей используются белки (альбумины или липопротеины низкой или высокой плотности), липосомы, полимерные наночастицы, квантовые точки и антитела.
Молекулы красителей связываются с белками за счет электростатических, вандерваальсовых, гидрофобных и водородных взаимодействий. Например, одна молекула липопротеина низкой плотности (ЛНП) может переносить до 1000 гидрофобных молекул. Они не фагоцитируются клетками крови и длительно циркулируют в кровеносном русле. Многие клетки имеют на своей поверхности рецепторы ЛНП, а в опухолевых клетках их особенно много. Поэтому с их помощью можно направленно доставлять фотосенсибилизатор в опухоль.
Липосомы - искусственные мембранные пузырьки из фосфолипидных молекул. Гидрофильные фотосенсибилизаторы вводятся внутрь липосом, а гидрофобные включаются в липосомную мембрану. Липосомы облегчают транспортировку гидрофобных фотосенсибилизаторов по кровеносным сосудам. Интересно применение фоточувствительных липосом, у которых мембрана содержит фотосенсибилизатор. При ее фотоповреждении переносимое вещество: лекарство, токсин, белок, или нуклеиновая кислота контролируемым образом высвобождается внутрь клетки.
Включение фотосенсибилизаторов в полимерные биодеградирующие наночастицы может увеличить количество переносимого вещества. При этом, варьируя материалы, можно добиться желаемых свойств носителя. Еще один способ направленной доставки фотосенсибилизаторов - связывание их с моноклональными антителами, специфичными к антигенам на поверхности раковых клеток, или с молекулами, способных отыскивать опухоль, благодаря наличию у опухолевых клеток специфических рецепторов. К таким молекулам относятся белок трансферрин, фолиевая кислота, некоторые гормоны, например, стероиды или инсулин, или эпидермальный фактор роста EGF. Их связывание с рецептором стимулирует эндоцитоз и захват фотосенсибилизатора из окружающей среды.
7. Фотодинамическое воздействие на основные клеточные структуры
В механизме повреждения клеток важную роль играет не только накопление фотосенсибилизатора в определенных органеллах и не только степень их повреждения, но и роль, которую эти структуры играют в жизнеспособности клетки. Например, по данным Kessel и Poretz (2000), при 10-минутной инкубации фотосенсибилизатор NPe 6 накапливается преимущественно в эндосомах, а наиболее сильные повреждения отмечаются в митохондриях. Аналогично, по данным Fedorenko, Uzdensky (2008), при фотосенсибилизации нейронов алюмофталоцианинами, которые считаются лизосомотропными, наиболее выраженные ультраструктурные изменения наблюдаются не в лизосомах, а в митохондриях и аппарате Гольджи. При этом того небольшого количества фотосенсибилизатора, которое попадает в эти органеллы, достаточно, чтобы их повредить и вызвать смерть клетки.
Плазматическая мембрана - первый барьер на пути фотосенсибилизатора в клетку. Перед тем, как попасть в клетку, фотосенсибилизаторы задерживаются в ней. Гидрофильные фотосенсибилизаторы сильнее сенсибилизируют клеточную поверхность, в частности, связанные с мембраной белки и гликопротеины, а липофильные - липидный бислой и гидрофобные участки интегральных или погруженных в мембрану белков.
Биомембраны особенно чувствительны к фотодинамическому воздействию. Фотодинамическое повреждение плазматической мембраны происходит быстро, в первые минуты воздействия. Синглетный кислород и другие АФК инициируют в ней цепные процессы перекисного окисления липидов. Особенно легко окисляются ненасыщенные жирные кислоты и холестерин. 1 О 2 может присоединяться по месту двойных связей в липидах (L) с образованием гидропероксидов LOOH. Кроме того, в результате перекисного окисления липидов в клетке образуются радикальные продукты типа L*, LOO*, OLOO*, и OLO*. Долгоживущие гидропероксиды скорее, чем короткоживущие радикалы могут служить сигнальными медиаторами в окислительном стрессе. Они могут транспортироваться в мембранах на большие расстояния, а их перенос между органеллами распространяет окислительный стресс по всей клетке. Перекисное окисление повышает жесткость липидного бислоя, вызывает образование межмолекулярных липид-липидных и липид-белковых сшивок, что приводит к образованию локальных дефектов и пор в липидных бислоях, изменению текучести мембран и подвижности ионов внутри мембраны (Рис.6).
Другой критической мишенью в мембранах, еще более важной для нарушения клеточных функций, являются мембранные белки. По данным Davies (2003), на их фотоповреждение тратится до 70 % синглетного кислорода, генерируемого в клетке, тогда как на окисление аскорбата - 17 %, а липидов - менее 1 %. Крупные мембранные белки, такие как ионные каналы или транспортные АТФазы весьма чувствительны к фотодинамическому воздействию. Ионные каналы теряют селективность и проводимость, а Na + ,K + -, и Ca 2+ -АТФазы инактивируются. В результате утечки ионов и нарушения их транспорта происходит падение ионных градиентов и деполяризация клеток. Фотодинамическое воздействие также повреждает мембранные рецепторы и нарушает процессы сигнальной трансдукции.
Рис. 6 Механизм повреждения биомембран при перекисном окислении липидов (по Girotti, 1990)
Митохондрии очень чувствительны к фотодинамическому воздействию. К тому же они
Фотодинамический эффект и фотодинамическая терапия контрольная работа. Биология и естествознание.
Доклад: Модульно-редуктивное обучение истории и обществоведению
Сочинение На Тему Катерина Победительница Или Побежденная
Реферат Культура Беларуси 14 15 Века
Курсовая Работа На Тему Анализ Стоимостных Цепочек
Реферат: Vladimir And Estragon A Symbol Of Man
Реферат по теме Расчет связного АМ суперитероидного приемника
Курсовая работа по теме Взгляды основных экономических школ на сущность товара
Курсовая Работа На Тему Оптимізація Розподілу Та Використання Добрив У Сільськогосподарському Підприємстві
Культура Философии Реферат
Курсовая работа: Проектирование трехэтажного жилого здания
Сколько Пишется Итоговое Сочинение
Курсовая работа: Свинарник-маточник на 300 мест
ЛЕКЦИЯ 23
Реферат: Жертвы красного террора. Скачать бесплатно и без регистрации
Елбасы Жайлы Эссе
Реферат по теме Влияние налогов на развитие экономики
Курсовая работа по теме Комплексный анализ правового регулирования легитимации высшего должностного лица субъекта РФ
Реферат по теме Банковская система в России. Проблемы становления
Доклад: Практика решения проблемы управления индивидуализированным обучением на базе информационных технологий
Реферат: Go Ask Alice Essay Research Paper I
Фиалка - Биология и естествознание статья
Витамины группы D. D2 и D3 - Биология и естествознание презентация
Биохимические процессы автолиза мышечной ткани курицы - Биология и естествознание курсовая работа