2D細胞培養モデルにおけるベルテポルフィン細胞毒性を高めるための自作発光ダイオードベースの光線力学治療装置

最も致命的な非感染性疾患の中で、癌は早死の世界的な主要な原因を表しています。2020年には1,000万人近くが死亡し、世界の約6人に1人が死亡しました¹。さらに、多剤耐性(MDR)現象は、承認された化学療法プロトコルがこの臨床状態の寛解段階に到達できないため、公衆衛生上の大きな脅威を表しています²。癌細胞は、いくつかのメカニズムを通じて化学療法に対する耐性を発達させることができます。しかし、一部のATP結合カセット(ABC)トランスポーター(ATP依存性排出ポンプ)の過剰発現は、腫瘍微小環境内でのMDR発生の主な原因と考えられています³。MDRに加えて、再発や転移などの他の癌合併症は、この腫瘍学的課題を克服するための治療アプローチを開発および改善するという緊急の要求を強化します。

光の治療的利用は何世紀にもわたって実践されており⁴、光線力学療法(PDT)は、固形腫瘍の臨床的に承認された治療アプローチを表しています。PDTは、光増感剤(PS)の投与とそれに続く光照射を組み合わせて活性酸素種(ROS)を生成し、腫瘍細胞に選択的な細胞毒性を発揮します。この治療アプローチは、手術、放射線療法、化学療法などの従来の方法よりも優れています⁵。これは、結合組織⁶においてより低い細胞毒性を示す低侵襲技術である。腫瘍またはその微小環境に直接光を当ててPSを蓄積することで、正確な標的化が保証され、その結果、軽微で望ましくない全身性の副作用⁷と、同じ部位での繰り返し治療の可能性が保証されます。さらに、コストは他のアプローチよりも低くなります。その有望な特徴により、PDTは、特に手術不能な腫瘍の場合の単一または補助的な^癌治療7の両方にとって適切な選択肢と見なすことができ、化学療法に関連するMDRの代替手段となります^8,9。

PDTを用いた高い客観的奏効率を示す最初の報告は、マウスおよびラットモデル¹⁰において1975年に記載された。それ以来、PDTを用いて研究が行われ、2D細胞培養におけるヒト腫瘍細胞株を用いたin vivoおよびin vitroの両方で陽性の結果⁷が得られました^11,12。臨床的に承認されたPSの幅広い適用性を考慮すると、それらの特定の蓄積経路および吸収ピークの波長範囲にかかわらず、一般的なプロセスは以下の通りである:(i)PS取り込み、(ii)腫瘍またはその微小環境におけるPS濃度のピーク、(iii)光の適用、(iv)PS光相互作用、(v)PS励起状態エネルギーの組織基質または周囲の酸素分子のいずれかへの伝達、 (vi)一重項酸素またはスーパーオキシドアニオンを含むROS産生、(vii)腫瘍細胞死を介した、本質的に、壊死またはアポトーシス(直接死)、オートファジー(細胞保護機構)、組織虚血(血管損傷)、免疫調節、または^{これらの機構の}重複7。この最終段階では、特定の細胞死経路の活性化は、細胞特性、実験デザイン、そして最も重要なことに、PS細胞内局在およびPDT関連の標的損傷などの多くの要因に依存する¹³。

Verteporfinは第2世代のPSであり、加齢黄斑変性症を治療するためにノルウェーと中国で臨床使用するために規制当局によって承認されています⁷。用量送達後、このプロドラッグはミトコンドリアに部分的に蓄積し¹⁴、細胞タンパク質チロシンリン酸化およびDNA断片化を誘導し、腫瘍細胞のアポトーシスをもたらすことが報告された^15,16。椎骨のインターナリゼーションのための24時間のインキュベーション後、隣接する分子への電磁放射伝達の有効レベルを達成するために、690nmの波長設定を使用するPDTプロトコルが推奨されます^7,17。

PDTの光源に関しては、従来のダイオードレーザーシステムは通常高価で、技術的に複雑で、特大であるため、持ち運びが困難です^18,19。LEDベースのPDT機器でも観察できる単一波長プロファイルの結果として、各光増感剤アプリケーションのための独立したユニットの需要は、ダイオードレーザーシステムの利用をさらに複雑にし、経済的に実行不可能にします^20,21。したがって、LED機械の利用は、コスト²²とメンテナンスの問題を解決するだけでなく、高出力と害の少ない23とより広い照明能力を提供する最も有望な代替手段と考えられています24,25,26,27。

LEDベースの機器がPDT実験²⁸に提供できる潜在的な貢献にもかかわらず、ほとんどの商用オプションには、携帯性の欠如、高コスト、複雑な建設プロジェクトおよび操作²⁹などの欠点が依然としてあります。この研究の主な目的は、 in vitro PDTアッセイのためのシンプルで信頼性の高いツールを提供することでした。本稿では、安価で使いやすく、ポータブルな自社製のLEDベースのPDTデバイスであるPhotoACTについて説明します。概念実証として、このデバイスは、2D細胞培養モデルにおける椎骨ポルフィンの細胞毒性を高めることが示されているため、PDT実験の研究ツールとして使用できます。