Собственное устройство фотодинамической терапии на основе светодиодов для повышения цитотоксичности вертепорфина в 2D-модели клеточной культуры

Среди наиболее смертоносных неинфекционных заболеваний рак представляет собой ведущую глобальную причину преждевременной смерти. На его долю пришлось почти 10 миллионов смертей в 2020 году, что составляет примерно одну из шести смертей во всем мире¹. Кроме того, явление множественной лекарственной устойчивости (МЛУ) представляет собой огромную угрозу для общественного здравоохранения, поскольку утвержденные химиотерапевтические протоколы не достигают стадий ремиссии для этого клинического состояния². Раковые клетки могут развивать устойчивость к химиотерапии через несколько механизмов; однако сверхэкспрессия некоторых АТФ-связывающих кассетных (АВС) транспортеров – АТФ-зависимых эффлюксных насосов – считается основной причиной развития МЛУ в микроокружении опухоли³. В дополнение к MDR, другие осложнения рака, такие как рецидив и метастазирование, усиливают настоятельную потребность в разработке и совершенствовании терапевтических подходов для преодоления этой онкологической проблемы.

Лечебное использование света практикуется на протяжении^{веков 4}, и фотодинамическая терапия (ФДТ) представляет собой клинически одобренный терапевтический подход для солидных опухолей. ФДТ сочетает в себе введение фотосенсибилизатора (PS) с последующим световым облучением для генерации активных форм кислорода (АФК) для оказания селективной цитотоксичности в опухолевых клетках. Этот терапевтический подход превосходит обычные методы, включая хирургию, облучение и химиотерапию⁵; это минимально инвазивный метод, показывающий более низкую цитотоксичность в соединительных тканях⁶. Легкое применение и накопление PS непосредственно в опухоли или ее микросреде обеспечивают точное нацеливание и, следовательно, незначительные, нежелательные системные побочные эффекты⁷ и возможность повторного лечения на том же участке. Более того, стоимость ниже, чем у других подходов. Благодаря своим многообещающим особенностям ФДТ можно считать подходящим вариантом как для единичных, особенно в случае неоперабельных опухолей, так и для адъювантного лечения рака⁷, и представляет собой альтернативу МЛУ, связанной с химиотерапией ^8,9.

Первый отчет, показывающий высокую объективную частоту ответа с использованием PDT, был описан в 1975 году на мышиной и крысиной модели¹⁰. С тех пор исследования проводились с использованием ФДТ с положительными исходами⁷ как in vivo, так и in vitro с линиями опухолевых клеток человека в 2D клеточной культуре^11,12. Учитывая широкую применимость клинически одобренных PS, независимо от их специфических путей накопления и диапазонов длин волн пиков поглощения, общий процесс выглядит следующим образом: (i) поглощение PS, (ii) достижение пика концентрации PS в опухоли или ее микроокружении, (iii) применение света, (iv) взаимодействие PS-света, (v) передача энергии возбужденного состояния PS либо тканевому субстрату, либо окружающим молекулам кислорода, (vi) Производство АФК с участием синглетного кислорода или супероксидного аниона, (vii) гибель опухолевых клеток посредством, по существу, некроза или апоптоза (прямая смерть), аутофагии (цитопротекторный механизм), ишемии тканей (повреждение сосудов), иммунной модуляции или перекрытия этих механизмов⁷. На этом заключительном этапе активация конкретного пути гибели клеток зависит от многих факторов, таких как характеристики клеток, экспериментальный дизайн и, самое главное, внутриклеточная локализация PS и целенаправленное повреждение, связанное с ФДТ¹³.

Вертепорфин является PS второго поколения, одобренным регулирующими органами для клинического использования в Норвегии и Китае для лечения возрастной макулярной дегенерации⁷. Сообщалось, что после доставки дозы этот пролекарство частично накапливается в митохондриях¹⁴ и индуцирует фосфорилирование тирозина клеточного белка и фрагментацию ДНК, что приводит к апоптозу опухолевых клеток ^15,16. После 24-часовой инкубации для интернализации вертепорфинов рекомендуется протокол PDT с использованием установки длины волны 690 нм для достижения эффективных уровней передачи электромагнитного излучения соседним молекулам ^7,17.

Что касается источника света для PDT, классические диодные лазерные системы обычно дорогие, технически сложные, негабаритные и, следовательно, непортируемые^18,19. Как следствие его одноволнового профиля, который также можно наблюдать в оборудовании PDT на основе светодиодов, потребность в независимых блоках для каждого применения фотосенсибилизатора делает использование диодных лазерных систем еще более сложным и экономически нецелесообразным^20,21. Поэтому использование светодиодной техники считается наиболее перспективной альтернативой для решения не только затрат²² и вопросов технического обслуживания, но и для обеспечения высокой выходной мощности и менее вредной²³ и более широкой осветительной способности 24,25,26,27.

Несмотря на потенциальный вклад, который светодиодное оборудование может предложить в эксперименты PDT²⁸, большинство коммерческих вариантов по-прежнему имеют недостатки, такие как отсутствие портативности, высокая стоимость и сложные строительные проекты и эксплуатация²⁹. Основная цель этой работы заключалась в том, чтобы предложить простой и надежный инструмент для анализа PDT in vitro . В этой статье описывается PhotoACT, собственное устройство PDT на основе светодиодов, которое является недорогим, удобным для пользователя и портативным. В качестве доказательства концепции показано, что это устройство усиливает цитотоксичность вертепорфина в модели 2D-культуры клеток и, следовательно, может быть использовано в качестве исследовательского инструмента в экспериментах PDT.