Фотодинамическая терапия

Физические основы фотодинамической терапии

Принцип действия фотодинамической терапии

Фотодинамическая терапия (ФДТ) основывается на фотохимическом взаимодействии между тремя основными компонентами: фотосенсибилизатором, светом определённой длины волны и молекулярным кислородом в тканях. После введения фотосенсибилизатора в организм и его накопления в патологической ткани (например, опухоли), осуществляется облучение зоны интереса лазером или другим источником света. Под действием света фотосенсибилизатор переходит в возбуждённое состояние и запускает каскад реакций, приводящих к образованию активных форм кислорода (включая синглетный кислород), которые вызывают повреждение и гибель патологических клеток.

Физика взаимодействия света и фотосенсибилизатора

Поглощение света фотосенсибилизатором происходит при чётко определённых длинах волн, обычно в красной или ближней инфракрасной области спектра (600–800 нм), поскольку свет этой длины способен глубоко проникать в биологические ткани (до нескольких миллиметров).

Фотосенсибилизатор, находящийся в основном в триплетном основном состоянии, при поглощении фотона переходит в возбуждённое синглетное состояние. Далее возможны два пути:

Флуоресценция и возврат в основное состояние.
Межсистемная конверсия в триплетное возбуждённое состояние, из которого уже возможна передача энергии молекуле кислорода с образованием синглетного кислорода — высокоактивной формы кислорода, обладающей выраженным цитотоксическим действием.

Таким образом, эффективность ФДТ зависит от квантового выхода перехода в триплетное состояние и эффективности генерации активных форм кислорода.

Ткани как оптическая среда

При прохождении света через биологическую ткань происходит его:

Поглощение — обусловлено в первую очередь гемоглобином, меланином и водой.
Рассевание — многоугольная структура клеток, органелл и других микроэлементов вызывает рассеяние, особенно в видимом диапазоне.

Коэффициенты рассеяния и поглощения определяют глубину проникновения излучения в ткань. При длинах волн 630–700 нм, используемых в ФДТ, глубина проникновения может достигать 3–5 мм. Это накладывает ограничения на применение ФДТ — она эффективна преимущественно при поверхностных или эндоскопически доступных опухолях.

Типы фотосенсибилизаторов

Существует три поколения фотосенсибилизаторов:

Первое поколение — производные гематопорфирина (Photofrin). Обладают ограниченной селективностью, высокой фототоксичностью к здоровым тканям и длительным выведением из организма.
Второе поколение — фталоцианины, хлорины, порфирыны с улучшенной фотофизикой, более узким спектром накопления в опухолях.
Третье поколение — фотосенсибилизаторы, модифицированные лигандными группами, антителами или наночастицами для направленной доставки.

Для медицинской физики особенно важны характеристики, такие как:

Молярный коэффициент поглощения,
Квантовый выход флуоресценции,
Квантовый выход генерации синглетного кислорода,
Селективность накопления в опухоли.

Оптические источники в фотодинамической терапии

Для возбуждения фотосенсибилизатора применяются:

Лазеры — высокая монохроматичность, направленность, мощность. Например, диодные лазеры на 630–690 нм.
Светодиоды (LED) — меньшая стоимость, большая площадь освещения.
Гибкие волоконно-оптические системы — позволяют доставлять свет в труднодоступные анатомические области (бронхи, желудок, мочевой пузырь).

Выбор источника зависит от:

Спектра поглощения фотосенсибилизатора;
Требуемой мощности;
Глубины проникновения;
Доступности обрабатываемой зоны.

Физические параметры светового пучка, такие как плотность мощности (мВт/см²), плотность энергии (Дж/см²), длительность воздействия, определяют терапевтический эффект и безопасность процедуры.

Фотохимические и фотобиологические эффекты

Воздействие активных форм кислорода приводит к:

Повреждению липидных мембран клеток;
Денатурации белков;
Разрушению митохондрий и других органелл;
Активации каспазного апоптоза;
Повреждению сосудистой сети опухоли.

Фотохимическое воздействие строго локализовано в области, содержащей фотосенсибилизатор и подвергающейся освещению. Это минимизирует повреждение окружающих здоровых тканей — важнейшее преимущество ФДТ над ионизирующими методами лечения.

Дозиметрия в ФДТ

Физическая дозиметрия в фотодинамической терапии — это ключевой аспект, требующий контроля следующих величин:

Плотность энергии облучения — Дж/см²;
Доза фотосенсибилизатора — мг/кг;
Фотохимическая доза — количество синглетного кислорода, образованного в ткани;
Оптическая плотность ткани на длине волны облучения.

Для оценки распределения света в тканях применяются методы оптической томографии, Monte Carlo моделирования, спектроскопии диффузного отражения. Также используются флуоресцентная визуализация и фотометрический контроль степени насыщения кислородом.

Комбинированные и перспективные подходы

ФДТ всё чаще применяется в сочетании с другими методами:

Химиотерапией — повышение проникновения препаратов;
Имунотерапией — активация иммунного ответа через выброс опухолевых антигенов;
Нанотехнологиями — доставка фотосенсибилизаторов в наноконтейнерах;
Фототермальной терапией — совмещение фотоиндуцированного нагрева и образования активных форм кислорода.

Современные исследования в медицинской физике направлены на создание многофункциональных систем, объединяющих диагностику, доставку препарата и терапию в одном комплексе.

Безопасность и ограничения метода

Физические аспекты безопасности включают:

Контроль мощности и длительности облучения для предотвращения ожогов;
Ограничение времени пребывания пациента на свету после введения фотосенсибилизатора — из-за фотосенсибилизации кожи и глаз;
Тщательное планирование геометрии освещения и применение светоэкранирующих элементов для защиты здоровых тканей.

Ограничениями ФДТ остаются:

Невозможность воздействия на глубоколежащие опухоли;
Необходимость точного наведения света;
Фототоксичность и длительный фотосенсибилизирующий эффект у некоторых препаратов.

Инструментальные методы контроля

В клинической практике ФДТ сопровождается:

Спектроскопией флуоресценции — оценка накопления фотосенсибилизатора;
Оксиметрией — измерение содержания кислорода в тканях;
Оптической когерентной томографией (ОКТ) — контроль глубины проникновения и распространения света;
МРТ и КТ с контрастом — предоблучательная визуализация анатомии и планирование терапии.

Физик, работающий в составе медико-физической группы, осуществляет настройку источников, планирование дозировки света, мониторинг реакции ткани и безопасность пациента.

ФДТ в клинической практике

Фотодинамическая терапия применяется при лечении:

Поверхностных опухолей кожи (актиновые кератозы, базалиома);
Онкологии ЖКТ (пищевод, желудок, кишечник);
Урологических заболеваний (рак мочевого пузыря);
Гинекологических патологий;
Доброкачественных заболеваний (псориаз, папилломатоз).

Для физиков в медицине данное направление представляет интерес благодаря сочетанию оптики, фотохимии и биофизики, а также требованию к точности дозирования и управлению световой энергией в сложной среде живого организма.