Если возбудить молекулу фотохимическим способом, то она передаст свою энергию кислороду, производя его особую форму — синглетный кислород, который вступает в реакцию со всем, что его окружает. Если такой процесс произойдет в человеческой клетке, то он разрушит ее — эта способность вещества называется фототоксичностью. Со временем метод фотодинамической терапии начал использоваться для разрушения раковых клеток и лечения рака.
Применение фотодинамической терапии
Техника очень проста: вы вводите красители в систему кровообращения, которая проходит по всему телу, а краситель разработан таким образом, что он закрепляется исключительно в раковых клетках ткани опухоли. Затем вы включаете красный лазер. Он возбуждает молекулы и вызывает процесс производства синглетного кислорода, который разрушает раковую клетку и всю ткань вокруг нее. Таким образом лечат рак.
К используемому сенсибилизатору (красителю) предъявляются особые требования: он должен поглощать красный свет. Если вы положите свою руку сверху на фонарик, то увидите, что ваша плоть пропускает только красный свет (ваши пальцы станут красного цвета). Поэтому если вы хотите достать светом человеческую ткань, то нужно использовать красный свет. Для этого вам понадобится краситель, поглощающий красный свет и способный производить кислород, который разрушает ткань. Кроме того, он должен воздействовать только на ткань опухоли и относительно просто выводиться из организма: краситель не может долго оставаться в организме, так как он оседает в коже, а при попадании на солнечный свет она начнет разрушаться. И конечно, краситель не должен быть токсичным сам по себе, а только становиться таковым, когда на него воздействуют при помощи света.
Множество известных нам молекул соответствуют этим критериям и могут использоваться в данных целях. Первым был разработан компонент, который называется производная гематопорфирина, порфирины плоских пластинообразных молекул. Молекулы, над которыми мы работали, соревнуясь с российской группой из Института химической физики, — это фталоцианины, которые близки к порфиринам.
Так как эти молекулы имеют форму пластины, одна молекула накладывается на другую, и они формируют стопки. К сожалению, эти стопки молекул фотохимически неактивны, поэтому нам нужно изменить их, сделать активными. Один из способов — добавить солюбилизирующую группу, то есть химически изменить структуру молекулы, сделать ее легко растворимой в воде. Потом ее можно будет с легкостью доставить в тело, предотвратить образование стопок, что сделает возможным создание материала, который будет активным, когда включится лазер.
Мы использовали молекулы фталоцианина, которые по своей сути обычные красители. В середине их пластины расположен атом алюминия. Он тоже помогает предотвратить образование стопок. Кроме того, мы использовали сульфонатную группу, которая состоит из серы и трех молекул кислорода. Одновременно с нами московская группа изучала те же процессы. Мы решили, что для наших целей лучше всего подходит дисульфонат — молекула, имеющая две сульфонатные группы. Такая молекула считается амфифильной: один конец молекулы растворяется в воде, другой — в жире. Российская группа использовала трисульфонатные и тетрасульфонатные материалы, которые намного лучше растворяются в воде, чем наши. Оба способа используются в медицинской практике. Мы неосмотрительно не запатентовали изобретение и думали, что сможем им свободно пользоваться. Российская группа запатентовала свое, поэтому им удается зарабатывать на нем деньги.
Действие фотодинамической терапии
Что происходит, когда вы вводите краситель? Он попадает в кровь и располагается в опухоли. Затем вы включаете красный лазер, и он активирует химию, которая разрушает опухоль. Вам нужно иметь возможность расположить свет там, где вам необходимо. Самое легкодоступное место — это, конечно, кожа. Поэтому таким способом можно достаточно эффективно лечить рак кожи. Кроме того, достаточно эффективно можно направлять свет через волокно — через колоноскоп, гастроскоп или эквивалентный прибор. Таким образом можно попасть в любой полый орган тела: гастроскоп проникает через ваш рот в желудок, колоноскоп заходит с другой стороны. Десятки тысяч пациентов по всему миру успешно подвергаются фотодинамической терапии.
Есть ограничения, касающиеся опухолей, которые можно разрушить. В случае с опухолью мозга необходимо открыть череп, тогда можно лечить поверхностные опухоли мозга. Опухоли, которые находятся в глубине мозга, так лечить не получится. Для лечения опухоли поджелудочной железы, которая по-настоящему смертельна — человек с раком поджелудочной не будет долго жить, — необходимо ввести волокно в поджелудочную (около восьми проводов через иголку). В таком случае лечение сработает и разрушит опухоль.
Единственный орган, который нельзя лечить таким способом, — это печень. Нормальный процесс вывода красителя из организма происходит именно через этот орган. Если ввести краситель в организм, то печень будет содержать его в огромном количестве. Если после этого включить лазер, то она разрушится с катастрофическими последствиями. Поэтому использовать подобное лечение для рака печени очень опасно. Кроме того, его нельзя применять систематически: нельзя лечить все тело, нужно направлять лазер именно в необходимую часть опухоли.
Многие красители доступны и используются во всем мире, включая алюминиевый фталоцианин. Мы считаем, что в сфере фотохимии мы достигли хороших результатов — доступно достаточное количество сенсибилизирующих молекул, и вряд ли можно улучшить состояние незначительными изменениями синглетного кислорода.
Оптимизация процесса лечения
Как еще можно сделать этот процесс более эффективным? Можно разными способами избирательно направлять краситель в клетки опухоли. Например, можно использовать моноклональные антитела или их фрагменты. Кроме того, можно использовать белки или молекулы фолиевой кислоты, а также наноструктурированные материалы. Мы предпочитаем использовать фрагменты моноклональных антител. При помощи этого метода мы смогли избирательно доставить около 10–12 молекул красителя в клетку. Сперва фрагменты моноклональных антител попадают в клетки с красителем, потом вы включаете лазер и разрушаете только ткань опухоли, не вредя нормальной ткани.
Со свободно введенным красителем (на основании растворимой способности ткани опухоли) вы можете получить соотношение разрушений 3 к 1 в пользу опухоли, а значит, здоровая ткань тоже пострадает. С таргетированным подходом при использовании фрагментов моноклональных антител мы можем добиться соотношения 60 или 100 к 1. Таким образом, нормальные ткани не страдают вообще.
Другое преимущество этого метода заключается в том, что моноклональные антитела с добавлением красителя достаточно быстро выводятся из организма. Через 24 часа после введения тело очищается от красителя и спустя сутки не остается никаких ограничений, касающихся выхода на солнечный свет. С более ранними сенсибилизаторами в целях безопасности приходилось не выходить на улицу многие месяцы. Поэтому мы считаем это достижение большим преимуществом нового метода.
Мы основали небольшую компанию, для того чтобы вести эти разработки. Мы все еще общаемся с нашими российскими коллегами, которые одновременно наши соперники и друзья. Они все еще работают над методами с использованием свободно введенного красителя. Мы перешли к работе над таргетированными системами. Мне, как ученому, который начал свой путь, работая с основами фотохимии, доставляет огромное удовольствие завершить его, делая нечто полезное для человечества.
