Современные тенденции в области исследования фотодинамической терапии остеогенной саркомы (результаты фармацевтических и экспериментальных научных работ)

Первичные саркомы костей составляют примерно 0,2 % всех злокачественных новообразований (ЗНО). Остеосаркома (ОС) является наиболее частым ЗНО кости, на ее долю приходится 20 % первичных случаев этой патологии, пик проявления заболевания приходится на второе и третье десятилетие жизни [1]. Заболевание локально агрессивно, быстро прогрессирует и метастазирует. 5-летняя выживаемость при ОС – 20 %, средняя продолжительность жизни – менее 8 мес. Поэтому для разработки эффективного лечения ОС необходимо лучше понимать молекулярные механизмы, лежащие в ее основе [2].

Современные методы лечения ОС

Золотым стандартом лечения первичного ЗНО конечности была ампутация. Процедура спасения конечности включает резекцию очага поражения и реконструкцию кости с имплантацией протезов большого сегмента [3]. Однако реконструкция имеет недостатки, такие как расшатывание протеза, перипротезные инфекции или требование индивидуального дизайна протеза, которое недавно было устранено технологиями 3D-биопечати [4]. Использование же костного аллотрансплантата тесно связано с рисками передачи заболевания (гепатита, ВИЧ), иммунного отторжения, несращения и резорбции кости [5].

Существуют проблемы, связанные с использованием химиотерапии (ХТ), в виде высокого риска метастазирования или рецидива, побочных эффектов, низкой выживаемости [6], составляющей 20–30 % [7].

Сегодня изучается эффективность таргетной терапии с использованием антиангиогенных ингибиторов малых молекул, но при этой методике – короткий период без прогрессирования [8].

Значительное внимание уделяется иммунотерапии, включающей применение ингибиторов иммунных контрольных точек (ICIs), которые рекомендуются для лечения нескольких видов опухолей, включая меланому [9], немелкоклеточный рак легких [10], рак головы и шеи [11]. Изучается эффективность генетически модифицированных Т-клеток, противоопухолевых вакцин, иммуномодуляторов и цитокинов. Но микроокружение ОС отличается неоднородностью и иммуносу- прессивностью, что делает иммунотерапию пока неприменимой при ОС [12].

В последние годы были изучены возможности биофизических методов лечения ОС, в том числе и фотодинамической терапии (ФДТ).

Цель настоящего обзора – обобщить современные тенденции в области развития фотодинамической терапии при лечении остеогенной саркомы..

ФДТ в лечении злокачественных новообразований

В последние годы в мире увеличился интерес к ФДТ [13], включающей применение определенного спектра света, ФС и кислорода, которые, взаимодействуя, порождают активные формы кислорода (АФК), что приводит к избирательному разрушению опухоли [14].

Модификация фотосенсибилизаторов в лечении рака

Свойства ФС значительно влияют на их эффективность, фармакодинамику и фармакокинетику. Сегодня можно рассматривать производные природного бактериохлорофилла как одни из самых перспективных ФС с широким спектром медицинского применения. Уникальные спектральные характеристики бактериохлорофилла, включая поглощение на длине волны 800 нм, значительно расширяют возможности ФДТ для тераностики ЗНО, особенно в случае глубоко расположенных и пигментированных новообразований [15]. Крупные прорывы в области ФДТ и ФС, в частности, способствуют значительному прогрессу в молекулярной медицине и взаимосвязаны с инновационными стратегиями, основанными на интеллектуальных био/наноматериалах или терапевтических подходах. Обновленные платформы ФДТ позволят добиться значительных успехов в лечении рака. Сегодня широко обсуждаются проблемы биобезопасности и целевой специфичности ФДТ [16]. Модификации или упаковка ФС в виде носителей приводят к значительному изменению мест их накопления в клетках, вызывая иммуногенную гибель клеток, запуская системный противоопухолевый иммунный ответ [17]. Сочетание ФДТ со стимуляцией иммунного ответа становится ключом к преодолению резистентности ЗНО и получению более эффективных, устойчивых клинических результатов [18].

Роль дозиметрии в фотодинамической терапии

При ФДТ следует тщательно подходить к дозиметрии и калибровке источников излучения, контролю устройств доставки света, поскольку эффективность ФДТ зависит от типа проводимой комплексной дозиметрии, общей дозы, времени воздействия, метода доставки и схемы фракционирования света [19]. Проникающая способность зависит от длины волны, но эффективная интенсивность освещения глубоких тканей слишком мала. На глубину проникновения света влияет поглощение и рассеивание света тканями, особенно в глубоких слоях, где энергия света постепенно уменьшается [20].

Результаты экспериментальной ФДТ и изучение механизмов клеточной смерти при ФДТ

Интеграция ФДТ в лечение ОС представляет собой интригующую перспективу. Ведь ФДТ уже продемонстрировала значительные преимущества в лечении ЗНО [21], особенно в экспериментальных исследованиях [22–26].

Потенциал ФС создавать при ФДТ повреждения в определенных областях клеток оказался очень полезным для изучения процессов клеточной смерти и определения наиболее эффективных целей для повышения эффективности противоопухолевой терапии. Апоптоз, некроптоз, аутофагия и параптоз при ФДТ вызываются повреждением митохондрий, лизосом, эндоплазматического ретикулума. Важным аспектом успеха лечения является соотношение между этими процессами [27].

Преимущества ФДТ при злокачественных опухолях

ФДТ эффективно применяется для лечения предраковых и злокачественных заболеваний, включая актинический кератоз, базальноклеточный рак кожи, болезнь Боуэна, лейкоплакию полости рта, грибовидный микоз, рак легких, рак шейки матки, менингиому, глиобластому, холан-гиоцеллюлярный рак и другие [28–34]. Комбинированное использование ФДТ с другими методами лечения, включающими ЛТ, ХТ, иммунотерапию и фитотерапию, становится более результативной стратегией лечения ЗНО, ранее не поддававшихся успешному лечению [35].

По сравнению с традиционными методами лечения ФДТ имеет такие преимущества, как минимальная травматичность, низкая токсичность, надежная селективность накопления ФС в опухоли [36].

Результаты фармацевтических и экспериментальных исследований

ФДТ ОС

По мере развития ФДТ растет потребность в эффективной доставке ФС. Поэтому понимание сложного взаимодействия между новыми системами доставки и разработкой эффективной ФДТ ОС чрезвычайно важно.

Новая стратегия лечения остеосаркомы: синергия апоптоза и ферроптоза

ФДТ, используя апоптоз как основной механизм, не может решить проблемы, связанные с низкой эффективностью и устойчивостью к лечению. Ферроптоз, процесс гибели клеток, зависящий от Fe2+, повышает эффективность ФДТ за счет увеличения количества АФК в результате реакции Фентона. Y. Zhang et al. изучали противоопухолевый механизм ФДТ с использованием ФС, производного хлорофилла – MPPα (MPPa-PDT) и представили инновационную терапевтическую стратегию, которая синергетически вызывает апоптоз и ферроптоз. Также авторы определили HERC1 как ключевой белок, участвующий в убиквитинировании и деградации коактиватора ядерных рецепторов 4 (NCOA4), и раскрыли потенциал транскрипционного фактора NRF2 (nuclear factor erythroid 2-related factor 2), регулирующего антиоксидантную защиту клеток и тканей. MPPα-PDT с использованием HERC1 эффективно повышает содержание Fe2+ и вызывает перекисное окисление липидов в клетках OС, тем самым способствуя ферроптозу. Воздействуя на ось HERC1-NCOA4 в сочетании с ФДТ, используя метиловый эфир пирофеофорбид-α на модели ксенотрансплантата ОС – клетках человека (HOS), MPPa-PDT значительно подавлял рост опухоли у голых мышей, значительно повышая эффективность ФДТ. Полученные результаты дают новые данные, характеризующие механизм ФДТ, и предлагают новые молекулярные мишени для лечения ОС [37].

Капсаицин и ферроптоз:

новая стратегия для ФДТ

Y. Wang et al. также отмечают, что ферроптоз, как новая форма неапоптотической гибели клеток, может значительно повысить эффективность ФДТ за счет нарушения внутриклеточного окислительновосстановительного гомеостаза и стимулирования апоптоза. Однако крайне гипоксичная микросреда опухоли в сочетании с высокой экспрессией индуцируемого гипоксией фактора-1α (HIF-1α) представляет собой серьезную проблему для ФДТ ОС. Авторами была создана инновационная наноплатформа, повышающая эффективность ФДТ за счет индукции ферроптоза и устранения гипоксии. Известно, что капсаицин (CAP) специфически активирует канал транзиторного рецепторного потенциала ваниллоида 1 (TRPV1), вызывает повышение внутриклеточной концентрации Ca2+, что тесно связано с ферроптозом, и участвует в снижении потребления кислорода, подавляя HIF-1α в опухолевых клетках, повышая эффективность ФДТ. Авторами предложено инкапсулировать CAP и органический ФС ближнего инфракрасного диапазона (NIR) ̶ IR780 в высокобиосовместимый человеческий сывороточный альбумин (HSA) для создания наноплатформы (CI@HSA NPs) с целью синергетического лечения опухолей при NIR-облучении. Исследовались потенциальные сигнальные пути комбинированной терапии. Поскольку in vitro наблюдался значительный терапевтический эффект комбинированного лечения с ФДТ, обусловленный индукцией ферроптоза, опосредованной CAP, и облегчением гипоксии, терапевтические эффекты были исследованы и на модели ксенотрансплантата у голых мышей BALB/c. Наночастицы CI@HSA обеспечивали динамическое распределение и демонстрировали превосходную противоопухолевую эффективность с высокой биологической безопасностью in vivo. Эта работа демонстрирует многообещающую стратегию, позволяющую преодолеть ограничения ФДТ ОС, стимулируя ферроптоз, облегчая гипоксию, демонстрируя новый инновационный подход к лечению ОС [38].

Повышение безопасности и эффективности ФДТ с помощью SpiD

ЛТ, ФДТ и другие методы лечения ОС ограничены гипоксией опухоли, низкой эффективностью и вызывают побочные эффекты. X. An et al. сообщили о системе доставки микроводорослей с доксорубицином (DOX), содержащей Spirulina platensis (Spi), поверхность которой обеспечивала эффективную загрузку DOX (SpiD) через поверхностные каналы и электростатические взаимодействия. При облучении с длиной волны 650 нм SpiD обеспечивала высокую выработку кислорода в процессе фотосинтеза, усиливала образование АФК за счет фотосенсибилизации с помощью хлорофилла, синергетически уничтожая опухолевые клетки высвобождаемым DOX. При лечении ортотопической ОС мышей комбинированная ХТ, усиленная ФДТ и опосредованная SpiD, оказывала синергетический противоопухолевый эффект, продемонстрировав высокий терапевтический результат, уменьшала побочные эффекты ХТ, демонстрируя превосходную безопасность тканей, обеспечила эффективную, безопасную, недорогую стратегию [39].

Двойная стратегия для улучшения оксигенации опухолевых клеток при фотодинамической терапии

С целью повышения эффективности ФДТ C. Zhang et al. предложили оригинальную инновационную двойную стратегию одновременного «сокращения расхода и расширения источников O2» для систематического повышения уровня оксигенации опухоли. В основе стратегии лежит простой синтез биоинспирированных наногенераторов на основе оксида иридия (NGs), содержащих одобренный клинически препарат атовакуон (ATO) – IrO2@BSA-ATO NG. При этом высокая биосовместимость и достаточно малый размер наночастиц способствуют их диффузии в условиях высокого интерстициального давления, что позволяет эффективно устранять гипоксию в глубоких слоях опухоли, максимизируя общую пользу от усиленной оксигенации. После накопления в опухоли за счет пассивного таргетинга присущая наночастицам способность имитировать каталазу (CAT) обеспечивает разложение эндогенного H2O2 с образованием O2, тем самым повышая парциальное давление O2 и устраняя гипоксию. С другой стороны, ингибирование митохондриального окислительного фосфорилирования высвобождаемыми молекулами ATO приводит к снижению потребления O2 в клеточном метаболизме. Более того, отличающийся исключительной эффективностью фототермического преобразования NGs IrO2@BSA-ATO является мощным фототермиче-ским агентом, облегчающим синергическую фото-термическую терапию (ФTT) с фотоакустической визуализацией для целенаправленного уничтожения опухоли. Дополненная ФДТ синергическая ФТТ под действием одного лазера высвобождает опухолеассоциированные антигены и способствует инфильтрации опухоли противоопухолевыми Т-клетками, облегчая иммуносупрессивную среду. Таким образом, тройная терапия ФДТ/ФТТ/инду-цированная противоопухолевая иммунотерапия с использованием наночастиц IrO2@BSA-ATO под контролем визуализации обеспечивает эффективное воздействие на опухолевые клетки, что делает наночастицы IrO2@BSA-ATO многообещающими кандидатами в области тераностики ЗНО [40].

Подавление YAP и ферроптоз

F. Zhan et al. изучали влияние подавления Yes-ассоциированного белка (YAP) на чувствительность клеток HOS к ФДТ с использованием метилового эфира пирофеофорбида-α (MPPa-PDT) и эрастина, индуктора ферроптоза, который повышает чувствительность клеток HOS к MPPa-PDT. Результаты иследования показали, что эрастин (ферроптоз) в сочетании с подавлением YAP повышал чувствительность клеток HOS к MPPa-PDT [41].

Инновационная стратегия ФДТ через контроль циркадных ритмов

Подавление XBP1 усиливает MPPα-PDT

X-box-связывающий белок 1 (XBP1), являющийся конечным продуктом сигнального пути IRE1α-XBP1, регулирует различные гены-мишени, в том числе протоонкогены, и его сверхэкспрессия тесно связана с возникновением и прогрессированием ЗНО. H. Yu et al. изучали роль XBP1 в клетках HOS при ФДТ с использованием метилового эфира пирофеофорбида-α (MPPα) (MPPα-ФДТ): IRE1α-XBP1 активируется в HOS после проведения MPPα-PDT. Кроме того, снижение уровня XBP1

уменьшает жизнеспособность HOS за счет апоптоза и значительно усиливает противоопухолевый эффект MPPα-PDT [43].

Обсуждение

Недостатки традиционных подходов лечения ОС

К сожалению, прогноз для пациентов с ОС существенно не улучшился за 40 лет использования комбинированной стратегии, включающей хирургическое вмешательство, неоадъювантную или послеоперационную ХТ. 5-летняя выживаемость при первичной ОС может достигать 65–70 %. Однако при прогрессирующей ОС, которая почти всегда сопровождается метастазами в легких, пятилетняя выживаемость составляет всего 20 %. Высокая инвазивность и устойчивость ОС являются основными причинами низкой эффективности лечения, поэтому срочно требуются новые стратегии лечения [44]. Возможные стратегии повышения выживаемости пациентов с ОС включают методы избирательного воздействия терапевтического агента на опухоль, а также использование подходов, способных обойти множественную лекарственную устойчивость или уничтожить химиорезистентные клетки.

Экспериментальные подходы решения проблемы лечения ОС

Несмотря на то, что для лечения злокачественных опухолей существует множество методов, таких как хирургическое удаление, ХТ и ЛТ, ФДТ зарекомендовала себя в качестве нового эффективного метода лечения рака молочной и предстательной железы, кожи, женских репродуктивных органов, головы, шеи и других разновидностей рака [45]. ФДТ является уже признанным в клинической практике методом лечения с пространственной избирательностью, низкой инвазивностью, хорошей воспроизводимостью дозы и меньшей системной токсичностью по сравнению с ХТ и ЛТ. ФДТ считается привлекательным терапевтическим подходом, поскольку она вызывает цитотоксичность в области опухоли, не вызывая системного повреждения других тканей или органов [46].

Цитотоксичность новых ФС, содержащих наночастицы, и высокая эффективность ФДТ ОС без токсического влияния на нормальные органы

Цитотоксичность ФС, как основного компонента ФДТ, привлекла внимание исследователей и клиницистов, которые в своих многочисленных исследованиях сообщали, что цитотоксичность большинства ФС по отношению к клеткам ОС зависит от дозы ФС. В пределах определенного диапазона концентраций токсичность ФС была незначительной и не приводила к апоптозу и деформации клеток. Однако при повышении концентрации ФС последний проявлял очевидную клеточную токсичность [47]. Например, обработка мета-тетра(гидроксифенил)хлорином (mTHPC) без освещения приводила к дозозависимому снижению жизнеспособности и количества клеток, когда концентрация превышала 2,5 мкг/мл в культуре в темноте [48]. А метиленовый синий (MB) не проявлял значительной цитотоксичности в темноте и индуцировал цитотоксичность только при высокой концентрации – до 250–500 мкг/мл [49]. При этом в текущих исследованиях можно было полностью игнорировать темновую токсичность небольшого количества ФС [50, 51].

Во всех исследованиях in vivo большинство ФС вводятся внутривенно, поэтому токсичность ФС in vivo также привлекает большое внимание. Однако в прошлом большинство экспериментов in vivo были сосредоточены на противоопухолевой эффективности ФДТ в отношении роста опухоли и некроза опухолевой ткани, и только в единичных статьях было четко указано, что при проведении гистопатологического исследования и измерения массы тела подопытных животных не было отмечено явного токсического воздействия ФДТ на нормальные органы [52–54]. Результаты исследований показали, что ФДТ обладает высокой фототоксичностью и эффективностью при лечении опухолей без какого-либо токсического воздействия на нормальные органы in vivo , что свидетельствует о хорошей биосовместимости. Таким образом, в будущих исследованиях на животных при проведении ФДТ ОС, помимо оценки токсичности ФДТ для ОС, следует постоянно оценивать токсичность ФДТ для других важных органов, чтобы лучше оценить токсичность ФДТ in vivo и выбрать более эффективную схему для клинической ФДТ ОС.

По мере углубления понимания механизма лечения с помощью ФДТ все больше исследователей начинают разрабатывать новые комплексные ФС. Повышение эффективности ФС в месте локализации опухоли является одной из основных задач, которые необходимо решить. Препараты на основе ФС-полимерных конъюгатов могут не только избирательно накапливаться, но и точно контролировать фотодинамические реакции, происходящие только в месте локализации опухоли, тем самым повышая терапевтическую эффективность и снижая побочные эффекты, связанные с классической ФДТ. Например, куркумин, как многофункциональное фитохимическое вещество, был признан многообещающим противораковым препаратом на основании многочисленных исследований in vitro и in vivo. Куркумин может действовать и как ФС при ФДТ. Интересно, что ФДТ с использованием куркумина и в сочетании с ХТ и иммунотерапией может работать синергетически. Куркумин может сочетать в себе широкий спектр агентов в качестве сложной системной стратегии подавления онкогенеза. При лечении ОС куркумин, содержащийся в костно-инженерных материалах, может подавлять рост клеток ОС и одновременно стимулировать остеогенез [55].

Некоторые соединения, такие как наночастицы, нагруженные другими материалами или двумя или более химическими веществами, часто используются в качестве ФС [56]. Было показано, что нанотехнологии играют решающую роль; например, использование наночастиц для молекулярного транспорта выгодно тем, что они способны создавать инертную среду, которая защищает лекарственное средство от распознавания и выведения из организма человека до достижения целевого участка. Так, результаты исследования G. Jardón-Guadarrama et al. показывают, что наночастица TiO₂-FA-ZnPc является биосовместимой и активируется только при световом облучении, генерируя активные формы кислорода [57]. Также было показано, что (PEG-PMAN) ZnPc – наночастица (PPZ) оказывает цитотоксическое действие на клетки OС в зависимости от концентрации, а концентрация полумаксимального ингибирования - IC50 PPZ была в 15–100 раз ниже, чем у свободного ZnPc (фталоцианина цинка), и в 15–25 раз ниже, чем у цисплатина в четырех клеточных линиях OС, что указывает на высокую цитотоксичность для клеток OС in vitro . PPZ усиливал ингибирование пролиферации и инвазии по сравнению со свободным ZnPc в клетках OС и не оказывал цитотоксического действия в темноте, демонстрируя безопасность PPZ для нормальных тканей за пределами области воздействия [58].

Проблемы при ФДТ ОС

До настоящего времени ФДТ применялась в клиническом лечении пациентов с поверхностными злокачественными опухолями, и не было клинического отчета о лечении пациентов с ОС с применением самостоятельной ФДТ. Было лишь опубликовано небольшое количество исследований, сочетающих ФДТ с хирургической резекцией при лечении саркомы мягких тканей [59, 60]. Это было обусловлено тем, что из-за глубокого расположения опухоли излучение при ФДТ не может достичь целевого участка без разреза. Поэтому в доклинических исследованиях на животных целесообразно максимально имитировать характеристики ОС и создавать модели ОС бедренной и большеберцовой костей крупных млекопитающих с толщиной мягких тканей, соответствующей требованиям эксперимента.

Важно отметить, что любой ФС, который не поглощает свет с более длинными волнами, не будет эффективным для лечения с помощью ФДТ глубоко расположенных опухолей. Как решить проблему недостаточного проникновения света и сделать так, чтобы широко используемая ФДТ стала ключевым методом лечения глубоко расположенных опухолей, – это главный вопрос. Интерстициальные средства могут представлять собой новую стратегию для терапии опухолей, расположенных на значительной глубине, поскольку они способны направлять световое излучение прямо в глубокие слои тканей с опухолью. Это поможет преодолеть проблему ограниченного проникновения света, которая является одной из главных трудностей ФДТ для таких опухолей.

Несмотря на значительные успехи в области раннего лечения и диагностики ЗНО с использованием многофункциональных наночастиц, большинство исследований все еще находятся на этапе экспериментов на клетках или животных. Применение многофункциональных наночастиц в клинической практике остается сложной задачей, т. к. возникают проблемы с их безопасностью. Для более глубокого изучения токсичности и метаболизма наночастиц необходимы обширные эксперименты. Кроме того, процесс их синтеза часто требует комбинирования различных компонентов, что делает его сложным. Также необходимо решить проблему оптимального соотношения диагностических и терапевтических агентов для достижения наилучших результатов в диагностике и лечении с помощью многофункциональных наночастиц.

Пути повышения эффективности наночастиц в тераностике ОС

Нельзя отрицать огромный потенциал многофункциональных наночастиц в лечении и диагностике ОС. В ближайшем будущем эти наночастицы будут играть важную роль в борьбе с этим заболеванием. Для этого исследователям необходимо вложить много усилий в научные исследования. В первую очередь нужно разработать новые типы наночастиц. Во-вторых, необходимо продолжать