Новые флуоресцентные маркеры и фотосенсибилизаторы для целей нейроонкологии

Одной из наиболее динамично развивающихся областей биофотоники является разработка наноматериалов и методов их мониторинга в организме. Благодаря

Рис.

возможности конструирования наночастиц с заданными свойствами можно обеспечить как различные механизмы из взаимодействия с биологическими структурами тканей и клеток, так и определенные оптические свойства, способствующие не только их наилучшему обнаружению в биологической ткани, но также опосредующие различные варианты фотохимического воздействия.

Фотодинамическая терапия является методом высокоселективного воздействия на опухолевые ткани и является одним из передовых подходов к решениям задач нейроонкологии. Принцип фотодинамического воздействия заключается в фотохимической реакции, которая происходит при поглощении молекулой фотосенсибилизатора, накопившегося в ткани, кванта света и ее последующем переходе в возбужденное состояние, из которого она может релаксировать несколькими способами, одним из которых является испускание кванта флуоресцентного излучения, другим - передача энергии другой молекуле. Молекула кислорода при передаче ей возбуждения от фотосенсибилизатора переходит в синглетное состояние и приобретает высокую реакционную способность. Ввиду малого радиуса действия синглетного кислорода (порядка 0,02 мкм) вследствие его быстрого гашения в биологических системах первыми поражаются внутриклеточные структуры, непосредственно содержащие фотосенсибилизатор, или близкие к ним, преимущественно хорошо оксигенированные. Эта локальность обеспечивает высокую селективность фотодинамического воздействия при условии специфического накопления фотосенсибилизатора в клетках опухоли.

Рис. 9. Диссоциация наночастиц метилфеофорбида (НЧ) в мембранах клеток глиобластомы (LSM-710)

Длина волны флуоресцентного излучения молекулярной (М) и наноформы метилфеофорбида отличается, благодаря чему можно наблюдать процесс диссоциации наночастиц на молекулы при прохождении через клеточные мембраны. Длина волны, соответствующая пику поглощения молекулярной формы, обеспечит высокую селективность фотодинамического воздействия

час такие фотосенсибилизаторы как производные гематопорфирина, феофорбиды. Использование наноформ упомянутых фотосенсибилизаторов открывает новые возможности их доставки к цели фотодинамического воздействия, селективности терапии и мониторинга ее эффективности (рис. 9).

Интерес также представляет возможность конъюгации флуоресцентных маркеров и фотосенсибилизаторов с антителами к опухолевым генам, что обеспечивает таргетную доставку действующего вещества в опухоль.

Совместно с ФГБУ «Государственный научный центр социальной и судебной психиатрии им. В.П. Сербского» был проведен ряд работ по исследованию сорас-

Рис. 10. Сравнительный анализ накопления Пп IX (слева) и мембранных трейсеров dil18 (справа) в глиоме

пределения в опухолевых тканях 5-АЛК-индуцированного протопорфирина IX и антител к коннексину, меченых флуоресцентным красителем из серии Alexa, показавший различия в характере накопления этих агентов в перифокальной зоне. Также был проведен сравнительный анализ накопления Пп IX и мембранных трейсеров dil18 в глиоме и периопухолевом пространстве в диагностике опухолевых клеток при интраоперационной навигации. Глиомные клетки С6, меченые мембранным трейсером Dil18, имплантировались в мозг крыс. В процессе роста в головном мозге после имплантации метка сохраняется, на иллюстрации видно, как далеко инфильтрируются глиомные клетки от основного очага перифокальной зоне (рис.

Проведенные исследования демонстрируют важность междисциплинарных работ на стыке физики, химии и биологии для развития новых методов диагностики и терапии заболеваний головного и спинного мозга.

Литература

Борисов К.Е., Сакаева Д.Д. Возможности и перспективы антигенной терапии мультиформной глиобластомы. // Российский онкологический журнал. 2011. № 1. P. 43-49.

Савельева Т.А., Рябова А.В., Андреева И.В., Калягина Н.А., Конов В.И., Лощенов В.Б. Комбинированный спектроскопический метод определения концентрации флуорофоров в сильнорассеивающих средах. // Краткие сообщения по физике. 2011. № 11. P. 30-38.

Смирнова З.С., Халанский А.С., Родионова Ю.В., Герасимова Г.К. Изучение отечественных противу- опухолевых препаратов на экспериментальных опухолях головного мозга // Российский биотерапевтический журнал. 2004. Вып. 3. № 3. P. 49-55.

Beauvoit B., Chance B. Time-resolved spectroscopy of mitochondira, cells and tissues under normal and pathological conditions // Mol. Cell. Biochem. 1998. Vol. 184.P. 445.

Beauvoit B., Kitai T., Chance B. Contribution of the mitochondrial compartment to the optical properties of the rat liver: a theoretical and practical approach // Biophys. J. 1994. Vol. 67. P. 2501.

Beauvoit B., Evans S.M., JenkinsT. W. et al. Correlation between the light scattering and the mitochondrial content of normal tissues and transplantable rodent tumor. // Analytical Biochemistry. 1995. Vol. 226. P. 167-174.

Brady S.T., Siegel G.J., AlbertsR.W., Price D.L. Basic neurochemistry: Principles of molecular, cellular and medical neurobiology. 8th. Ac. Press. Elsevier, 2011.

Brat D.J. Mechanisms of tumor progression: angiogenesis, hypoxia, and invasion // Conf. Proceedings of the American Society of Neuroradiology: Integration of Imaging Strategies in Neuroradiology. 2004. P. 1-8.

Brunberg J.A., Chenevert T.L., McKeever P.E. et al. In vivo MR determination of water diffusion coefficients and diffusion anisotropy: correlation with structural alteration in gliomas of the cerebral hemispheres // AJNR Am.

Candolfi M., Curtin J.P., Nichols W.S. et al. Intracranial glioblastoma models in preclinical neuro-oncology: neuropathological characterization and tumor progression // J. Neurooncol. 2007. V0l. 85. № 2. P. 133148.

Chance B., Schoener B., Oshino R. et al. Oxidation-reduction ratio studies of mitochondria in freeze-trapped samples. NADH and flavoprotein fluorescence signals // J. Biol. Chem. 1979. Vol. 10. P. 4764-4771. Drezek R., Brookner C., Pavlova I. et al. Autofluorescence microscopy of fresh cervical-tissue sections reveals alterations in tissue biochemistry with dysplasia // Photochem. Photobiol. 2001. Vol. 73. P. 636-641.

Evans S.M. et al. Hypoxia Is Important in the Biology and Aggression of Human Glial Brain Tumors // Clin. Cancer. Res. 2004. № 10. P. 8177.

Gabriel A-M. Electron microscopy morphology of the mitochondrial network in gliomas and their vascular microenvironment // Biochim. Biophys. Acta (BBA). Bioenergetics. 2011. Vol. 1807. P. 602-608.

Gibbs-Strauss S.L., O’Hara J.A., Srinivasan S. et al. Diagnostic detection of diffuse glioma tumors in vive with molecular fluorescent probe-based transmission spectroscopy // Med. Phys. 2009. Vol. 36. P. 974983.

Giese A., Bjerkvig R., Berens M.E., Westphal M. Cost of migration: invasion of malignant gliomas and implications for treatment // J. Clin. Oncol. 2003. Vol. 21. № 8. P. 1624-1636.

Heikal A.A. Intracellular coenzymes as natural biomarkers for metabolic activities and mitochondrial anomalies // Biomark. Med. 2010. Vol. 4. P. 241-263.

Johansen-BergH., Behrens T.E.-G. Diffusion MRI: from quantitative measurement to in vivo neuroanatomy. Ac. Press, Elsevier, 2009.

Kirkpatrick N.D., Zou C., Brewer M.A. et al. Endogenous fluorescence spectroscopy of cell suspensions for chemopreventive drug monitoring // Photochem. Photobiol. 2005. Vol. 81. P. 125-134.

Kleihues P., Burger P.C.,Collins V.P. Glioblastoma // Pathology and Genetics of Tumours of the Nervous System.

Lacroix, M. et al. A multivariate analysis of 416 patients with glioblastoma multiforme: prognosis, extent of resection, and survival // J. Neurosurg. 2001. Vol. 95. P 190-198.

LeBihan D. et al. Diffusion tensor imaging: concepts and applications // J Magn. Reson. Imaging. 2001. Vol. 13. P. 534-546.

Lin W.C., TomsS.A., JohnsonM. High-grade glioma surgery // J. Biomed. Opt. 2011. Vol. 16. № 11. P. 116007.

Oudard S., Boitier E., Miccoli L. et al. Gliomas are driven by glycolysis: putative roles of hexokinase, oxidative phosphorylation and mitochondrial ultrastructure // Anticancer Res. 1997. Vol. 17. № 3C. P. 1903-1911.

Pogue B.W., Gibbs-Strauss S., Valdes P.A. et al. Review of Neurosurgical Fluorescence Imaging Methodologies // IEEE J. Sel. Top. Quantum. Electron. 2010. Vol. 16. № 3. P. 493-505.

PotapovA.A., Loshakov V.A., UsachevD.J. Intraoperative multimodal navigation including laser fluorescence spectroscopy in surgery of malignant brain tumors // Materials of 14th European Congress of Neurosurgery. Rome, Italy, 2011.

Pysh J.J., Khan T. Variations in mitochondrial structure and content of neurons and neuroglia in rat brain: An electron microscopic study // Brain Res. 1972. Vol. 36. № 1. P. 1-18.

Ramanujam N., Richards-Kortum R., Thomsen S. et al. Low temperature fluorescence imaging of freeze- trapped human cervical tissues // Opt. Express. 2001. Vol. 12. P. 335-343.

Roberts D.W., Waldes PA., Harris B.T. et al. Coregistered fluorescence-enhanced tumor resection of malignant glioma: relationships between S-aminolevulinic acid-induced protoporphyrin IX fluorescence, magnetic resonance imaging enhancement, and neuropathological parameters // Clinical Article J. Neu- rosurg. 2011. Vol. 114. P. 595-603.

Sarkar C., Jain A., Suri V. Current concepts in the pathology and genetics of gliomas // Indian J. Cancer. 2009. Vol. 46. № 2. P. 108-119.

Scatliff J.H., RadcliffeW.B., Pittman H.H., Park C.H.

Schiffer D. Brain tumor pathology: Current diagnostic hotspots and pitfalls. Springer, 2006.

Shen Z., Lin S. Laser-fluorescent pulses as a probe to brain energy and efficiency // SPIE Low-Energy Lasers Effects on Biological Systems. 1993. P. 1883.

Sinha S., Bastin M.E., WhittleI.R., Wardlaw J.M. Diffusion tensor MR imaging of highgrade cerebral gliomas // AJNR Am. J. Neuroradiol. 2002. Vol. 23. P. 520-527.

Stummer W., Beck T., Beyer W. et al. Long-sustaining response in a patient with non-resectable, distant recurrence of glioblastoma multiforme treated by interstitial photodynamic therapy using 5-ALA: case report // J. Neurooncol. 2008. Vol. 87. P. 103-109.

Takahashi J.A., Fukumoto M., Igarashi K,, Oda Y,, Kikuchi H., Hatanaka M. Correlation of basic fibroblast growth factor expression levels with the degree of malignancy and vascularity in human gliomas // J. Neurosurg. 1992. Vol. 76. P. 792-798.

Takano S., Yoshii Y., Kondo S. et al. Concentration of vascular endothelial growth factor in the serum and tumor tissue of brain tumor patients // Cancer Res. 1996, Vol. 56. P. 2185-2190.

Tonn J.C, Goldbrunner R. Mechanisms of glioma cell invasion // Acta Neurochir. Suppl. 2003. Vol. 88. P. 163-167.

Uppal A., Gupta P.K. Measurement of NADH concentration in normal and malignant human tissues from breast and oral cavity // Biotechnol. Appl. Biochem. 2003. Vol. 37. № 1. P. 45-50.

Valdes PA., Kim A., LeblondF et al. Combined fluorescence and reflectance spectroscopy for in vivo quantification of cancer biomarkers in low- and high-grade glioma surgery // J. Biomed. Opt. 16. 2011a. № 11. P. 116007.

Valdes PA., Kim A., Blantsch M. et al. S-aminolevulinic acid-induced protoporphyrin IX concentration correlates with histopathologic markers of malignancy in human gliomas: the need for quantitative fluorescence-guided resection to identify regions of increasing malignancy // Neuro Oncol. 2011b. Vol. 13. № 8. P. 846-856.

Villette S., Pigaglio-Deshayes S., Vever-Bizet C., Validire P., Bourg-Heckly G. Ultraviolet-induced autofluorescence characterization of normal and tumoral esophageal epithelium cells with quantitation of NAD(P)H // Photochem. Photobiol. Sci. 2006. Vol. 5. P. 483-492.

Weidner N. Tumoural vascularity as a prognostic factor in cancer patients: the evidence continues to grow // J. Pathol. 1998. Vol. 184. № 2. P. 119-22.

Zhang Z. et al. Metabolic imaging of tumors using intrinsic and extrinsic fluorescent markers // Biosens. Bioelectron. 2004. Vol. 15. P. 643-650.

Электронный ресурс:

http://www.karlstorz.com/cps/rde/xchg/SID-25771F55-1AFCF565/karlstorz-en/hs.xsl/8405.htm. б.д.

http://www.surgicalmicroscopes.com/product/zeiss-pentero-microscope. б.д.