Almanac of Clinical MedicineAlmanac of Clinical MedicineАльманах клинической медицины2072-05052587-9294Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI)56710.18786/2072-0505-2017-45-4-333-347ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИEffect of photodynamic therapy with the bacteriochlorophyll a derivative on growth and functional morphology of rat sarcoma M-1Действие фотодинамической терапии с производным бактериохлорофилла а на рост и функциональную морфологию саркомы М-1 крысYuzhakovV. V.ЮжаковВ. В.
Russian Federation

MD, PhD, Head of Laboratory of Radiation Pathomorphology

4 Koroleva ul., Obninsk, Kaluzhskaya oblast', 249036, Russian Federation. Tel.: +7 (903) 635 79 71

канд. мед. наук, заведующий лабораторией радиационной патоморфологии

249036, Калужская область, г. Обнинск, ул. Королева, 4, Российская Федерация. Тел.: +7 (903) 635 79 71

yuzh_vad@mail.ruRomankoYu. S.РоманкоЮ. С.
Russian Federation

MD, PhD, Professor, Head of Scientific and Organizational Department

4 Koroleva ul., Obninsk, Kaluzhskaya oblast', 249036, Russian Federation

д-р мед. наук, руководитель научно- организационного отдела

249036, Калужская область, г. Обнинск, ул. Королева, 4, Российская Федерация

KaplanM. A.КапланМ. А.
Russian Federation

MD, PhD, Professor, Head of Department of Photodynamic Diagnosis and Therapy

4 Koroleva ul., Obninsk, Kaluzhskaya oblast', 249036, Russian Federation

д-р мед. наук, профессор, заведующий отделом фотодинамической диагностики и терапии

249036, Калужская область, г. Обнинск, ул. Королева, 4, Российская Федерация

GalkinV. N.ГалкинВ. Н.
Russian Federation

MD, PhD, Professor, Director

4 Koroleva ul., Obninsk, Kaluzhskaya oblast', 249036, Russian Federation

д-р мед. наук, профессор, директор

249036, Калужская область, г. Обнинск, ул. Королева, 4, Российская Федерация

MajougaA. G.МажугаА. Г.
Russian Federation

PhD (in Chemistry), Professor, Chair of Organic Chemistry, Faculty of Chemistry

1 Leninskie Gory, Moscow, 119991, Russian Federation

д-р хим. наук, профессор, кафедра органической химии химического факультета

119991, г. Москва, Ленинские горы, 1, Российская Федерация

GrinM. A.ГринМ. А.
Russian Federation

PhD (in Chemistry), Professor, Chair of Chemistry and Technology of Biologically Active Substances Produced by Fine Organic Synthesis

86 Vernadskogo prospekt, Moscow, 119571, Russian Federation

д-р хим. наук, профессор, кафедра химии и технологии биологически активных соединений тонкого органического синтеза

119571, г. Москва, пр. Вернадского, 86, Российская Федерация

BurmistrovaN. V.БурмистроваН. В.
Russian Federation

PhD (in Biology), Senior Researcher, Head of Laboratory of Experimental Photodynamic Therapy

4 Koroleva ul., Obninsk, Kaluzhskaya oblast', 249036, Russian Federation

канд. биол. наук, ст. науч. сотр., заведующая лабораторией экспериментальной фотодинамической терапии

249036, Калужская область, г. Обнинск, ул. Королева, 4, Российская Федерация

FominaN. K.ФоминаН. К.
Russian Federation

PhD (in Biology), Senior Researcher, Laboratory of Radiation Pathomorphology

4 Koroleva ul., Obninsk, Kaluzhskaya oblast', 249036, Russian Federation

канд. биол. наук, ст. науч. сотр., лаборатория радиационной патоморфологии

249036, Калужская область, г. Обнинск, ул. Королева, 4, Российская Федерация

BandurkoL. N.БандуркоЛ. Н.
Russian Federation

MD, PhD, Leading Researcher, Laboratory of Radiation Pathomorphology

4 Koroleva ul., Obninsk, Kaluzhskaya oblast', 249036, Russian Federation

канд. мед. наук, вед. науч. сотр., лаборатория радиационной патоморфологии

249036, Калужская область, г. Обнинск, ул. Королева, 4, Российская Федерация

SevankaevaL. E.СеванькаеваЛ. Е.
Russian Federation

Senior Researcher, Laboratory of Radiation Pathomorphology

4 Koroleva ul., Obninsk, Kaluzhskaya oblast', 249036, Russian Federation

ст. науч. сотр., лаборатория радиационной патоморфологии

249036, Калужская область, г. Обнинск, ул. Королева, 4, Российская Федерация

YakovlevaN. D.ЯковлеваН. Д.
Russian Federation

PhD (in Biology), Leading Researcher, Laboratory of Radiation Pathomorphology

4 Koroleva ul., Obninsk, Kaluzhskaya oblast', 249036, Russian Federation

канд. биол. наук, вед. науч. сотр., лаборатория радиационной патоморфологии

249036, Калужская область, г. Обнинск, ул. Королева, 4, Российская Федерация

IngelI. E.ИнгельИ. Э.
Russian Federation

PhD (in Biology), Senior Researcher, Laboratory of Radiation Pathomorphology

4 Koroleva ul., Obninsk, Kaluzhskaya oblast', 249036, Russian Federation

канд. биол. наук, ст. науч. сотр., лаборатория радиационной патоморфологии

249036, Калужская область, г. Обнинск, ул. Королева, 4, Российская Федерация

MozerovS. A.МозеровС. А.
Russian Federation

MD, PhD, Head of Clinico-Morphological Department

4 Koroleva ul., Obninsk, Kaluzhskaya oblast', 249036, Russian Federation

д-р мед. наук, заведующий клинико-морфологическим отделом

249036, Калужская область, г. Обнинск, ул. Королева, 4, Российская Федерация

StarovoytovaA. V.СтаровойтоваА. В.
Russian Federation

Research Assistant, Laboratory of Experimental Photodynamic Therapy

4 Koroleva ul., Obninsk, Kaluzhskaya oblast', 249036, Russian Federation

мл. науч. сотр., лаборатория экспериментальной фотодинамической терапии

249036, Калужская область, г. Обнинск, ул. Королева, 4, Российская Федерация

A. Tsyb Medical Radiological Research Centre – branch of the National Medical Research Radiological Centre of the Ministry of Health of the Russian FederationМедицинский радиологический научный центр им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский радиологический центр» Минздрава РоссииLomonosov Moscow State UniversityФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»Moscow Technological UniversityФГБОУ ВО «Московский технологический университет»150620174543333471608201716082017Copyright ©; 2017, Yuzhakov V.V., Romanko Y.S., Kaplan M.A., Galkin V.N., Majouga A.G., Grin M.A., Burmistrova N.V., Fomina N.K., Bandurko L.N., Sevankaeva L.E., Yakovleva N.D., Ingel I.E., Mozerov S.A., Starovoytova A.V.Copyright ©; 2017, Южаков В.В., Романко Ю.С., Каплан М.А., Галкин В.Н., Мажуга А.Г., Грин М.А., Бурмистрова Н.В., Фомина Н.К., Бандурко Л.Н., Севанькаева Л.Е., Яковлева Н.Д., Ингель И.Э., Мозеров С.А., Старовойтова А.В.2017Yuzhakov V.V., Romanko Y.S., Kaplan M.A., Galkin V.N., Majouga A.G., Grin M.A., Burmistrova N.V., Fomina N.K., Bandurko L.N., Sevankaeva L.E., Yakovleva N.D., Ingel I.E., Mozerov S.A., Starovoytova A.V.Южаков В.В., Романко Ю.С., Каплан М.А., Галкин В.Н., Мажуга А.Г., Грин М.А., Бурмистрова Н.В., Фомина Н.К., Бандурко Л.Н., Севанькаева Л.Е., Яковлева Н.Д., Ингель И.Э., Мозеров С.А., Старовойтова А.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://almclinmed.ru/jour/article/view/567

Background: In recent years, the method of photodynamic therapy (PDT) has been increasingly used in clinical oncology. Three non-toxic components play a key role in realization of the anti- tumor effect of PDT: a photosensitizer (PS), local irradiation of the tumor with light/laser of a certain wavelength corresponding to the sensitizer absorption peak, and oxygen. The highly reactive biological oxidants formed during photochemical reactions exert a destructive effect on cells and tumor vasculature with subsequent activation of the immune response. Efficiency of PDT is determined by the level of PS accumulation in tumors, as well as by its photophysical parameters and photochemical activity. To create a new PS, natural chlorophylls and their derivatives with intense absorption in the long-wave region of the spectrum are of particular interest.

Aim: To study the efficacy and mechanism of PDT action (using a conjugate containing two molecules of dipropoxy-bacteriopurpurinimide with a cystamine residue as a PS) on the growth and functional morphology of transplanted solid connective tissue tumor.

Materials and methods: The study was carried out in female white outbred rats with subcutaneously implanted sarcoma M-1. PS was injected to rats of the experimental group intraperitoneally. PDT was performed during the maximal index of tumor/ healthy tissue contrast after the administration of the PS. The criterion of PDT efficacy was a change in the tumor growth/regression coefficient. The research methods included immunohistochemistry for PCNA and CD31, evaluation of mitotic activity and apoptosis of tumor cells, as well as computer analysis of microscopic images.

Results: After PDT with the new PS, a 16-fold decrease of growth coefficient of tumor nodes was registered. The photo-induced antitumor effect was shown to be due to destruction of sarcoma M-1 vascular bed, rapid inhibition of proliferative activity and devitalization of tumor cells. At early stages after PDT, destruction of the microvasculature and photo-cytostatic shock of tumor cells with subsequent development of necrosis appears to be caused by direct influence of the light flux on sensitized cellular elements in tumor parenchyma and stroma. 

Conclusion: The final result of PDT is determined by the sequence of destructive and inflammatory changes in the tumor parenchyma and surrounding tissues, as well as by a proliferative potential of malignant cells surviving after treatment. The surviving tumor cells, which determine the recurrent growth of neoplasms after PDT, are still present, maybe due to an insufficient concentration of the sensitizer in certain weakly vascularized areas of sarcoma M-1.

Актуальность. В последние годы в клинической онкологии все чаще и успешно применяется метод фотодинамической терапии (ФДТ). Для реализации противоопухолевого эффекта ФДТ ключевую роль играют три нетоксичных компонента: фотосенсибилизатор (ФС), локальное облучение опухоли светом/лазером определенной длины волны, соответствующей пику поглощения сенсибилизатора, и кислород. Образующиеся в ходе фотохимических реакций высокоактивные биологические окислители оказывают деструктивное действие на клетки и сосудистую сеть опухоли с последующей активацией иммунного ответа. Эффективность ФДТ определяется уровнем накопления ФС в опухоли, а также его фотофизическими параметрами и фотохимической активностью. Для создания новых ФС особый интерес представляют природные хлорофиллы и их производные с интенсивным поглощением в длинноволновой области спектра.

Цель – изучение эффективности и механизма действия ФДТ с применением в качестве ФС конъюгата, содержащего две молекулы дипропоксибактериопурпуринимида с остатком цистамина, на рост и функциональную морфологию солидной соединительнотканной перевиваемой опухоли.

Материал и методы. Работа выполнена на самках белых беспородных крыс с имплантированной подкожно саркомой М-1. ФС вводили крысам опытной группы внутрибрюшинно. ФДТ проводили в период максимального индекса контрастности опухоль/здоровая ткань после введения ФС. Критерием эффективности действия ФДТ было изменение коэффициента роста/регрессии опухолей. Методы исследования включали иммуноокрашивание на PCNA и CD31, определение митотической активности и апоптотической гибели опухолевых клеток, а также компьютерный анализ микроскопических изображений.

Результаты. На фоне ФДТ с новым ФС зарегистрировано снижение коэффициента роста опухолевых узлов в 16 раз. Показано, что фотоиндуцированное противоопухолевое действие обусловлено разрушением сосудистого русла саркомы М-1, быстрым ингибированием пролиферативной активности и девитализацией опухолевых клеток. В ранние сроки после ФДТ деструкция микроциркуляторного русла и фотоцитостатический шок опухолевых клеток с последующим развитием некроза, по-видимому, обусловлены прямым воздействием лазерного излучения на сенсибилизированные клеточные элементы паренхимы и стромы опухолей.

Заключение. Конечный результат ФДТ определяется последовательностью деструктивных и воспалительных изменений в паренхиме опухолей и окружающих тканях, а также пролиферативным потенциалом выживших после лечения опухолевых клеток. Возможно, из-за недостаточно эффективной концентрации сенсибилизатора в отдельных слабо васкуляризированных участках саркомы М-1 сохраняются выжившие опухолевые клетки, которые определяют рецидивирующий рост новообразований после ФДТ.

photodynamic therapyphotosensitizerbacteriochlorophyll a derivativesarcoma M-1necrosisimmunohistochemistryPCNACD31фотодинамическая терапияфотосенсибилизаторпроизводное бактериохлорофилла асаркома М-1некрозиммуногистохимияPCNACD311. Каплан МА, Капинус ВН, Попучиев ВВ, Романко ЮС, Ярославцева-Исаева ЕВ, Спиченкова ИС, Шубина АМ, Боргуль ОВ, Горанская ЕВ. Фотодинамическая терапия: результаты и перспективы. Радиация и риск. 2013;22(3): 115–23.2. Филоненко ЕВ, Серова ЛГ. Фотодинамическая терапия в клинической практике. Biomedical Photonics. 2016;5(2): 26–37.3. Sibata CH, Colussi VC, Oleinick NL, Kinsella TJ. Photodynamic therapy in oncology. Expert Opin Pharmacother. 2001;2(6): 917–27. doi: 10.1517/14656566.2.6.917.4. Каплан МА, Романко ЮС, Попучиев ВВ, Южаков ВВ, Бандурко ЛН, Фомина НК, Михина ЛН, Малыгина АИ, Ингель ИЭ. Действие фотодинамической терапии с Фотодитазином на рост и функциональную морфологию саркомы М-1. Лазерная медицина. 2005;9(4): 41–7.5. Pervaiz S. Reactive oxygen-dependent production of novel photochemotherapeutic agents. FASEB J. 2001;15(3): 612–7. doi: 10.1096/fj.00-0555rev.6. Kessel D, Dougherty TJ. Agents used in photodynamic therapy. Reviews in Contemporary Pharmacotherapy. 1999;10(1): 19–24.7. Grin MC, Mironov AF, Shtil AC. Bacteriochlorophyll a, and its derivatives: chemistry and perspectives for cancer therapy. Anticancer Agents Med Chem. 2008;8(6): 683–97. doi: 10.2174/187152008785133128.8. Пантюшенко ИВ, Грин МА, Якубовская РИ, Плотникова ЕА, Морозова НБ, Цыганков АА, Миронов АФ. Новый высокоэффективный ИК-фотосенсибилизатор для фотодинамической терапии рака. Тонкие химические технологии. 2014;9(3): 3–10.9. Южаков ВВ, Бурмистрова НВ, Фомина НК, Бандурко ЛН, Севанькаева ЛЕ, Старовойтова АВ, Яковлева НД, Цыганова МГ, Ингель ИЭ, Островерхов ПВ, Каплан МА, Грин МА, Мажуга АГ, Миронов АФ, Галкин ВН, Романко ЮС. Морфофункциональные характеристики саркомы М-1 крыс после фотодинамической терапии с производным бактериохлорофилла а. Biomedical Photonics. 2016;5(4): 4–14.10. Южаков ВВ, Хавинсон ВХ, Кветной ИМ, Фомина НК, Кузнецова МН. Кинетика роста и функциональная морфология саркомы М-1 у интактных крыс и после гамма-облучения. Вопросы онкологии. 2001;47(3): 328– 34.11. Weidner N, Semple JP, Welch WR, Folkman J. Tumor angiogenesis and metastasis – correlation in invasive breast carcinoma. N Engl J Med. 1991;324(1): 1–8. doi: 10.1056/NEJM199101033240101.12. Al-Najar A, Al-Sanabani S, Korda JB, Hegele A, Bolenz C, Herbst H, Jönemann KP, Naumann CM. Microvessel density as a prognostic factor in penile squamous cell carcinoma. Urol Oncol. 2012;30(3): 325–9. doi: 10.1016/j.urolonc.2010.03.016.13. Dougherty TJ, Gomer CJ, Henderson BW, Jori G, Kessel D, Korbelik M, Moan J, Peng Q. Photodynamic therapy. J Natl Cancer Inst. 1998;90(12): 889–905.14. Rak JW, St Croix BD, Kerbel RS. Consequences of angiogenesis for tumor progression, metastasis and cancer therapy. Anticancer Drugs. 1995;6(1): 3–18.15. Goel S, Duda DG, Xu L, Munn LL, Boucher Y, Fukumura D, Jain RK. Normalization of the vasculature for treatment of cancer and other diseases. Physiol Rev. 2011;91(3): 1071–121. doi: 10.1152/physrev.00038.2010.16. Plate KH, Scholz A, Dumont DJ. Tumor angiogenesis and anti-angiogenic therapy in malignant gliomas revisited. Acta Neuropathol. 2012;124(6): 763–75. doi: 10.1007/s00401- 012-1066-5.17. Ferrario A, von Tiehl KF, Rucker N, Schwarz MA, Gill PS, Gomer CJ. Antiangiogenic treatment enhances photodynamic therapy responsiveness in a mouse mammary carcinoma. Cancer Res. 2000;60(15): 4066–9.18. Gomer CJ, Ferrario A, Luna M, Rucker N, Wong S. Photodynamic therapy: combined modality approaches targeting the tumor microenvironment. Lasers Surg Med. 2006;38(5): 516–21. doi: 10.1002/lsm.20339.19. Каплан МА, Романко ЮС, Попучиев ВВ, Южаков ВВ, Бандурко ЛН, Михина ЛН, Фомина НК, Малыгина АИ, Ингель ИЭ. Влияние плотности световой энергии на противоопухолевую эффективность фотодинамической терапии с Фотодитазином. Лазерная медицина. 2005;9(2): 46–54.