Фотодинамическая терапия с фотосенсибилизаторами метиленовый синий и хлорин е6: исследование на мышиной модели карциномы Эрлиха

Гипоксия негативно влияет на эффективность всех видов противоопухолевой терапии, в частности фотодинамической терапии (ФДТ).

В связи с этим в литературе широко обсуждаются разные подходы для преодоления ограничений, связанных с гипоксией. Одним из них является использование фотосенсибилизаторов (ФС), работающих по первому механизму фотодинамической реакции, таких как метиленовый синий (МС). Ранее нами было показано, что МС может положительно влиять на оксигенацию опухоли. В данной работе мы провели исследование фотодинамической активности МС и МС в комбинации с хлорином е6 на опухоли in vivo на модели карциномы Эрлиха. Была исследована ФДТ при совместном и раздельном введении хлорина е6 и МC. Выполнена оценка накопления и локализации МС и МС в комбинации с хлорином е6 in vivo при помощи видеофлуоресцентных и спектроскопических методов, проанализировано влияние лазерного воздействия на накопление. После проведения ФДТ с хлорином е6, МС и комбинации МС с хлорином е6 отмечен хороший терапевтический эффект и уменьшение скорости роста опухоли по сравнению с контролем, особеннов группах с ФДТ с МС и при одновременном введении хлорина е6 и МС. Уровень оксигенации опухоли на 3-е и 5-е сутки после ФДТ был выше в группах с облучением, самая высока оксигенация на 5-е сутки после ФДТ отмечена в группе с ФДТ с МC. На фазорных диаграммах опухолей после проведения ФДТ наблюдается отклонение от метаболической траектории и сдвиг в сторону более длинного времени жизни по сравнению с контрольной опухолью, что указывает на наличие продуктов перекисного окисления липидов.

Следовательно, регрессия опухоли после ФДТ связана с прямым разрушением опухолевых клеток под воздействием активных форм кислорода, образующихся при ФДТ. Таким образом, продемонстрирована эффективность ФДТ при совместном применении МВ и хлорина е6 и исследованы основные механизмы противоопухолевого действия комбинации этих ФС.

1. Hockel M., Vaupel P. Tumor Hypoxia: Definitions and Current Clinical, Biologic, and Molecular Aspects. // JNCI Journal of the National Cancer Institute. – 2001. – Т. 93, № 4. – C. 266–276.

2. Vaupel P., Harrison L. Tumor Hypoxia: Causative Factors, Compensatory Mechanisms, and Cellular Response. // The Oncologist. – 2004. – Т. 9, № S5. – C. 4–9.

3. Robert Grimes D., Partridge M. A mechanistic investigation of the oxygen fixation hypothesis and oxygen enhancement ratio. // Biomedical Physics & Engineering Express. – 2015. – Т. 1, № 4. – C. 045209.

4. Casazza A., Di Conza G., Wenes M., Finisguerra V., Deschoemaeker S., Mazzone M. Tumor stroma: a complexity dictated by the hypoxic tumor microenvironment. // Oncogene. – 2014. – Т. 33, № 14. – C. 1743–1754.

5. Bader S. B., Dewhirst M. W., Hammond E. M. Cyclic Hypoxia: An Update on Its Characteristics, Methods to Measure It and Biological Implications in Cancer. // Cancers. – 2020. – Т. 13, № 1. – C. 23.

6. Vaupel P., Flood A. B., Swartz H. M. Oxygenation Status of Malignant Tumors vs. Normal Tissues: Critical Evaluation and Updated Data Source Based on Direct Measurements with pO2 Microsensors. // Applied Magnetic Resonance. – 2021. – Т. 52, № 10. – C. 1451–1479.

7. Zhang Q., Yan Q., Yang H., Wei W. Oxygen sensing and adaptability won the 2019 Nobel Prize in Physiology or medicine. // Genes & Diseases. – 2019. – Т. 6, № 4. – C. 328–332.

8. Rankin E. B., Giaccia A. J. Hypoxic control of metastasis. // Science. – 2016. – Т. 352, № 6282. – C. 175–180.

9. LaGory E. L., Giaccia A. J. The ever-expanding role of HIF in tumour and stromal biology. // Nature Cell Biology. – 2016. – Т. 18, № 4. – C. 356–365.

10. Semenza G. L. Hypoxia-Inducible Factors in Physiology and Medicine. // Cell. – 2012. – Т. 148, № 3. – C. 399–408.

11. Jin M.-Z., Jin W.-L. The updated landscape of tumor microenvironment and drug repurposing. // Signal Transduction and Targeted Therapy. – 2020. – Т. 5, № 1. – C. 166.

12. Krisnawan V. E., Stanley J. A., Schwarz J. K., DeNardo D. G. Tumor Microenvironment as a Regulator of Radiation Therapy: New Insights into Stromal-Mediated Radioresistance. // Cancers. – 2020. – Т. 12, № 10. – C. 2916.

13. Sahu A., Kwon I., Tae G. Improving cancer therapy through the nanomaterials-assisted alleviation of hypoxia. // Biomaterials. – 2020. – Т. 228. – C. 119578.

14. Ravichandran G., Yadav D. N., Murugappan S., Sankaranarayanan S. A., Revi N., Rengan A. K. “Nano effects”: a review on nanoparticle-induced multifarious systemic effects on cancer theranostic applications. // Materials Advances. – 2022. – Т. 3, № 22. – C. 8001–8011.

15. Zhao L., Fu C., Tan L., Li T., Zhong H., Meng X. Advanced nanotechnology for hypoxia-associated antitumor therapy. // Nanoscale. – 2020. – Т. 12, № 5. – C. 2855–2874.

16. Mansoori B., Mohammadi A., Amin Doustvandi M., Mohammadnejad F., Kamari F., Gjerstorff M. F., Baradaran B., Hamblin M. R. Photodynamic therapy for cancer: Role of natural products. // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. – 2019. – Т. 26. – C. 395–404.

17. Correia J. H., Rodrigues J. A., Pimenta S., Dong T., Yang Z. Photodynamic Therapy Review: Principles, Photosensitizers, Applications, and Future Directions. // Pharmaceutics. – 2021. – Т. 13, № 9. – C. 1332.

18. Jiang W., Liang M., Lei Q., Li G., Wu S. The Current Status of Photodynamic Therapy in Cancer Treatment. // Cancers. – 2023. – Т. 15, № 3. – C. 585.

19. Olyushin V. E., Kukanov K. K., Nechaeva A. S., Sklyar S. S., Vershinin A. E., Dikonenko M. V., Golikova A. S., Mansurov A. S., Safarov B. I., Rynda A. Y., Papayan G. V. Photodynamic therapy in neurooncology. // Biomedical Photonics. – 2023. – Т. 12, № 3. – C. 25–35.

20. Villalpando-Rodriguez G. E., Gibson S. B. Reactive Oxygen Species (ROS) Regulates Different Types of Cell Death by Acting as a Rheostat. // Oxidative Medicine and Cellular Longevity. – 2021. – Т. 2021. – C. 1–17.

21. Krasnovskiĭ A. A. [Photodynamic activity and singlet oxygen]. // Biofizika. – 2004. – Т. 49, № 2. – C. 305–321.

22. Zhao X., Liu J., Fan J., Chao H., Peng X. Recent progress in photosensitizers for overcoming the challenges of photodynamic therapy: from molecular design to application. // Chemical Society Reviews. – 2021. – Т. 50, № 6. – C. 4185–4219.

23. Baptista M. S., Indig G. L. Effect of BSA Binding on Photophysical and Photochemical Properties of Triarylmethane Dyes. // The Journal of Physical Chemistry B. – 1998. – Т. 102, № 23. – C. 4678–4688.

24. Wan Y., Fu L., Li C., Lin J., Huang P. Conquering the Hypoxia Limitation for Photodynamic Therapy. // Advanced Materials. – 2021. – Т. 33, № 48. – C. 2103978.

25. Pominova D. V., Ryabova A. V., Skobeltsin A. S., Markova I. V., Romanishkin I. D., Loschenov V. B. Spectroscopic study of methylene blue in vivo: effects on tissue oxygenation and tumor metabolism. // Biomedical Photonics. – 2023. – Т. 12, № 1. – C. 4–13.

26. Pominova D., Ryabova A., Skobeltsin A., Markova I., Linkov K., Romanishkin I. The use of methylene blue to control the tumor oxygenation level. // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. – 2024. – Т. 46. – C. 104047.

27. Sevcik P., Dunford H. B. Kinetics of the oxidation of NADH by methylene blue in a closed system. // The Journal of Physical Chemistry. – 1991. – Т. 95, № 6. – C. 2411–2415.

28. Engbersen J. F. J., Koudijs A., Van Der Plas H. C. Reaction of NADH models with methylene blue. // Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas. – 2010. – Т. 104, № 5. – C. 131–138.

29. Chiarugi A., Dölle C., Felici R., Ziegler M. The NAD metabolome — a key determinant of cancer cell biology. // Nature Reviews Cancer. – 2012. – Т. 12, № 11. – C. 741–752.

30. Jiang H., Jedoui M., Ye J. The Warburg effect drives dedifferentiation through epigenetic reprogramming. // Cancer Biology & Medicine. – 2024. – Т. 20, № 12. – C. 891–897.

31. Jiang H., Greathouse R. L., Tiche S. J., Zhao M., He B., Li Y., Li A. M., Forgo B., Yip M., Li A., Shih M., Banuelos S., Zhou M.-N., Gruber J. J., Rankin E. B., Hu Z., Shimada H., Chiu B., Ye J. Mitochondrial Uncoupling Induces Epigenome Remodeling and Promotes Differentiation in Neuroblastoma. // Cancer Research. – 2023. – Т. 83, № 2. – C. 181–194.

32. Komlódi T., Tretter L. Methylene blue stimulates substrate-level phosphorylation catalysed by succinyl–CoA ligase in the citric acid cycle. // Neuropharmacology. – 2017. – Т. 123. – C. 287–298.

33. Taldaev A., Terekhov R., Nikitin I., Melnik E., Kuzina V., Klochko M., Reshetov I., Shiryaev A., Loschenov V., Ramenskaya G. Methylene blue in anticancer photodynamic therapy: systematic review of preclinical studies. // Frontiers in Pharmacology. – 2023. – Т. 14. – C. 1264961.

34. Matsubara T., Kusuzaki K., Matsumine A., Satonaka H., Shintani K., Nakamura T., Uchida A. Methylene blue in place of acridine orange as a photosensitizer in photodynamic therapy of osteosarcoma. // In Vivo (Athens, Greece). – 2008. – Т. 22, № 3. – C. 297–303.

35. Hak A., Ali M. S., Sankaranarayanan S. A., Shinde V. R., Rengan A. K. Chlorin e6: A Promising Photosensitizer in Photo-Based Cancer Nanomedicine. // ACS Applied Bio Materials. – 2023. – Т. 6, № 2. – C. 349–364.

36. Rynda A. Yu., Rostovtsev D. M., Olyushin V. E., Zabrodskaya Yu. M. Therapeutic pathomorphosis in malignant glioma tissues after photodynamic therapy with сhlorin e6 (reports of two clinical cases). // Biomedical Photonics. – 2020. – Т. 9, № 2. – C. 45–54.

37. Filonenko E. V. Clinical implementation and scientific development of photodynamic therapy in Russia in 2010-2020. // Biomedical Photonics. – 2022. – Т. 10, № 4. – C. 4–22.

38. Panaseykin Y. A., Kapinus V. N., Filonenko E. V., Polkin V. V., Sevrukov F. E., Isaev P. A., Ivanov S. A., Kaprin A. D. Photodynamic therapy treatment of oral cavity cancer in patients with comorbidities. // Biomedical Photonics. – 2023. – Т. 11, № 4. – C. 19–24.

39. Adimoolam M. G., A. V., Nalam M. R., Sunkara M. V. Chlorin e6 loaded lactoferrin nanoparticles for enhanced photodynamic therapy. // Journal of Materials Chemistry B. – 2017. – Т. 5, № 46. – C. 9189–9196.

40. Lim D.-J. Methylene Blue-Based Nano and Microparticles: Fabrication and Applications in Photodynamic Therapy. // Polymers. – 2021. – Т. 13, № 22. – C. 3955.

41. Alimu G., Yan T., Zhu L., Du Z., Ma R., Fan H., Chen S., Alifu N., Zhang X. Liposomes loaded with dual clinical photosensitizers for enhanced photodynamic therapy of cervical cancer. // RSC Advances. – 2023. – Т. 13, № 6. – C. 3459–3467.

42. Hompland T., Fjeldbo C. S., Lyng H. Tumor Hypoxia as a Barrier in Cancer Therapy: Why Levels Matter. // Cancers. – 2021. – Т. 13, № 3. – C. 499.

43. Stratonnikov A. A., Loschenov V. B. Evaluation of blood oxygen saturation in vivo from diffuse reflectance spectra. // Journal of Biomedical Optics. – 2001. – Т. 6, № 4. – C. 457.

44. Atamna H., Kumar R. Protective Role of Methylene Blue in Alzheimer’s Disease via Mitochondria and Cytochrome c Oxidase. // Journal of Alzheimer’s Disease. – 2010. – Т. 20, № s2. – C. S439–S452.

45. Efendiev K. T., Alekseeva P. M., Shiryaev A. A., Skobeltsin A. S., Solonina I. L., Fatyanova A. S., Reshetov I. V., Loschenov V. B. Preliminary low-dose photodynamic exposure to skin cancer with chlorin e6 photosensitizer. // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. – 2022. – Т. 38. – C. 102894.

46. Datta R., Alfonso-García A., Cinco R., Gratton E. Fluorescence lifetime imaging of endogenous biomarker of oxidative stress. // Scientific Reports. – 2015. – Т. 5, № 1. – C. 9848.