Diagnostyka Fotodynamiczna w praktyce szpitalnej
Transkrypt
Diagnostyka Fotodynamiczna w praktyce szpitalnej
$IAGNOSTYKAFOTODYNAMICZNAWPRAKTYCESZPITALNEJ 0HOTODYNAMICDIAGNOSTICSINHOSPITALPRACTICE $RNMED*AKUB!DAMCZYK +ATEDRAI:AKAD"IOFIZYKI7YDZIA&ARMACEUTYCZNYZ/DDZIAEM-EDYCYNY,ABORATORYJNEJW3OSNOWCU gLSKI5NIWERSYTET-EDYCZNYW+ATOWICACH +IEROWNIK+ATEDRY DRHABNFIZ"ARBARA0ILAWAPROFNADZW35- Streszczenie: Jedną z najważniejszych cech metod biopsji optycznej jest jej nieinwazyjny charakter, wysoka czułość i rozdzielczość w porównaniu do tradycyjnych metod diagnostycznych. Optyczne metody diagnostyczne w przeciwieństwie do badań histopatologicznych i analizy biochemicznej nie wymagają pobierania wycinków tkanki do analizy, a ilość analizowanego materiału jest praktycznie nieograniczona. W pracy przedstawiono zastosowanie diagnostyki fotodynamicznej. Słowa kluczowe: analiza spektralna, diagnostyka fotodynamiczna, biopsja optyczna Wiek XX to okres dynamicznego rozwoju techniki. Wiek XXI będzie należał do odkryć interdyscyplinarnych, których przykładem jest metoda fotodynamiczna wspierająca nowoczesne metody wykrywania wczesnych zmian nowotworowych w obrębie układu pokarmowego i drzewa oddechowego [6,7]. Początek badań nad zjawiskiem fotodynamicznym sięga przełomu XIX i XXw. Odkryto wtedy, że naświetlanie pantofelków (Paramaecium Caudatum) w obecności niskiego stężenia akrydyny powoduje efekt letalny [15,17]. Dla porównania takie samo stężenie barwnika w podobnym środowisku, jednak bez dostępu światła nie wywoływało tego efektu. Po raz pierwszy metodę fotodynamiczną zastosowano w 1903 roku do diagnostyki i leczenia nowotworów skóry przy użyciu eozyny jako fotouczulacza [33]. Kolejnym fotouczulaczem była hematoporfiryna zastosowana po raz pierwszy w 1911 roku przez Hausmana [17]. W 1924 roku zaobserwowano działanie endogennych porfiryn jako fluorescencje guzów nowotworowych u myszy. Przełomem okazały się obserwacje Aulera, który w 1924 roku wykazał znacznie większe gromadzenie się egzogennej hematoporfiryny w komórkach nowotworowych niż w komórkach prawidłowych [15]. Pierwszy fotouczulacz powstał na początku lat 60 – tych kiedy to Lipson opracował syntezę mieszaniny różnych pochodnych porfirynowych pod nazwa HpD (Hematoporphyrin Derivative) [15]. Prowadzono więc badania nad wyjaśnieniem mechanizmów działania i kumuCOPYRIGHT'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO )33. Abstract: Most important features of non-invasive optical biopsy are high sensitivity and high resolution comparing to well-established diagnostic methods. Optical diagnostic methods do not require tissue sample excision, what is necessary in pathological and biochemical examinations, and the amount of material is almost unlimited. In this work applicatious of photodynamic diagnostic technique are presented. Key words: spectral analysis, photodynamic-based diagnostic technique, optical biopsy lacji różnych fotouczulaczy w tkankach nowotworowych. Badano rolę światła w efekcie fotodynamicznego diagnozowania i leczenia nowotworów [9,10,16,20,21]. Wykazano, że pochodne hematoporfizyny doskonale nadają się do diagnostyki i terapii nowotworów. Od początku lat 80 – tych na całym świecie prowadzone są intensywne badania nad udoskonaleniem tej metody. Fluorescencyjne metody diagnostyki medycznej opierają się na optycznych różnicach własności tkanek zdrowych i tkanek zmienionych w procesie nowotworzenia [18,24]. Ryc. 1. Detekcja tych różnic wykorzystuje następujące następująca zjawiska fizyczne: transmisja i absorpcja, odbicie, rozproszenie Ramana, rozproszenie elastyczne, fluorescencja czy fosforescencja [13,37]. Przykładowe widma pasm absorpcji i emisji przedstawiono na ryc. 2 [27] Ryc. 2. Pasma maksimum absorpcji i emisji dla różnych substancji [27]. Metoda fotodynamiczna wyróżnia stosunkowo mała inwazyjnością samego zabiegu a przy tym, wysoką czułością i rozdzielczością w porównaniu do tradycyjnych metod diagnostycznych takich jak: magnetyczny rezonans jądrowy, tomografia komputerowa, ultrasonografia [4,33] . Metoda autofluorescencyjna została najlepiej przebadana na tkance płucnej [31]. Jednak wyniki otrzymane dla jednego rodzaju narządu nie mogą być przenoszone na inne narządy stąd ciągłe poszukiwania charakterystycznych obszarów spektralnych. Tkanka nowotworowa z zakumulowaną &ARMACEUTYCZNY 0RZEGLD.AUKOWY kU¤°°U Niezbędnym składnikiem diagnostyki i terapii fotodynamicznej nowotworów jest obecność w komórkach fotosensybilizatorów, czyli związków, które pod wpływem światła o odpowiedniej długości fali łatwo ulegają aktywacji [15,23,32]. Na świecie istnieją systemy do diagnostyki nowotworów metodą fotodynamiczną [30]. Są to wysoko wyspecjalizowane urządzenia wyposażone w źródło światła, monitory oraz systemy archiwizacji [13,14]. Jako źródła światła wykorzystywane są lasery niebieskie. Stwarza to problemy natury nie tylko finansowej ale również eksploatacyjnej gdyż technika budowy laserów niebieskich dużej mocy jest ciągle jeszcze udosko¬A'lJu|Rul¬oyRp}¬®J|ªRo7R®\| |¥A®¥q-A®-p|q|®lRq|y¬ |-®ªlJu|Rul¬oyR nalana. Alternatywą dla lap}¬Ai|Ro®|J-y¬u\| |¥A®¥q-A®Rup|q|A®Rª|y¬ <= serowych i żarowych źródeł światła jest zastosowanie elementów półprzewodniprotoporfiryną, po doprowadzeniu światła wzbudzającego kowych. Dioda elektroluminescencyjna jest prostym źrów zakresie ultrafioletu i fioletu emituje światło o czerwonej dłem światła. Niski strumień świetlny i mała różnorodność fluorescencji [1,6]. barw ograniczały jednak możliwości ich stosowania. OgraCzynnikiem determinującym głębokość wnikania wiązki niczeniami stosowania diod są: stosunkowo długi czas odpromieniowania świetlnego jest długość fali [11]. Maksipowiedzi oraz duża szerokość linii widmowej emitowanego mum transmitancji tkanek przypada na długości fal 8001200 nm. Przy długościach fal 400-500 nm (stosowanych światła. Zaletą jest liniowa zdolność mocy modulowanego najczęściej w diagnostyce fotodynamicznej) głębokość światła diody od jej prądu. Linia światła diody elektrolupenetracji promieniowania wynosi 0,5-2 mm. Natomiast minescencyjnej jest jednak wystarczająco wąska aby prow przypadku fal o długości 600-800 nm (stosowanych mieniowanie odbierane było przez oko ludzkie jako światło w laserach do terapii fotodynamicznej) głębokość penetracji jednobarwne [1]. W ostatnich latach konstrukcja i technologia tych elewynosi do 8 mm [3]. mentów półprzewodnikowych została tak udoskonalona, że Aby precyzyjnie dobrać daną długość fali stosuje się można już mówić o nowym rodzaju źródeł światła, których światło generowane przez lasery, dzięki czemu wiązka proskuteczność świetlna jest wyższa niż w lampach żarowych mieniowania ma ściśle określone parametry fizyczne [8]. [8]. Istnieją już także możliwości produkcji diod o dowolnej Najczęściej do wzbudzenia stosuje się wiązkę laserową w barwie promieniowania. Sprawia to, że diody świecące LED zakresie fal niebieskich [34]. W związku z dużymi kosztami z powodzeniem zaczynają wkraczać na obszar szeroko roaparatury laserowej ostatnie lata przyniosły próby zastosozumianych zastosowań oświetleniowych. wania prostszych, a zarazem tańszych źródeł promieniowaNajszybciej obrazowanie autofluorescencyjne znalazło nia. Zastosowanie takich promienników jak żarówka ksenoswoje miejsce jako uznana metoda diagnostyki drzewa nowa lub rtęciowa wymaga stosowanie filtrów bądź innych oskrzelowego [31]. Wykorzystano tutaj fakt, że współczynprzyrządów spektralnych. Filtry te nie dają jednak światła niki absorpcji i rozproszenia światła przez tkankę płucną jednobarwnego lecz światło o szerokości pasma od 20 do są wielokrotnie mniejsze niż dla typowych tkanek stałych. 80 nm [8]. Warunkiem krytycznym w tym przypadku jest to Zmiany dysplastyczne i wczesne zmiany nowotworowe są aby szerokość pasma przypadała na jedną barwę światła, a bardzo trudne do wykrycia przy użyciu tradycyjnych metod także aby nie nachodziła na pik absorpcji hemoglobiny, czyendoskopowych (wg Woolnera do 30%) ponieważ obejmują li 415 nm [33]. Pozwala to z jednej strony na zwiększenie obszar kilku milimetrów i zbudowane są z kilku warstw koenergii fali elektromagnetycznej (im szerszy filtr tym więkmórek. W pierwszych pracach użyto egzogennych fotouczusza energia), a także daje możliwość uchwycenia maksilaczy. W diagnostyce drzewa oskrzelowego wykorzystywamów absorpcji kilku fotosensybilizatorów, co ma znaczenie ny jest system LIFE. Lam i wsp. przeprowadzili badania podczas badania autofluorescencyjnego [8,36]. &ARMACEUTYCZNY 0RZEGLD.AUKOWY COPYRIGHT'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO )33. kU¤°°U ¬A¤-u--7|AollRulolJq-}¸y¬Ai¥7 -yAol<¤= u ponad 200 pacjentów zagrożonych wystąpieniem choroby nowotworowej [19]. Wykazali oni, że badanie autofluorescencyjne zwiększyło wykrywalność zmian dysplastycznych i wczesnonowotworowych z 40% (w bronchoskopii w świetle białym) do 91%. Diagnostyka LIFE jest obecnie badaniem z wyboru przy poszukiwaniu wczesnych zmian nowotworowych drzewa oskrzelowego nie wykrywalnych dotychczas znanymi metodami diagnostycznymi. Kolejnym zastosowaniem metod fluorescencyjnych we wczesnym wykrywaniu zmian nowotworowych i określaniu ich rozległości są choroby nowotworowe pęcherza moczowego [25,36]. Brodawkowy nowotwór pęcherza moczowego jest na dobrze widoczny w tradycyjnym badaniu cystoskopowym [35]. Inaczej jest przy diagnostyce nowotworów COPYRIGHT'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO )33. śródnabłonkowych i dysplazjach, które ze względu na swój rozsiany charakter są często niezauważane w badaniu tradycyjnym. Badanie fotodynamiczne przeprowadza się zwykle u pacjentów z pozytywnym wynikiem testów cytologicznych w kierunku choroby nowotworowej. Najczęściej stosowanym fotouczulaczem do instilacji pęcherza moczowego stosuje się roztwór kwasu 5 delta aminolewulinowego [35]. Zastosowanie metody LIF w diagnostyce raków skóry uwarunkowane jest dużym stężeniem formy redoks nukleotydu nikotynamidoadeninowego [5]. Szereg zmian chorobowych jak melanoma, raki, znamiona, brodawki lojotokowe i łuszczyca odznaczają się podobną fluorescencją [18]. Tylko melanoma odznacza się znacznie słabszą fluorescencją w stosunku do skóry zdrowej. Zmiany takie są bardzo dobrze widoczne w mikroskopii fluorescencyjnej. Lokalizacja raka skóry zwłaszcza podstawno i kolczystokomórkowego jest znacznie ułatwiona przy miejscowym stosowaniu fotouczulacza. Również w przypadku diagnostyki raków skóry jak i pęcherza moczowego przewagę posiada 5-ALA nad Photofrinem [1]. Pierwsze prace nad zastosowaniem LIF w ginekologii wykonał Alfano, w których wykazał różnicę w widmie fluorescencji pomiędzy tkanką zdrową i tkanką zmienioną nowotworowo jajników, macicy, szyjki macicy [2]. Dotychczasowe badania wykazują dużą czułość i specyficzność metody w diagnostyce zmian nowotworowych narządu rodnego u kobiet. Od kilku lat w niewielu ośrodkach na świecie wykonuje się próby zastosowania w praktyce klinicznej zjawiska fluorescencji tkanek w diagnostyce zmian chorobowych w obrębie przewodu pokarmowego [12,22,28]. Większość prac poświęcona jest zastosowaniu badania spektralnego zmian chorobowych (głównie nowotworowych) przełyku, żołądka i jelita grubego, a także badania fotodynamiczne gdzie najczęściej używanymi fotouczulaczami są Photofrin II i kwas &ARMACEUTYCZNY 0RZEGLD.AUKOWY kU¤°°U 5-delta aminolewulinowy [29]. Badania spektrum fluorescencji nowotworowej śluzówki przewodu pokarmowego są obiektem badań zarówno in vivo w tym przede wszystkim obrazowanie fotodynamiczne i autofluorescencyjne jak i ex vivo po usunięciu zmiany nowotworowej [26]. Są to jednak ciągle badania będące w fazie prób klinicznych z niewielką ilością publikacji temu poświęconych. Techniki fluorescencyjne nie wyprą w najbliższym czasie konieczności pobrania wycinków. Badania histopatologiczne będą nadal miały podstawowe znaczenie w procesie decyzyjnym, jednak miejsca do pobrania wycinków do analizy mogą być wstępnie ustalane metodami nieinwazyjnymi. Nie bez znaczenia pozostaje fakt, że użycie metod spektroskopowych pozwoli na bardzo szybką analizę pobranego, np. w czasie kolonoskopii materiału. Wykonujący badanie lekarz będzie, w krótkim czasie poinformowany czy pobrany przez niego materiał wykazuje spektralne cechy komórek zmienionych czy powinien zostać pobrany ponownie z innego miejsca. Zwiększa się zatem komfort i bezpieczeństwo pracy lekarza a pacjent narażony jest na zdecydowanie mniejsze obciążenie samym zabiegiem. Piśmiennictwo Adamczyk J., Kawczyk-Krupka A., Birkner B., Ledwoń A., Sieroń A., Spectral analysis of skin Basal Cell Carcinoma. W: Symposium on Photonics Technologies for Framework Programme 7, Wrocław 12-14.10.2006, p.221. Alfano RR, Tata DB, Tomashefsky P: Laser induced fluorescence, spectroscopy from native cancerous and normal tissue. IEEE Ouantum Electron 1984; 20: 1507-1511 Anav A., Rafanelli C., Di Menno I., Di Menno M.: An algorithm to evaluate solar irradiance and effective dose rates using spectral UV irradiance at four selected wavelengths. Radiat. Prot. Dosimetry, 2004, 111, 239-250. Andersson P.S., Kjellen E., Montan S., Svanberg K., Svanberg S.: Autofluorescence of various rodent tissues and human skin tumors samples. Lasers Med. Sci., 1987, 2, 41-49. Andersson-Engels S., Canti G., Cubeddu R., Eker C., af Klinteberg C., Pifferi A., Svanberg K., Svanberg S., Taroni P., Valentini G., Wang I.: Preliminary evaluation of two fluorescence imaging methods for the detection and the delineation of basal cell carcinomas of the skin. Lasers Surg Med., 2000, 26, 76-82. Badizadegan K., Backman V., Boone C.W., Crum C.P., Dasari R.R., Georgakoudi I., Keefe K., Munger K., Shapshay S.M., Sheetse E.E., Feld M.S.: Spectroscopic diagnosis and imaging of invisible pre-cancer. Faraday Discuss, 2004, 126, 265-279. Bigio I.J., Bown S.G.: Spectroscopic sensing of cancer and cancer therapy: current status of translational research. Cancer Biol. Ther., 2004, 3, 259-267. Booth K., Hill S.: Optoelektronika. WKŁ, Warszawa 2001. Diagaradjane P., Yaseen M.A., Yu J., Wong M.S., Anvari B.: Autofluorescence characterization for the early diagnosis of neoplastic changes in DMBA/TPA-induced mouse skin carcinogenesis. Lasers Surg. Med., 2005, 37, 382-395. &ARMACEUTYCZNY 0RZEGLD.AUKOWY Dilkes M.G., Benjamin E., Ovaisi S., Banerjee A.S.: Treatment of primary mucosal head and neck squamous cell carcinoma using photodynamic therapy: results after 25 treated cases. J. Laryngol. Otol., 2003, 117, 713-717. Farkas D.L., Becker D.: Applications of spectral imaging: detection and analysis of human melanoma and its precursors. Pigment Cell Res., 2001, 14, 2-8. Georgakoudi I., Feld M.S.: The combined use of fluorescence, reflectance, and light-scattering spectroscopy for evaluating dysplasia in Barrett’s esophagus. Gastrointest. Endosc. Clin., 2004, 14, 519-537. Georgakoudi I., Sheets E.E., Muller M.G., Backman V., Crum C.P., Badizadegan K., Dasari R.R., Feld M.S.: Trimodal spectroscopy for the detection and characterization of cervical precancers in vivo. Am. J. Obstet. Gynecol., 2002, 186, 374-382. Georgakoudi I., Jacobson B.C., Van Dam J., Backman V., Wallace M.B., Muller M.G., Zhang Q., Badizadegan K., Sun D., Thomas G.A., Perelman L.T., Feld M.S.: Fluorescence, reflectance, and light-scattering spectroscopy for evaluating dysplasia in patients with Barrett‘s esophagus. Gastroenterology, 2001, 120, 1620-1629. Graczyk A. (red.): Fotodynamiczna metoda rozpoznawania i leczenia nowotworów. Dom Wydawniczy Bellona, Warszawa 1999. Gurjar R.S., Backman V., Perelman L.T., Georgakoudi I., Badizadegan K., Itzkan I., Dasari R.R., Feld M.S.: Imaging human epithelial properties with polarized lightscattering spectroscopy. Nat. Med., 2001, 7, 1245-1248. Hausman W.: Die Sensibilisierende Wirkung des Hematoporhyrins. Biochem. 1911, 2, 276. 000 Kong S.G., Chen Y.R., Kim I., Kim M.S.: Analysis of hyperspectral fluorescence images for poultry skin tumor inspection. Appl. Opt,. 2004, 43, 824-833. Lam S, MacAulay C, Hung J, LeRiche J, Profio AE, Palcic B. Detection of dysplasia and carcinoma in situ with a lung imaging fluorescence endoscope device. J Thorac Cardiovasc Surg. 1993 Jun;105(6):1035-40. Lauridsen R.K., Everland H., Nielsen L.F., Engelsen S.B., Norgaard L.: Exploratory multivariate spectroscopic study on human skin. Skin Res. Technol., 2003, 9, 137-146. Lou P.J., Jones L., Hopper C.: Clinical outcomes of photodynamic therapy for head and neck cancer. Technol. Cancer Res. Treat., 2003, 4, 311-317. Lovat L, Bown S.: Elastic scattering spectroscopy for detection of dysplasia in Barrett’s esophagus. Gastrointest. Endosc. Clin., 2004, 14, 507-517. Lovat L.B., Jamieson N.F., Novelli M.R., Mosse C.A., Selvasekar C., Mackenzie G.D., Thorpe S.M., Bown S.G.: Photodynamic therapy with m-tetrahydroxyphenyl chlorin for highgrade dysplasia and early cancer in Barrett’s columnar lined esophagus. Gastrointest. Endosc., 2005 , 62, 617-623. Maier H., Schauberger G., Brunnhofer K., Honigsmann H.: Change of ultraviolet absorbance of sunscreens by exposure to solar-simulated radiation. J. Invest. Dermatol., 2001, 117, 256-262. Manyak M.J., Ogan K.: Photodynamic therapy for refractory superficial bladder cancer. Long term clinical outcomes of single treatment using intravesical diffusion medium. J. Endourol., 2003, 17, 633-639. COPYRIGHT'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO )33. kU¤°°U Musumeci F., Applegate L.A., Privitera G., Scordino A., Tudisco S., Niggli H..J.: Spectral analysis of laser-induced ultraweak delayed luminescence in cultured normal and tumor human cells: temperature dependence. J. Photochem. Photobiol., 2005, 79, 93-99. Mycek M.A., Pogue B.: Handbook of biomedical fluorescence. Marcel Dekker Inc., New York 2003. Niepsuj K, Niepsuj G, Cebula W, Zieleznik W, Adamek M, Sielanczyk A, Adamczyk J, Kurek J, Sieron A., Autofluorescence endoscopy for detection of high-grade dysplasia in short-segment Barrett’s esophagus. Gastrointest Endosc. 2003 Nov;58(5):715-9. Ott S.J., Ochsenkuehn T., Stepp H., Holl J., Brand S., Pauletzki J., Baumgartner R., Sackmann M.: Detection of colonic dysplasia by laser-induced fluorescence endoscopy (LIFE) with and without 5.aminolaevulinic acid. Gastrointest. Endosc., 2000, 51 Abs.95, 3449. 00000 Patwardhan S.V., Dai S., Dhawan A.P.: Multi-spectral image analysis and classification of melanoma using fuzzy membership based partitions. Comput. Med. Imaging. Graph., 2005, 29, 287-296. Piotrowski WJ, Marczak J, Nawrocka A, Antczak A, Górski P. Inhalations of 5-ALA in photodynamic diagnosis of bronchial cancer. Monaldi Arch Chest Dis. 2004 AprJun;61(2):86-93. Schaffer M., Ertl-Wagner B., Schaffer P.M., Kulka U., Hofstetter A., Duhmke E., Jori G.: Porphyrins as radiosensitizing agents for solid neoplasms. Curr. Pharm. Des., 2003, 9, 2024-2035. COPYRIGHT'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO )33. Sieroń A., Cieślar G., Adamek M., Laitl-Kobierska A., Szyguła M., Kawczyk-Krupka A.: Zarys fotodynamicznej diagnostyki i terapii nowotworów. α-medica press, Bielsko-Biała 1997. Sieroń A., Pietrusa A., Szyguła M., Duda W., Wojciechowski B, Adamek M., Kawczyk-Krupka A., Cebula W., Zieleźnik W., Biniszkiewicz. T.. Zastosowanie metod fotodynamicznych w urologii. Urol.Pol. 2004 T.57 z.4 s.16-20. Sieroń A., Adamek M, Kawczyk-Krupka A., Szyguła M., Cebula W., Zieleźnik W, Biniszkiewicz T., Niepsuj K, Niepsuj G, Wojciechowski B, Pietrusa A, SierońStołtny K, Adamczyk.J. Photodynamic diagnosis and therapy (PDD and PDT). A summary of 6-year clinical experience - hype or hope?. Acta Bio-Optica Inform.Med. 2004 Vol.10 nr 1-2: International Symposium on New Trends in Photodynamic Therapy and Diagnosis, Wrocław [Poland] 21-22.06.2004, p.15[REV3]. Tunnell J.W., Desjardins A.E., Galindo L., Georgakoudi I., McGee S.A., Mirkovic J., Mueller M.G., Nazemi J., Nguyen F.T., Wax A., Zhang Q., Dasari R.R., Feld M.S.: Instrumentation for multi-modal spectroscopic diagnosis of epithelial dysplasia. Technol. Cancer Res. Treat., 2003, 2, 505-514. Zajdla R., Kacki E., Szczepaniak P., Kurzyński M.: Kompendium informatyki medycznej. α-medica press, Bielsko-Biała, 2003. &ARMACEUTYCZNY 0RZEGLD.AUKOWY