Статья: Инновационное свойство окрашенных веществ: красители и пигменты в фотодинамическом методе лечения онкологических заболеваний

Инновационное свойство окрашенных веществ: красители и пигменты в фотодинамическом методе лечения онкологических заболеваний

Г.Е. Кричевский, Н.Д. Олтаржевская,

М.А. Данилова

Аннотация

В статье изложены основы физиологии и физики цвета и цветовосприятия. Описаны принципы нового способа лечения онкологических заболеваний - фотодинамической терапии. Приведены оригинальные результаты экспериментов по использованию конкретных красителей в аппликационной (на текстильной основе) технологии фотодинамической терапии злокачественных опухолей.

Ключевые слова: физика цвета и цветовосприятия, спектральный состав солнечного цвета, органические окрашенные соединения., красители, пигменты.

Введение

С момента рождения и до самой смерти человек зрячий видит окружающий мир в цвете, а не черно-белым. Даже сны нам часто сняться цветными, такими, как и реальная жизнь. И не только человек наделен цветным зрением. "Люди, львы, орлы и куропатки, рогатые олени, гуси, пауки, молчаливые рыбы (А.П. Чехов, "Чайка") и другая живность нашей прекрасной (а потому что цветная) планеты, видит, зрительно ощущает окружающий мир цветным, "окрашенным". Кто его "окрасил", что это за великий "Красильщик", Farber, Dyer, который дал нам возможность видеть его во всем многообразии, великолепии красок, оттенков. Человеческое зрение способно различать 17 миллионов оттенков цвета полной солнечной палитры.

Физиология цветного зрения наложила огромный отпечаток на сознание, психику, мироощущение человека, что отражается в языках, в культурах (особенно в живописи), быте и т.д.

Чем богаче красками окружающий мир человека, тем больше и чаще в языке употребляются обозначение цвета и его оттенков. Богатство, развитость языка выражается и разнообразием обозначенных в нем цветов.

Почему человек и другие животные видят окружающий мир цветным? Причина не одна, это явление комплексное и обусловлено следующими фундаментальными причинами, которые можно назвать внешними и внутренними.

Внешние причины: поверхности земли достигает только часть многообразной излучаемой солнечной энергии, а именно: ультрафиолетовые лучи (УФ) низкой энергии (>290 нм) - мягкий УФ, лучи видимой части спектра (400-700 нм) и инфракрасные (>700 нм) - тепловые лучи.

Через атмосферу также проходят микроволны и радиоволны; жесткие рентгеновские и гамма лучи, а жесткий коротковолновый УФ (<350 нм) задерживается озонным слоем атмосферы (рис.1).

Рисунок 1. - Спектральный состав солнечного света.

Вокруг нас многие вещества, материалы (твердые, жидкие) природного происхождения и рукотворные, созданные человеком, видятся, ощущаются нами цветными потому, что содержат окрашенные органические и минеральные вещества. Окрашены они, т.е. имеют цвет или придают цвет неокрашенному материалу, потому что имеют определенное химическое строение, присущее только окрашенным соединениям. Это утверждение не совсем точное, оно, прежде всего, опровергается природой. Так цвет окраски может возникать не только за счет окрашенных веществ (красителей, пигментов), но и благодаря определенной, очень четко организованной структуре, состоящей из отверстий или частиц очень малых размеров (наноструктуры =0,1-100 нм; 1 нм=10^-9 м).

Так интенсивно черная окраска крыльев бабочки (рис.2) сформирована отверстиями определенной геометрии и наноразмеров, а люминесцирующая окраска природного опала обусловлена наноразмерами частиц, его формирующих. Золото, измельченное до наноразмеров, имеет красный цвет, в отличие от "обычного" желтого золота. Красное золото, измельченное до наноразмеров, использовалось в средневековье для производства великолепных витражей, светостойкая окраска которых сохранилась и дошла до наших дней. Окраску, имеющую природу происхождения, не связанную с красителями и пигментами, называют структурной или физической.

Вернемся к "классической" окраске. Благодаря специфическому строению окрашенные вещества поглощают лучи только определенной длины волны видимой части спектра и соответственно отражают (непрозрачные материалы) или пропускают (прозрачные материалы) видимые лучи не полного видимого спектра, а только за вычетом из него поглощенной части.

(а) (б)

Рисунок 2. - Интенсивно черная окраска бабочки Papilio Ulysses (а) и ячеистая структура ее крыльев (б).

Есть и внутренние причины: при освещении материала солнечным светом или искусственным источником к нам в глаз попадают лучи видимой части спектра определенной длины волны и возбуждают определенные биохимические реакции в сенсорных клетках глаза, затем последующие биэлектрические импульсы по зрительному нерву поступают в область головного мозга, отвечающую за цветное восприятие окружающего мира. Что происходит в мозгу, какие интимные механизмы действуют в нем, пока не ясно, но эта проблема активно изучается.

Таким образом, для того, чтобы мы воспринимали мир цветным, нужно, чтобы сошлись в одной точке (фигурально) следующие моменты: наличие в солнечном спектре лучей, достигающих поверхности земли с длиной волны (400-700 нм), т.е. видимой части спектра; наличие на самой планете веществ, способных избирательно поглощать эти лучи; наличие у людей биооптического сложного прибора (глаза), способного воспринимать лучи видимой части спектра и передавать возникающие электрические импульсы в мозг, который, как биокомпьютер, переводит это в цветное изображение. Не слабо! Вот и решайте, кто это все придумал и сконструировал. А ведь это описание очень упрощенное, за которым стоят сложнейшие фотофизические и фотохимические процессы, биохимические реакции и биоэлектрические явления.

Пристальное внимание к природе окрашенных веществ, физической природе цвета, физиологии цветного зрения было приковано еще со времени великого физика Исаака Ньютона (1642-1726), который, пропустив через призму солнечный луч, первый экспериментально разложил солнечный спектр на составляющие (рис.3).

Рисунок 3. - Схема опыта по разложению солнечного света в спектр (1666 г.)

К настоящему времени общепринятым является тот факт, что все окрашенные вещества обладают высокой фотоактивностью: при избирательном поглощении видимой части спектра молекула из основного S₀ (рис.4) состояния переходит в фотовозбужденное состояние (синглетное - S₁ или триплетное - более долгоживущее Т₁). Это фотофизический акт. Из фотовозбужденного состояния молекула окрашенного вещества может вернуться в исходное состояние или претерпеть последующие многообразные фотохимические превращения, характерные только для фотовозбужденного состояния и невозможного для основного состояния. Это связано с повышенной энергией фотовозбужденной молекулы по сравнению с ее основным состоянием. Можно сказать, что при фотовозбуждении снижается энергия активации реакции, и она получает возможность осуществиться.

Рисунок 4. - Общая схема электронных переходов фотовозбужденных сенсибилизаторов и образования синглетного кислорода.

1 - поглощение; 2 - флуоресценция; 3 - внутрисистемная конверсия; 4 - фосфоресценция; 5 - переход триплетного кислорода ³О₂ в синглетный ¹О₂.

Уровни энергии сенсибилизатора (а) и кислорода (б).

Фотофизические и фотохимические превращения веществ, в том числе, красителей, подчиняются двум основным законам фотохимии [1, 2], академик А.Н. Теренин объединил их общим понятием и названием "Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений" [3].

Окрашенные вещества, будучи очень фотоактивными, подчиняются всем законам фотофизики и фотохимии, как было сказано выше:

· Закону эквивалентности, согласно которому одна молекула может поглощать только один квант энергии солнечного спектра;

фотодинамический терапия опухоль

· Фотохимические превращения могут происходить только с фотовозбужденными молекулами, в результате поглощения света.

Поскольку первая фотофизическая фаза фотовозбуждения - обратима, то часть, определенная фракция возбужденных молекул может вернуться к исходному основному состоянию. В связи с этим вводится очень важная количественная характеристика фотохимического процесса - квантовый выход Ф, своеобразный коэффициент полезного (при синтезе) и "вредного" (при деструкции) действия; квантовый выход характеризует конверсию фотохимических превращений и выражается простой формулой [2]:

, (1)

где N_фх - число молекул, претерпевших фотохимические превращения за единицу времени; N* - число молекул поглотивших свет и перешедших в возбужденное состояние за единицу времени.

Квантовый выход всегда меньше 1. В случае фотохимических "созидательных" реакций следует стремиться к тому, чтобы квантовый выход был близок к 1, а в случае разрушительных деструктивных фотохимических реакций квантовый выход стараются снизить (принцип светозащиты материалов). На схеме показаны фотофизические и фотохимические превращения при взаимодействии света с окрашенным веществом в среде, содержащей кислород (см. рис.4).

На схеме (рис.6) показаны фотофизические и фотохимические превращения окрашенных веществ (Кр)

Рисунок 6. - Схема фотофизических и фотохимических превращений окрашенных веществ.

Очень важно для будущего анализа проблемы фотодинамической терапии и диагностики онкологических заболеваний отметить общую закономерность фотофизики и фотохимии окрашенных веществ: переходя в фотовозбужденное состояние, они способны вступать в фотофизическое и фотохимическое взаимодействие с молекулами, находящимися по соседству с ними, и переводить их в особое реакционноспособное состояние. Так в кислородсодержащей среде, в том числе в живой клетке, молекулы кислорода при переносе энергии от фотовозбужденной молекулы красителя переходят из основного энергетически бедного триплетного состояния ³О₂ в синглетное 'О₂ энергетически более богатое и высокореакционноспособное состояние. В такой форме кислород является очень сильным окислителем и способен подвергать окислительной деструкции живые и неживые объекты. Если по соседству с фотовозбужденной молекулой красителя находятся молекулы (низко - или высокомолекулярные вещества), склонные к радикальным превращениям, то вокруг фотовозбужденной молекулы красителя образуется высокореакционноспособные частицы - радикалы разной природы (коротко - и долгоживущие, радикалы перекисной или алкильной природы, низкомолекулярные и полимерные). По радикальной схеме процесс идет более интенсивно в отсутствии кислорода. И синглетный кислород, и радикалы способны вступать в весьма специфические реакции, в которые кислород в обычной триплетной форме (мы им дышим!) и молекулы не в форме радикалов не вступают [2, 5]. Эти суперактивные частицы способны вызывать деструкцию молекул в их окружении, в том числе, их породивших (фотосенсибилизаторов - красителей) и полимеров в которых или по соседству с которыми они находятся [2].

ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЯ

Как было сказано выше, при освещении все органические окрашенные соединения в большей или меньшей степени, зависящей от их химического строения (распределения электронов на орбиталях атомов молекул), генерируют активные реакционноспособные частицы (синглетный кислород, радикалы, перикисные соединения различной природы), которые могут окислять, а, следовательно, разрушать низко - и высокомолекулярные вещества, в том числе, и белки живых клеток и, что очень важно, раковых клеток. Следовательно, очень важно доставить в опухоль окрашенное вещество с высокой фотоактивностью (фотосенсибилизатор) и туда же направить свет, преимущественно содержащий видимые лучи, которые это окрашенное вещество поглощает.

Но тут возникает ряд проблем, основными из которых являются следующие:

· Как доставить фотосенсибилизатор только в опухоль или преимущественно в опухоль?

Эта проблема возникает, если препарат-фотосенсибилизатор используют в виде различных форм инъекций. Этот препарат, пройдя множество органов через кровеносную и лимфатическую системы должен предпочесть сосредоточиться, сконцентрироваться, задержаться, иммобилизоваться в клетках опухоли. Другими словами препарат льшее сродство к клеткам опухоли,? должен иметь бо чем к здоровым клеткам. Ученые всего мира ведут систематический поиск новых селективно сорбирующихся в опухолях фотосенсибилизаторов. Избирательность связана с особенностями строения опухолевых клеток (иной аминокислотный состав, т.е. другая кислотная емкость, различие в диффузионной проницаемости, различие в рН среды и т.д.). Проблема весьма напоминает избирательную сорбцию и различие в сродстве кислотных красителей к белковым (шерсть, натуральный шелк) и полиамидным волокнам. Это различие определяется разным содержанием - NH₂ групп в этих волокнах (кислотная емкость) и их физической плотностью (диффузионная проницаемость) [7]. В случае аппликационной технологии доставки фотосенсибилизатора в опухоль близкого залегания, проблема селективности сорбции частично компенсируется. Это и является предметом, объектом наших разработок [8].

· Как подсветить, облучить фотосенсибилизатор, уже находящийся, иммобилизированный в опухоли (в объекте уничтожения)?

Светить надо тем светом, который поглощается окрашенным веществом, только тогда он будет проявлять свою фотоактивность (2ой закон фотохимии, смотри ранее). Но существует четкая зависимость между длиной волны света и его проникающей способностью по отношению к живым структурам. Применительно к коже человека и подкожным слоям эта зависимость показана на схеме (рис.7) [9].