Phototherapy: The method used in the treatment of chronic dermatological diseases

Fototerapia PUVA jest metodą stosowaną w schorzeniach dermatologicznych, wykorzystującą synergiczne działanie promieniowania oraz fotosensybilizatora. Dobór fotouczulacza wykorzystywanego w terapii zależy od długości stosowanej fali promieniowania. Warto zaznaczyć, iż oddzielne zastosowanie promieniowania i fotosensybilizatora nie powinno wpływać na organizm, a wyłącznie zastosowanie tych dwóch elementów może wywołać efekt terapeutyczny [12]. Skutkiem wzbudzenia fotosensybilizatora przez promieniowanie UV jest powstanie swoistej reakcji fototoksycznej. Reakcja fototoksyczna inaczej zwana fototoksycznym zapaleniem skóry to reakcja fotochemiczna, która powstała w wyniku napromieniowania leku lub innej substancji o charakterze fototoksycznym promieniowaniem UV. Polega na uszkodzeniu struktur komórkowych przez wolne rodniki wytworzone w jej przebiegu [13].

Mechanizm działania terapii PUVA jest związany z reakcjami fotochemicznymi I i II typu. Reakcja fotochemiczna I typu (bezpośrednia) skutkuje sieciowaniem sąsiednich nici DNA i utworzeniem cykloadduktów przez fotoaddycję fotosensybilatora do zasad pirymidynowych. Powstałe cykloaddukty hamują syntezę DNA i hiperproliferację naskórka, która jest cechą charakterystyczną łuszczycy. Dodatkowymi komórkowymi skutkami działania terapii PUVA są dysfunkcja mitochondriów, tworzenie RFT i apoptoza komórek Langerhansa, keratynocytów i limfocytów [14, 15]. Reakcja fotochemiczna II typu (pośrednia) indukuje powstanie reaktywnych form tlenu uszkadzających błony komórkowe i elementy cytoplazmatyczne [14, 16].

Psoraleny są związkami występującymi w roślinach i pełnią funkcję naturalnych środków owadobójczych. Zaliczane są do związków z grupy furokumaryn, które mają charakter fototoksyczny, co zostało wykorzystane w terapii PUVA [17]. Psoraleny aplikowane są w dwojaki sposób – wewnętrznie i zewnętrznie. Psolareny mogą być przyjmowane doustnie w postaci kapsułek i tabletek lub stosowane miejscowo jako kąpiele, a także aplikowane bezpośrednio na zmienioną chorobowo skórę w postaci roztworu, żelu lub balsamu. Związkiem najczęściej wykorzystywanym w fototerapii jest metoksalen (8-metoksypsolaren; 8-MOP) [12]. Metoksalen (9-metoksy-7H-furo[3,2-g]-chromen-7-on) jest substancją fotoaktywną występującą w nasionach rośliny Ammi majus (Umbelliferae) oraz w korzeniach Heracleum candicans [13, 18]. Stosowany jest miejscowo lub doustnie w połączeniu z UVA w leczeniu bielactwa i ciężkiej łuszczycy. Metoksalen metabolizowany jest w wątrobie i w ponad 90% wydalany z moczem. Lek osiąga maksymalne działanie po 2 godzinach od przyjęcia, a fotowrażliwość ustępuje po 8-10 godzinach po doustnym przyjęciu. W fototerapii używany jest także 5-metoksypsolaren (5-MOP) – pochodna bergaptenu, który charakteryzuje się podobną skutecznością jak 8-metoksypsolaren i jest lepiej tolerowany przez pacjentów (wywołuje mniej działań niepożądanych) [19].

Fototerapię wykorzystującą promieniowanie UVA (PUVA) można podzielić na pięć typów:

Pierwszym etapem fototerapii jest określenie wrażliwości skóry na wybrany fotouczulacz i stosowaną dawkę promieniowania. Dawka promieniowania UVA dobierana jest głównie na podstawie fototypu skóry wg Fitzpatricka, a za optymalnie dobraną uważa się taką, która wywołuje niewielką reakcję rumieniową na skórze, ale jednocześnie nie powoduje poparzenia. Dawka jest stopniowo zwiększana, w zależności od reakcji skórnej pacjenta o około 0,5–1,5 J/cm² [22]. Dobór dawki promieniowania jest uzależniony od wielkości powierzchni skóry poddawanej naświetlaniom, wrażliwości i typu skóry, a liczba i częstość zabiegów zależą od zaaplikowanej jednorazowo dawki. Następnie psolaren w dawce 0,6 mg/kg masy ciała podawany jest pacjentowi około 2 godziny przed naświetlaniem. Substancję fotoaktywną należy przyjmować na czczo, ponieważ pokarmy bogate w tłuszcz opóźniają jej wchłanianie i zmniejszają maksymalne stężenie we krwi. Wykazano, że międzyosobnicze różnice dotyczące ilości oraz szybkości wchłaniania leku mogą wpłynąć na efektywność stosowanego leczenia [9].

Przyjęty doustnie metoksalen wiąże się odwracalnie z albuminą surowicy krwi w 75–80%. Dystrybucja psoralenu przebiega w obrębie wszystkich narządów organizmu jednak bez ekspozycji na promieniowanie UV jest szybko z niego wydalany. Metoksalen jest metabolizowany w wątrobie i w ponad 90% wydalany z moczem. Powstałe metabolity metoksalenu nie ulegają kumulacji w organizmie i nie wykazują aktywności biologicznej. Substancje będące induktorami enzymów cytochromu P-450 przyspieszają metabolizm metoksalenu, czego skutkiem jest osłabienie biologicznego działania PUVA [23].

Następnym etapem terapii PUVA jest wzbudzenie podanej substancji światłoczułej przez napromieniowanie pacjenta promieniowaniem UVA. Najczęściej wykorzystywanym źródłem promieniowania są żarówki fluorescencyjne o maksymalnej emisji przy długości fali wynoszącej 325 nm, gdyż aktywacja psoralenu zachodzi między 320 a 330 nm [24]. Pacjenci, u których zmiany skórne obejmują duże obszary ciała, poddawani są naświetlaniu uogólnionemu (całego ciała), a chorzy, u których występują zmiany o charakterze ograniczonym (np. zmiany na kończynach górnych lub dolnych), poddawani są naświetlaniu jedynie w partiach chorobowo zmienionych. Zabiegi przeprowadzane są dwa lub trzy razy w tygodniu, w odstępie co najmniej 48 godzin. Jeśli nie zaobserwowano rumienia, dawka UVA jest zwiększana podczas kolejnego zabiegu, aż do uzyskania zadowalającego efektu terapeutycznego, a następnie jest utrzymywana. Średnia liczba zabiegów fototerapii łuszczycy (lub innych zapalnych chorób skóry) wynosi 25–30 [25]. Zewnętrzne stosowanie psolarenów wskazane jest szczególnie u pacjentów, którzy po doustnym przyjęciu leku doznają działań niepożądanych w postaci mdłości oraz wymiotów [9].

Leczenie ogólne w postaci doustnej stosowane jest u pacjentów, u których zmiany łuszczycowe obejmują dużą powierzchnię ciała. Preferowaną terapią łuszczycy z wykorzystaniem psolarenów jest zastosowanie leczenia zewnętrznego (np. kąpiele w roztworze zawierającym psolaren) [26]. Psolareny miejscowo stosowane sąw postaci 1% roztworu 8-metoksypsolarenu, który aplikowany jest precyzyjnie na miejsca zmienione chorobowo. Ponadto roztwór wykorzystywany jest do kąpieli określonej części ciała (np. dłonie, stopy) wymagającej terapii. Inną metodą jest 30-minutowa kąpiel całego ciała w 80 l wody i 15 ml 1% roztworu 8-MOP, bezpośrednio po której pacjent poddawany jest naświetlaniu promieniowaniem UVA [27].

Klasyczna metoda terapii PUVA charakteryzuje się dużą skutecznością terapeutyczną, gdyż doustne podawanie psolarenów umożliwia uzyskanie u około 73% pacjentów wskaźnika PASI - 75, oznaczającego 75% redukcję nasilenia zmian skórnych. Kąpiel PUVA pozwala natomiast na uzyskanie pozytywnych wyników terapii jedynie u 47% leczonych [28].

Terapię PUVA charakteryzuje działanie immunosupresyjne i antyproliferacyjne, dlatego stosowana jest w dermatozach zapalnych. Biologiczne skutki zastosowania fototerapii wykorzystującej promieniowanie UVA obejmują zahamowanie cyklu komórkowego limfocytów oraz indukcję ich apoptozy. Dodatkowo terapia PUVA wykazuje działanie immunomodulujące, polegające na zwiększeniu wydzielania interleukiny 2, interferonu gamma oraz zmniejszeniu ilości interleukin -4, -5 i -10. PUVA wpływa także na aktywność genów, wywołując wzrost ekspresji współczynników transkrypcji NF-κB i p53 [29]. Obecnie PUVA jest zatwierdzona przez Agencję Żywności i Leków (FDA; Food and Drug Administration) jako terapia łuszczycy i bielactwa nabytego. Inne powszechne zastosowania PUVA obejmują leczenie atopowego zapalenia skóry, liszaja płaskiego, ziarniniaka grzybiastego, łysienia plackowatego, twardziny, świądu idiopatycznego, przewlekłej pokrzywki oraz pokrzywki świetlnej (odczulanie pacjenta) [23].

Najczęstszym wskazaniem do leczenia PUVA jest łuszczyca, szczególnie jej odmiany o ciężkim przebiegu, gdzie inne terapie nie dają zadowalających efektów terapeutycznych [30]. Przeprowadzone w grupie 1300 pacjentów z łuszczycą badanie wykazało remisję zmian skórnych u 88% poddanych terapii PUVA [28].

W celu zwiększenia skuteczności terapii PUVA stosuje się leczenie skojarzone z doustnym podawaniem retinoidów (np. acytretyny). W badaniach z udziałem 265 pacjentów chorujących na łuszczycę analizowano stosowanie doustnych pochodnych witaminy A w połączeniu z terapią PUVA. Analizy wykazały, że leczenie skojarzone wiązało się z 22% większym prawdopodobieństwem oczyszczenia skóry ze zmian łuszczycowych niż monoterapia PUVA i 47% większym prawdopodobieństwem poprawy niż monoterapia pochodną witaminy A [6]. W innym badaniu z udziałem 60 pacjentów z ciężką łuszczycą porównywano wpływ łączonej terapii PUVA wraz z acytretyną oraz monoterapii PUVA. Uzyskane wyniki wykazały remisję zmian skórnych u 96% pacjentów poddanych terapii skojarzonej, podczas gdy podobny efekt osiągnięto u 80% pacjentów leczonych wyłącznie PUVA [28].

Terapia PUVA cechuje się dużą skutecznością w atopowym zapaleniu skóry, ponieważ wywołuje modulację odpowiedzi immunologicznej przez działanie proapoptotyczne na limfocyty, zwiększenie ekspresji MHC-I (major histocompatibility complex I; główny układ zgodności tkankowej klasy I) oraz wytwarzania interferonu gamma [20].

Terapia z wykorzystaniem promieniowania ultrafioletowego może wywoływać wiele działań niepożądanych, które w zależności od czasu ich wystąpienia dzielone są na bezpośrednie i pośrednie. Pierwsze z nich występują natychmiast lub w krótkim czasie po przeprowadzeniu terapii i zalicza się do nich nudności i wymioty (w przypadku terapii doustnej psolarenami), zawroty głowy, trudności z zasypianiem oraz zaburzenia nastroju. Ponadto mogą wystąpić zmiany skórne w postaci rumienia, pęcherzy oraz świądu. Powikłaniami odległymi, czyli występującymi po upływie dłuższego czasu od zabiegu fototerapii są: przyspieszenie procesu starzenia skóry (zmniejszenie elastyczności, pojawienie zmarszczek i przebarwień) oraz zwiększone ryzyko wystąpienia nowotworów skóry (np. raka kolczystokomórkowego skóry raka podstawnokomórkowego skóry oraz czerniaka) [6, 23].

Ze względu na to, iż fototerapia może wywierać działania niepożądane, jest przeciwwskazana u pacjentów:

Terapia promieniowaniem UVA1 wykorzystywana jest w chorobach zapalnych skóry, w tym sklerodermatoz. Terapię tę dzieli się ze względu na dawkę promieniowania, wyróżniając:

Urządzeniami stosowanymi do celów terapeutycznych są lampy fluorescencyjne, które umożliwiają fototerapię UVA1 o niskiej i średniej dawce oraz żarówki metalohalogenkowe o dużej mocy, które umożliwiają fototerapię UVA1 o wysokiej dawce [31].

Fototerapia UVA1 jest metodą wpływającą na różne etapy procesu tworzenia zwłóknień w skórze, poprzez hamowanie stanu zapalnego oraz zapobieganie tworzenia zwłóknień w obrębie skóry. Badania wykazały, iż naświetlanie UVA1 nawet w małych dawkach może hamować syntezę kolagenu, zwiększać aktywność kolagenazy i zmniejszać naciek komórkowy, powodując kliniczne zmiękczenie zmian skórnych [32]. Wykazano także potencjalny wpływ UVA1 na ekspresję genu SMAD7, zaangażowanego w transdukcję sygnału transformującego czynnika wzrostu beta (TGF-β) z powierzchni komórki do jądra, a który odgrywa główną rolę w patogenezie zapalnych chorób skóry. Ponadto terapia ta obniża poziom ludzkiej β-defensyny oraz interleukin-6 i -8, co wpływa na efekt terapeutyczny w sklerodermatozach [33].

Badanie pacjentów z twardziną, którzy poddani zostali terapii UVA1 (co najmniej dziesięć razy) wykazało poprawę stanu skóry u 20% osób leczonych niską dawką UVA1, 83% osób leczonych średnią dawką oraz 100% osób leczonych wysoką dawką [34].

Terapię UVAl po raz pierwszy zastosowano u osób z atopowym zapaleniem skóry, dalsze badania wykazały jej dużą skuteczność u pacjentów chorujących na pokrzywkę barwnikową, twardzinę, liszaj twardzinowy, wyprysk potnicowy oraz ziarniniak grzybiasty. Leczenie to stosowane jest w postaci monoterapii przez określony czas (10–15 ekspozycji) [32, 35]. Terapia UVA1 wykazuje skuteczność u pacjentów z atopowym zapaleniem skóry przez właściwości immunoregulacyjne, zwłaszcza przez indukcję apoptozy komórek T CD4 + i komórek Langerhansa oraz wpływ na poziom określonych cytokin [36].

Najczęstszym działaniem niepożądanym fototerapii z zastosowaniem promieniowania UVA1 jest nadmierna pigmentacja skóry (opalanie skóry), która może utrzymywać się przez wiele miesięcy. Ponadto może dochodzić do aktywacji opryszczki zwykłej oraz powstawania pokrzywki cholinergicznej. Nie zaobserwowano u pacjentów eksponowanych na UVA1 zwiększonej częstotliwości nowotworów skóry, jednak badania wykonane na modelach zwierzęcych wykazały, że promieniowanie UVA1 może indukować powstawanie raka płaskonabłonkowego i czerniaka [33, 37].

Wyróżniono dwie metody fototerapeutyczne wykorzystujące promieniowanie UVB: szerokopasmową (BB-UVB) oraz wąskopasmową (NB-UVB). Zarówno szerokopasmowy oraz wąskopasmowy zakres promieniowania wykorzystywany jest do leczenia: atopowego zapalenia skóry, łuszczycy, świądu, świerzbiączki, przyłuszczycy, ziarniniaka grzybiastego, róży oraz łojotokowego zapalenia skóry. Terapia BB-UVB stosowana jest u pacjentów chorujących na pierwotne chłoniaki skórne, a NB-UVB u osób z bielactwem, przewlekłą pokrzywką spontaniczną, pokrzywką świetlną oraz plamicą barwnikową. NB-UVB cechuje się dużą skutecznością terapeutyczną, szczególnie w leczeniu łuszczycy i wyprysku atopowego [28].

Dawka promieniowania w przypadku UVB dobierana jest na podstawie fototypu skóry wg Fitzpatricka lub alternatywnie, przez określenie minimalnej dawki rumieniowej MED-B - czyli dawki promieniowania UVB, która powoduje wystąpienie wyraźnie odgraniczonego jednolitego rumienia pokrywającego cały odsłonięty obszar niezabezpieczonej skóry, po 24 godzinach od naświetlania [38]. Początkowa dawka promieniowania wyznaczona w oparciu o fototyp skóry może wynosić 150–400 mJ/ cm² lub 70% MED-B. Następnie dawka jest zwiększana o 10–15%, zgodnie z tolerancją pacjenta, aż do osiągnięcia maksymalnej dawki 3 J/cm² n a c iele i 1 J /cm² w obrębie twarzy [28, 39, 40].

Szerokopasmowa terapia UVB (BB-UVB) była pierwszą metodą fototerapii zastosowaną u pacjentów z łuszczycą. Pierwszy schemat fototerapii UVB nazwano metodą Goeckermanna i polegał na zastosowaniu smoły węglowej, a następnie napromieniowaniu UVB wyemitowanym przez kwarcówkę rtęciową. Ze względu na to, iż preparaty smoły węglowej działały rakotwórczo zaprzestano jej stosowania [41]. Obecnie stosowane są lampy fluorescencyjne emitujące promieniowanie długości 280–320 nm. Kuracja z wykorzystaniem BB-UVB stosowana jest okresowo, kilka razy w tygodniu. Lozinski i wsp. porównując skuteczność terapii BB-UVB i PUVA zastosowanej u pacjentów chorujących na łuszczycę wykazali, że całkowitą remisję zmian skórnych uzyskano u 36 pacjentów (30%) poddanych terapii BB-UVB oraz 53 pacjentów (42%) leczonych PUVA, co wskazuje na lepszą skuteczność terapii PUVA [42]. Obecnie również terapia NB-UVB zastępuje BB-UVB, ponieważ wykazano, że jest bardziej skuteczna w leczeniu łuszczycy [20].

Terapia wykorzystująca szerokopasmowe promieniowanie UVB okazała się skuteczna w leczeniu pacjentów z bielactwem. W badaniu z udziałem 14 pacjentów chorujących na bielactwo, poddawanych kuracji z zastosowaniem BB-UVB, wykazano, że 8 pacjentów (57%) uzyskało ponad 75% repigmentacji po upływie 12 miesięcy [43].

Fototerapia NB-UVB zwykle jest zalecana u pacjentów posiadających zmiany skórne obejmujące co najmniej 10% powierzchni ciała. W ciężkiej łuszczycy ogniskowej skóry, gdy zmiany zajmują poniżej 10% powierzchni, stosowana jest fototerapia celowana. Ukierunkowana fototerapia UVB działa dobrze w obszarach odpornych na leczenie, takich jak łokcie, kolana i podudzia [20, 39].

W terapii wąskopasmowym UVB źródłem światła jest lampa TL-01, a najczęstszym modelem urządzenia do fototerapii jest kabina pionowa wyposażona w 24–48 lamp. Lampa TL-01 to powleczona luminoforem świetlówka emitująca fale o długości 310–315 nm, co zapewnia redukcję zbędnego promieniowania, minimalizując ryzyko poparzenia lub innych działań niepożądanych promieniowania. Kabiny NB-UVB mają wewnętrzne urządzenie obliczające czas potrzebny do podania danej dawki [38, 44].

Promieniowanie UVB zmniejsza ilość interleukiny -17, -22 oraz -23, zaliczanych do podstawowych w etiopatogenezie łuszczycy, dlatego terapia ta stosowana jest w tej chorobie. Ponadto w trakcie naświetlania dochodzi do zahamowania nadmiernej proliferacji keratynocytów oraz apoptozy komórek Langerhansa, limfocytów T i keratynocytów umiejscowionych w zmienionej zapalnie skórze. Fototerapia hamuje hiperproliferację naskórka i angiogenezę przez zakłócanie syntezy białek i kwasów nukleinowych [20, 41].

Terapia NB-UVB stosowana jest w łuszczycy umiarkowanej i ciężkiej uogólnionej, w tym łuszczycy kropelkowatej, gdy samo leczenie miejscowe nie jest skuteczne. Ponadto można ją stosować u pacjentów z niewydolnością nerek i wątroby lub u osób ze współistniejącym zakażeniem wirusem HIV. W łuszczycy krostkowej oraz gardłowej zalecane jest łączenie NB-UVB z innymi miejscowymi i ogólnoustrojowymi metodami leczenia [45].

Wstępne badania wskazują również, że terapię NBUVB można łączyć z leczeniem biologicznym oraz z ogólnoustrojowym przyjmowaniem retinoidów [28]. Zadowalające wyniki terapeutyczne NB-UVB wykazano u pacjentów z atopowym zapaleniem skóry [46].

Dla chorych na bielactwo najlepszą fototerapią jest NBUVB, gdyż jest skuteczniejsza w porównaniu z terapią PUVA, będącą jedną z podstawowych metod terapeutycznych tej choroby [44, 47, 48]. NB-UVB działa przez indukcję enzymu tyrozynazy (głównego enzymu procesu melanogenezy) i zwiększenie ekspresji HMB-45 (obecność antygenu czerniaka ludzkiego HMB-45 wskazuje na aktywne tworzenie melanosomów, a tym samym na różnicowanie melanocytów) na powierzchni melanosomu. Leczenie powinno trwać od sześciu do dwunastu miesięcy [38, 49]. Ponadto w celu osiągnięcia lepszego efektu terapeutycznego pacjenci mogą stosować dodatkowo inhibitory kalcyneuryny lub analogi witaminy D [50]. Leczenie bielactwa powinno być różnokierunkowe, dlatego skuteczniejsza jest terapia łącząca stosowanie inhibitorów JAK (inhibitorów kinaz janusowych) oraz fototerapię NB-UVB, które mają na celu odtworzenie pigmentacji skóry u pacjentów z bielactwem nabytym. Przeprowadzone badania dowiodły lepszą efektywność terapii NB-UVB w stosunku do PUVA, ponieważ wykazano większą liczbę pacjentów (64%) posiadających ponad 50% repigmentację po 6 miesiącach leczenia NB-UVB, niż w grupie PUVA (36%). Ponadto odpowiednie dopasowanie koloru zmian depigmentacyjnych do skóry zdrowej odnotowano u wszystkich pacjentów w grupie NB-UVB, a w grupie poddanych PUVA tylko u 44% osób poddanych terapii [38].

Krótkoterminowymi niekorzystnymi skutkami terapii z zastosowaniem zarówno BB-UVB, jak i NB-UVB są rumień, świąd, pieczenie, kłucie i sporadyczne pęcherze występujące na skórze poddanej leczeniu. Podobnie jak w nadmiernej ekspozycji na światło słoneczne, wykazano zwiększoną częstotliwość pojawiania się opryszczki u pacjentów poddawanych terapii z wykorzystaniem promieniowania UVB [20, 39].

Długoterminowymi działaniami niepożądanymi fototerapii BB-UVB i NB-UVB jest fotostarzenie i zwiększone ryzyko fotokarcynogenezy. Jednak przeprowadzone w grupie 3867 pacjentów (97% z fototypami skóry I-III) przez 5 lat badanie wpływu fototerapii UVB na częstotliwość występowania nowotworów skóry nie wykazało istotnego związku między występowaniem czerniaka i innych nowotworów skóry a leczeniem NB-UVB [50, 51].

Przeciwwskazaniami do fototerapii UVB są toczeń rumieniowaty, xeroderma pigmentosum, przewlekłe zapalenie skóry wywołane promieniowaniem słonecznym i pokrzywka świetlna. Terapię należy stosować ostrożnie u pacjentów w przeszłości leczonych arsenem, promieniowaniem jonizującym lub PUVA ze względu na możliwość nasilenia fotokarcynogenezy [39, 52]. Fototerapia nie jest wskazana u pacjentów z czerniakiem, znamionami atypowymi, mnogimi nieczerniakowymi nowotworami skóry oraz po przeszczepach w trakcie przyjmowania leków immunosupresyjnych [20]. Ze względu na szeroki zakres działania prawie wszystkich leków wykazujących potencjalnie niepożądane działanie fotouczulające, fototerapia NB-UVB może być bezpiecznie stosowana u pacjentów przyjmujących leki lub inne środki o charakterze fotouczulającym [9].

Główne różnice występujące między terapiami wykorzystującymi promieniowanie UVA i UVB w przebiegu terapii łuszczycy wskazują m.in., że:

Molekularny mechanizm działania terapii PDT oparty jest na oddziaływaniu między trzema elementami: substancją światłoczułą (PS; photosensitizer), energią świetlną o odpowiedniej długości fali oraz obecnym w tkankach tlenem [55]. Pierwszym etapem terapii fotodynamicznej jest miejscowe lub ogólnoustrojowe podanie substancji fotouczulającej, która kumuluje się w chorobowo zmienionej tkance. Następnie, pod wpływem ekspozycji fotouczulacza na promieniowanie o specyficznej dla niego długości fali, dochodzi do zapoczątkowania reakcji fotodynamicznej, która polega na absorpcji energii fotonu przez substancję światłoczułą. Wynikiem pochłonięcia promieniowania przez fotouczulacz jest przejście do stanu wzbudzonego, czego skutkiem może być bezpośrednia utrata energii, której towarzyszy występowanie fluorescencji wykorzystywane w fotodiagnostyce lub przejście bezpromieniste indukujące powstawanie trwalszej, wzbudzonej postaci substancji światłoczułej [56]. W wyniku zachodzącej reakcji generowane są wolne rodniki tlenowe, zdolne do indukcji uszkodzeń w tkance, w której się znajdują. Reakcja fototoksyczna może przebiegać w dwojaki sposób, natomiast elementem decydującym o mechanizmie zachodzenia głównego elementu PDT jest dostępność molekularnego tlenu w miejscu zachodzenia reakcji:

Reakcja fototoksyczna typu pierwszego zachodzi w przypadku obniżonego stężenia tlenu w tkance. Dochodzi wówczas do wytworzenia rodnikowej substancji światłoczułej, która reagując z tlenem wytwarza formy nadtlenkowe, rodniki hydroksylowe oraz jony ponadtlenkowe, zdolne do indukcji wolnorodnikowych reakcji łańcuchowych.

Wysokie stężenie tlenu molekularnego w tkance będącej celem reakcji fototoksycznej skutkuje preferencją drugiego typu reakcji, którego podstawę stanowi zdolność wzbudzenia tlenu do stanu singletowego [57]. Uważa się, iż drugi typ mechanizmu reakcji fototoksycznej jest procesem efektywniejszym, ze względu na powstawanie najbardziej cytotoksycznej reaktywnej formy tlenu, jaką jest tlen singletowy [58].

Destrukcja i uszkodzenie tkanek, do którego dochodzi podczas stosowania terapii fotodynamicznej, są wynikiem zachodzenia następujących reakcji:

Za główne miejsce molekularnego ataku tlenu singletowego uważa się związki zawierające podwójne wiązania, a więc będące strukturalnymi składnikami błon komórkowych. Po przyłączeniu fotosensybilizatorów do dwuwarstwy fosfolipidowej następuje ich translokacja do wnętrza komórki i organelli komórkowych, takich jak aparat Golgiego, lizosomy, mitochondria czy jądra komórkowe, stających się nowym miejscem oddziaływania generowanych RFT [56]. Wewnątrzkomórkowe umiejscowienie substancji światłoczułej decyduje o zachodzeniu śmierci komórkowej. Apoptoza indukowana jest kumulacją PS w obrębie mitochondriów, nekroza zachodzi w wyniku destrukcji i utraty integralności błony komórkowej, natomiast autofagia może być spowodowana uszkodzeniem lizosomów bądź siateczki śródplazmatycznej [58].

Substancje światłoczułe, tworzące oprócz energii świetlnej i tlenu niezbędny element do prowadzenia terapii fotodynamicznej, klasyfikowane są w obrębie trzech generacji.

Do pierwszej generacji substancji światłoczułych zaliczane są aromatyczne związki makrocykliczne z grupy porfiryn. Aromatyczny pierścień porfirynowy zawierający 22 niesparowane elektrony oraz sprzężony układ wiązań nienasyconych odpowiada za chromoforowe właściwości porfiryn oraz ich pochodnych. Podstawową strukturą fotosensybilizatorów pierwszej generacji jest układ porfiny. Porfina, mimo zdolności absorbowania szerokiego zakresu promieniowania UV, jest substancją, której zastosowanie w warunkach klinicznych nie jest możliwe ze względu na słabą kumulację w tkankach nowotworowych. W celu poprawy zdolności selektywnej kumulacji PS w tkankach nowotworowych do hydrofobowego szkieletu porfirynowego wprowadzane są różnego rodzaju podstawniki. Charakter chemiczny podstawników umożliwia otrzymanie pochodnych o dowolnych właściwościach chemicznych – związków lipofilowych, amfifilowych bądź lipofobowych [2, 57]. Pierwszym fotosensybilizatorem zatwierdzonym przez FDA do użytku w praktyce klinicznej była hematoporfiryna (HpD; hematoporphyrin D), izolowana z hemoglobiny krwi. Mieszanina HpD zawierająca formy mono-, di- oraz oligomeryczne ze względu na hydrofobowy charakter cechowała się niewielką zdolnością selektywnej kumulacji w tkankach nowotworowych. Hematoporfirynę wykorzystywano w terapii fotodynamicznej nowotworów płuc, przełyku, pęcherza moczowego, żołądka oraz szyjki macicy [59]. Słabe wchłanianie PS w oknie terapeutycznym oraz zdolność wywoływania 4-12-tygodniowej nadwrażliwości na światło stały się przyczyną podjęcia dalszych poszukiwań substancji światłoczułych cechujących się korzystniejszymi skutkami działania [2, 60].

Druga generacja substancji światłoczułych stosowanych w terapii fotodynamicznej obejmuje związki otrzymywane w wyniku chemicznych modyfikacji porfiryny, polegających na addycji podstawników do pierścieni pirolowych lub mostków metylenowych [2]. Do drugiej generacji PS zalicza się substancje, takie jak: kwas 5-aminolewulinowy (5-ALA), chloryny, teksafiryny, pochodne tiopuryny oraz benzoporfiryny [61, 62]. Związki te charakteryzuje większa czystość chemiczna, lepsze wnikanie do tkanek głębokich, większa wydajność generowania tlenu singletowego oraz szybsza eliminacja z organizmu, ograniczająca występowanie działań niepożądanych wynikających ze stosowania terapii PDT [63]. Istotną rolę w fotouczulaniu komórek odegrał prekursor protoporfiryny IX – kwas 5-aminolewulinowy, stosowany w terapii wielu nowotworów powierzchniowych, głównie jamy ustnej oraz przewodu pokarmowego.

Końcowym etapem biosyntezy hemu jest katalizowane przez ferrochelatazę wprowadzenie jonów żelaza Fe²⁺ do wnętrza pierścienia protoporfirynowego. Skutkiem aplikacji kwasu 5-aminolewulinowego jest przekroczenie kompleksujących zdolności ferrochelatazy i kumulacja protoporfiryny w komórkach nowotworowych. 5-ALA to rodzaj proleku wywołującego 1-2-dniową wrażliwość skóry na promieniowanie [64]. Pomimo poprawy właściwości PS II generacji w stosunku do generacji poprzedniej ich wprowadzenie nie spowodowało całkowitej eliminacji wad. Głównym czynnikiem ograniczającym podawanie substancji światłoczułych drugiej generacji jest ich słaba rozpuszczalność w wodzie [53, 65].

Ze względu na duże możliwości zastosowania terapii fotodynamicznej w schorzeniach o różnej etiologii, w tym chorób nowotworowych, podjęto próby udoskonalenia właściwości substancji fotouczulających. Innowacje dotyczą aplikacji substancji światłoczułych w postaci umożliwiającej selektywną kumulację w tkankach nowotworowych – celowanie aktywne i pasywne (bierne) oraz napromieniowania jedynie chorobowo zmienionych tkanek [8, 19].

Mechanizm celowania biernego oparty jest na fizjologicznych i morfologicznych różnicach między tkanką prawidłową a nowotworową. Lite guzy nowotworowe ze względu na szybką i niekontrolowaną proliferację komórek cechują się nieprawidłową budową tkanek, która ogranicza pobieranie i dystrybucję leków w ich obrębie [66]. Słabo rozwinięty układ limfatyczny oraz nieprawidłowa budowa naczyń powstałych w procesie neowaskularyzacji sprawia, iż śródbłonek nowotworu nie jest szczelny. Umożliwia to preferencyjną kumulację makrocząstek w strukturze guza (EPR; enhanced vascular permeability and retention – efekt zwiększonej przepuszczalności i retencji w tkankach nowotworowych) [67]. Dodatkowym czynnikiem sprzyjającym kumulacji PS w tkance nowotworowej jest obniżone pH w mikrośrodowisku guza, które sprawia, że substancje światłoczułe o właściwościach hydrofobowych wykazują tendencję do wynaczyniania i zatrzymywania się w jego komórkach [68]. Fotosensybilizatory o charakterze hydrofobowym poddaje się kapsułkowaniu w nanostrukturach (liposomy i cząstki polimerowe), gdyż ulegają agregacji po podaniu dożylnym, co może spowodować powstawanie powikłań zakrzepowo-zatorowych.

Wytwarzanie tlenu singletowego jest podstawową cechą decydującą o skuteczności terapii PDT, dlatego też opracowano dwie klasy nanostruktur – biodegradowalne i nieulegające biodegradacji – zdolne do różnego wytwarzania tlenu singletowego. Do biodegradowalnych nanostruktur wykonanych z naturalnych lub syntetycznych materiałów zaliczane są liposomy oraz micele. Do wytworzenia RFT konieczne jest uwolnienie PS w procesie dyfuzji lub erozji tych nanocząstek. W przypadku nanostruktur nieulegających biodegradacji nie trzeba uwalniać PS, jednak musi on być zdolny do swobodnej dyfuzji, aby wytworzenie tlenu singletowego było możliwe. Mimo innowacyjności pasywnego celowania fotosensybilizatorów do tkanek nowotworowych metoda ma ograniczenia, do których należy brak wykazywania efektu EPR przez guzy we wczesnym stadium rozwoju, który uniemożliwia kumulację PS [69].

Aktywne celowanie umożliwia gromadzenie PS w zmianie nowotworowej przez tworzenie połączeń fotosensybilizatorów z nośnikami zdolnymi do oddziaływania z określonymi komórkami. Główną metodą aktywnego celowania substancji światłoczułych jest kierowanie cząsteczek na przeciwciała swoiście związane z guzem lub receptory ulegające nadmiernej ekspresji w tkance nowotworowej [53, 65].

Związki światłoczułe stosowane zarówno w terapii jak i diagnostyce powinny cechować następujące właściwości [57, 70, 71, 72]:

Promieniowanie UV umożliwia inicjację reakcji fotodynamicznej. Pierwotnie stosowanym źródłem promieniowania było słońce, które powodowało powstawanie wielu działań niepożądanych ze względu na szeroki zakres emitowanego widma spektroskopowego oraz zdolność wzbudzania dużej ilości fotosensybilizatorów [73]. Podstawowym wymogiem stawianym źródłom emitującym fale UV wykorzystywanym w terapii PDT jest zapewnienie monochromatyczności emitowanego promieniowania [57]. Początkowo stosowano lampy łukowe, jednak ciepło powstające w trakcie terapii powodowało poparzenia skóry [57]. Następnie zmienione chorobowo tkanki naświetlano za pomocą rzutników, lamp halogenowych, ksenonowych, metalohalogenkowych i rtęciowych, jednak najbardziej popularnym generatorem promieniowania używanym w PDT są lasery i diody laserowe. Pozwalają one na dobór parametrów, tj. długość i fluencja fali promieniowania precyzyjnie dostosowanych do substancji fotouczulającej [71]. Wykorzystanie światłowodu jako źródła promieniowania w terapii PDT umożliwia poszerzenie zakresu stosowalności terapii fotodynamicznej jako nieinwazyjnej metody zwalczania nowotworów występujących w obrębie głęboko położonych tkanek [73].

Zakres wykorzystywanego promieniowania UV w terapii fotodynamicznej zależy od lokalizacji zmiany chorobowej oraz rodzaju wykorzystywanego fotosensybilizatora. W celach diagnostycznych oraz w terapii zmian powierzchniowych wykorzystywane jest promieniowanie o długościach fal 390–410 nm (światło niebieskie), które przenika tkanki na głębokość 1–2 mm. W zaawansowanych zmianach nowotworowych o dużych rozmiarach stosuje się promieniowanie o długości fali 620–670 nm (światło czerwone) osiągające głębokość 1 cm [71].

Głębokość przenikania promieniowania zależy nie tylko od długości fali, lecz również od stopnia pigmentacji naświetlanej tkanki. W przypadku tkanek cechujących się dużą zawartością melaniny promieniowanie o długości fali 400 nm przenika do organizmu na głębokość 0,2–0,6 mm. Czynnikiem decydującym o głębokości przenikania promieniowania do tkanek o niskiej zawartości melaniny jest hemoglobina. Światło niebieskie przenika tkanki białe na głębokość 0,5–1,5 mm, natomiast promieniowanie, którego długość fali wynosi 900 nm, wnika na głębokość 3,5–6 mm [74].

Każdy ze stosowanych fotouczulaczy wymaga indywidualnego doboru długości fal promieniowania, które umożliwiają jego aktywację [71]. Substancje światłoczułe pierwszej generacji stosowane są z promieniowaniem, którego długość fal mieści się w zakresie 624–640 nm, natomiast druga generacja fotouczulaczy wzbudzana jest promieniowaniem o długości 650–670 nm [56].

Precyzyjny dobór parametrów promieniowania jest podstawą zapewnienia maksymalnej efektywności terapii przy jednoczesnej minimalizacji powstawania działań niepożądanych [71].

Terapia fotodynamiczna w 90% przypadków wykorzystywana jest w chorobach dermatologicznych, jednak jest także alternatywną metodą terapii zmian nowotworowych, która pozwala na uniknięcie inwazyjnej interwencji chirurgicznej [53]. Istotą metody PDT jest selektywne fotouczulenie tkanek chorobowych, do którego dochodzi w następstwie wzbudzenia promieniowaniem skumulowanego w nich fotosensybilizatora [74]. Warto zaznaczyć, iż zgodnie z obecną wiedzą przeciwnowotworowa aktywność terapii fotodynamicznej opiera się na następujących elementach, które powodują śmierć komórek klonogennych:

Wskazaniami do terapii fotodynamicznej są:

Rogowacenie słoneczne (AK; acnitic keratosis), jest zmianą przednowotworową wywołaną nadmierną ekspozycją na promieniowanie ultrafioletowe. AK jest umiejscowione głównie w obrębie skóry głowy i dłoni. Terapia rogowacenia słonecznego jest głównym elementem pozwalającym na uniknięcie ewolucji tego schorzenia w kierunku rozwoju raka kolczystokomórkowego skóry [56, 64]. PDT stosowana jest w rogowaceniu, któremu towarzyszy mnogość zmian obecnych głównie na skórze głowy i twarzy [76]. Dotychczas prowadzono badania, porównujące skuteczność stosowania MAL-PDT, będącej odmianą terapii fotodynamicznej, która wykorzystuje światło dzienne z cyklami krioterapii. Analizy wykonanych badań wykazały większą skuteczność stosowania terapii fotodynamicznej pod względem osiągniętej u pacjentów remisji choroby [77, 78]. Uzyskanie remisji zależy od umiejscowienia zmian AK – obszary rogowacenia występujące w obrębie głowy umożliwiają uzyskanie remisji nawet w 90% przypadków, natomiast w przypadku zmian obecnych na ramionach terapia PDT pozwala na uzyskanie 50% remisji [64]. Dobre wyniki leczenia uzyskiwane podczas stosowania terapii fotodynamicznej skłaniają do poszukiwania nowych metod aplikacji PDT. Obecnie prowadzone są badania dotyczące stosowania terapii fotodynamicznej w postaci samoprzylepnych plastrów, frakcjonowanej ekspozycji na promieniowanie, ekspozycji na światło dzienne oraz stosowanie przenośnych źródeł promieniowania w warunkach ambulatoryjnych [56].

Objawem choroby Bowena jest występowanie na skórze stale powiększającej się pojedynczej, rumieniowatej, nieregularnej zmiany. Nieleczona choroba Bowena prowadzi do rozwoju płaskonabłonkowego nowotworu skóry. Metodami terapeutycznymi stosowanymi w tym schorzeniu są inwazyjne zabiegi chirurgiczne oraz nieinwazyjne terapie ablacyjne, do których zalicza się PDT [79]. Podczas stosowania terapii fotodynamicznej choroba Bowena ustępuje w 86–93% przypadków [78]. W celu optymalizacji terapii ALA-PDT stosowanej w chorobie Bowena przeprowadzono wiele badań klinicznych porównujących tę metodę z innymi, referencyjnymi. ALA-PDT w porównaniu z krioterapią oraz leczeniem fluorouracylem umożliwia uzyskanie znacznie wyższego odsetka odpowiedzi na zastosowane leczenie – ALA-PDT 80% odpowiedzi; krioterapia 67%; fluorouracyl 42% [64].

Nieczerniakowe nowotwory skóry (NMSC; non-melanoma skin cancers), do których zaliczany jest rak podstawnokomórkowy (BCC; basal cell carcinoma) należą do najczęściej występujących zmian nowotworowych skóry wśród populacji kaukaskiej. W BCC terapia fotodynamiczna jest metodą stale zyskującą na popularności. Zastosowanie leczenia fotodynamicznego możliwe jest w łagodnych nowotworach podstawnokomórkowych. Bardziej agresywne odmiany BCC cechują się częstszym występowaniem nawrotów choroby, czego prawdopodobną przyczyną jest występowanie mutacji, nadających komórkom oporność na apoptozę [80]. Przeprowadzone badania wskazują, iż terapia MAL-PDT, ma podobną skuteczność w porównaniu z zastosowaniem interwencji chirurgicznej, umożliwia jednak uniknięcie pozostawania blizn w obrębie miejsc poddanych terapii [81].

Chłoniaki pierwotne skóry (PCL; primary cutaneous lymphoma), należące do grupy chłoniaków nieziarniczych, tworzą zróżnicowaną grupę nowotworów układu chłonnego. Terapia fotodynamiczna wykorzystywana jest głównie w chłoniaku T-komórkowym i B-komórkowym jako alternatywna metoda terapeutyczna powodująca niewiele działań niepożądanych [17]. Prowadzone są badania, które wskazują, że dzięki PDT można uzyskać nawet całkowitą remisję choroby, po której nie obserwuje się wznowy. Jest to jednocześnie zabieg bezbolesny i dobrze tolerowany przez pacjentów [82].

Miejscowa terapia fotodynamiczna to dobrze znany schemat stosowany w schorzeniach onkologicznych, jednak w terapii chorób, którym towarzyszy występowanie stanów zapalnych skóry, wykorzystywane jest także jej działanie immunosupresyjne. Mechanizm działania leczniczego terapii fotodynamicznej we wskazaniach nieonkologicznych polega na modulacji odpowiedzi immunologicznej organizmu, która odbywa się na poziomie komórkowym i molekularnym [64]. Działanie immunosupresyjne terapii fotodynamicznej polega na ograniczeniu aktywności komórek Langerhansa obecnych w skórze i modulacji wydzielania czynników prozapalnych [83].

Trądzik jest schorzeniem dermatologicznym, którego patogeneza wiąże się z nadmiernym wytwarzaniem sebum, czemu towarzyszy stan zapalny oraz nadmierna kolonizacja skóry przez bakterie Propionibacterium acnes ( P. acnes) [84, 85]. Terapia fotodynamiczna trądziku polega na aplikacji fotouczulacza, który włączany jest do szlaku syntezy hemu, a następnie w komórkach bakteryjnych jest przekształcany w protoporfirynę IX. W wyniku absorpcji promieniowania przez fotosensybilizator występuje reakcja fototoksyczna i nagromadzenie reaktywnych form tlenu w nabłonku, które eliminują P. acnes oraz modyfikują aktywność gruczołów łojowych. W dotychczas prowadzonych badaniach stosowano substancje światłoczułe, tj. kwas 5-aminolewulinowy, metyloaminolewulinian, zieleń indocyjanianową i kwas indolo-3-octowy, które aktywowano diodami LED, świetlówkami, pulsacyjnymi laserami barwnikowymi oraz intensywnym światłem pulsującym, emitującymi promieniowanie o długościach fal 400–417 nm i 630 nm [64, 84]. W wyniku prowadzonych badań stwierdzono, iż terapia fotodynamiczna w trądziku umożliwia uzyskanie prawie 65% redukcji zmian zapalnych. Zadowalające wyniki przeprowadzonych badań stwarzają nadzieję, iż terapia PDT stanie się alternatywną metodą stosowaną do zwalczania tego schorzenia [84].

Nieonkologicznymi wskazaniami do zastosowania terapii fotodynamicznej są również wirusowe infekcje skóry, do których zalicza się choroby związane z zakażeniem wirusem HPV, mięczaka zakaźnego (molluscum cognitosum) i brodawki pospolite. Mechanizm działania PDT w terapii infekcji wirusowych polega na selektywnym niszczeniu przez wolne rodniki tlenowe komórek zainfekowanych wirusem oraz indukcji ich martwicy i apoptozy. Do likwidacji brodawek stosuje się metodę fotodynamiczną, która umożliwia uniknięcie powstawania blizn w miejscach poddawanych terapii [64]. Kłykciny kończyste również poddawane są próbom terapii fotodynamicznej. Wyniki badań porównawczych wskazują, iż terapia fotodynamiczna, jak i referencyjna metoda leczenia, którą jest laseroterapia CO₂, dają podobne rezultaty remisji choroby – 100%. Wskaźnik nawrotu choroby jest jednak znacznie mniejszy – około 7% po zastosowaniu fototerapii w porównaniu do 19% w laseroterapii CO₂, a także powoduje mniej działań niepożądanych [86].

Przenikanie rogowej warstwy blaszek łuszczycowych i selektywna kumulacja w tkance chorobowej kwasu 5-aminolewulinowego umożliwiło zastosowanie terapii PDT w łuszczycy. Prowadzone badanie kliniczne I/II fazy wykazało poprawę u około 45% pacjentów, jednak konieczność przerywania terapii spowodowana bólem i pieczeniem sugeruje, iż konieczne jest poszukiwanie alternatywnych substancji fotouczulających, które ograniczyłyby działania niepożądane towarzyszące stosowanej terapii [87].

Leiszmanioza jest chorobą rozpowszechnioną w krajach trzeciego świata. W związku z brakiem wytycznych dotyczących zwalczania tej choroby podjęto próby zastosowania PDT. Badanie obejmowało stosowanie PDT, paromomycyny oraz placebo w trzech grupach kontrolnych. Analiza otrzymanych wyników wykazała, iż do całkowitego wyleczenia doszło u 93,5% pacjentów leczonych terapią fotodynamiczną w porównaniu do 41% wyleczonych, u których stosowano paromomycynę. Sugerowany mechanizm działania PDT w leczeniu chorych z leiszmaniozą obejmuje destrukcję osłonki pierwotniaków oraz utlenienie lipidów i aminokwasów komórkowych. Wysoki koszt terapii fotodynamicznej jest przeszkodą w jej stosowaniu na szeroką skalę w ubogich krajach, jednak wydaje się skuteczną metodą [64, 87].

Poprawa walorów estetycznych skóry po zastosowanym leczeniu fotodynamicznym stała się przyczyną poszukiwania nowych zastosowań PDT w medycynie estetycznej. Obecnie uwaga skupiona jest na wpływie terapii fotodynamicznej na proces starzenia skóry. Wynikiem prowadzonych badań było stwierdzenie, że podczas stosowania terapii fotodynamicznej zmniejszyła się widoczność zmarszczek wokół oczu o 55%, przebarwień o prawie 60% oraz teleangiekinezji o 80% [88]. Dokładny mechanizm działania przeciwstarzeniowego PDT nie jest znany. Obserwowana jest zarówno indukcja, jak i hamowanie syntezy kolagenu, jednak badania potwierdzają wzrost gęstości skóry po zastosowaniu PDT, będący prawdopodobnie wynikiem reorganizacji obecnych lub kumulacji nowych włókien kolagenowych [89].

Mimo poszukiwania alternatywnych metod terapii chorób, takich jak łuszczyca, bielactwo czy chłoniaki skóry, terapia wykorzystująca promieniowanie świetlne pozostaje podstawową metodą w wielu rodzajach dermatoz [90].