H. J. RothPhotodynamische Therapie - Chemie und Wirk

Von der Beobachtung zur Anwendung

Bereits im Jahre 1892 berichteten Charles Darwin und Karl Dammann über exanthemische Reaktionen bei Weidetieren, welche Buchweizen gefressen hatten. Bei Tieren mit hellem Pelz und bei solchen, die sich stärker dem Sonnenlicht aussetzten, waren die zu beobachtenden Hautschäden stärker als bei Vergleichstieren [1].

Ähnliche Befunde waren bei Rindern und Schafen zu beobachten, die Johanniskraut gefressen hatten [2]. Heute wissen wir, dass die hierfür verantwortlichen Photosensibilisatoren das Fagopyrin des Buchweizens (Fagopyrum esculentum) und das Hypericin des Johanniskrauts (Hypericum perforatum) sowie strukturverwandte Analoga sind.

Der Begriff photodynamische Therapie wurde 1904 von v. Tappeiner geprägt, nachdem man erstmals die photosensibilisierenden Effekte von topisch appliziertem Eosin genutzt hatte, um Hautkrebs mit Licht zu behandeln [3]. Experimente mit Chinidin und Acridin blieben klinisch unbefriedigend.

Später wurde die phototoxische Wirkung von Hämatoporphyrin erkannt. 1966 benutzte Lipson ein als "Hämatoporphyrin-Derivat" (HpD) bezeichnetes Produkt zur photodynamischen Therapie bei Mammakarzinomen. Es folgten weltweit experimentelle und klinische Studien mit HpD und "aufgereinigtem HpD" unter den Bezeichnungen Photofrin® und Photosan®.

Heute werden zur photodynamischen Therapie (PDT) Photosensibilisatoren der zweiten Generation mit chemisch definierter Struktur eingesetzt.

Angeregte und reaktive Moleküle

Gemeinsames Merkmal aller Photosensibilisatoren ist ein ausgedehntes, konjugiertes π-Elektronensystem, meist mit 14 π-Elektronen, als Voraussetzung für die Lichtabsorption.

Durch Lichtabsorption werden Photosensibilisatormoleküle aus ihrem energetischen Grundzustand (S0) in einen elektronisch angeregten Singulett-Zustand (S1) befördert.

Aus diesem Zustand können sie entweder strahlungslos oder durch Emission eines Photons in den energetischen Grundzustand zurückkehren. Die Abgabe von Photonen bezeichnet man als Fluoreszenz, die medizinisch in der Fluoreszenz-Diagnostik genutzt wird.

Andererseits können die angeregten Moleküle unter Umkehr des Elektronenspins strahlungslos vom Singulett-Zustand S1 in den Triplett-Zustand T1 gelangen. In Gegenwart geeigneter Reaktionspartner sind Moleküle im T1-Zustand an Elektronen- und Energie-Transfer-Prozessen beteiligt, die für die Bildung hochreaktiver Sauerstoffspezies (ROS) verantwortlich sind; zu den ROS zählen Singulett-Sauerstoff, Peroxidradikal, Hydroxylradikal, Superoxidradikal-Anion und Wasserstoffperoxid. Die Aktivität der ROS verursacht die Oxidation und Destruktion verschiedener Biomoleküle, was schließlich zu einer letalen Zellschädigung führt [4].

Damit ist evident, dass die Gegenwart von Sauerstoff in Zellen und Geweben eine grundsätzliche Voraussetzung für die PDT ist und dass diese Methode, wenn bestimmte Kriterien der Photosensibilisatoren erfüllt sind (s. u.), eine geeignete Tumortherapie darstellen kann.

Photodynamische Therapie von Tumoren

Photosensibilisatoren, die zur PDT geeignet sind, müssen folgende Merkmale aufweisen:

• hohe Tumorselektivität,
• geringe Zytotoxizität,
• kurze Verweildauer im Gewebe,
• hohe Ausbeute an Singulett-Sauerstoff,
• ausreichende Photostabilität.

Die photodynamische Tumortherapie beruht darauf, dass die i.v. applizierten Photosensibilisatoren durch Laserlicht aktiviert werden. Geeignet sind Photosensibilisatoren, die sich im Tumorgewebe erheblich stärker anreichern als in normalem Gewebe. Dann werden die Tumorzellen bei der lokalen Bestrahlung direkt geschädigt, oder es kommt zur Verödung der Blutgefäße, die den Tumor versorgen.

Die wesentlichen Effekte, die zum Zelltod im Tumor führen, beruhen auf der Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) durch den bestrahlten Photosensibilisator. Folgen, die zur irreversiblen Zellschädigung führen, sind vor allem Membrandestruktion, Nucleinsäureabbau und Störungen des Energiestoffwechsels. Hinzu kommen Nebeneffekte wie Freisetzung von Entzündungsmediatoren (Zytokine, Tumornekrosefaktor-α, Eicosanoide, Histamin), di e Entzündungs- und Immunitätsreaktionen auslösen.

Porfimer

Der zur Behandlung nicht-kleinzelliger Bronchialkarzinome, des Ösophaguskarzinoms und des Harnblasenkarzinoms eingesetzte Wirkstoff Porfimer, dessen Zulassung in der Bundesrepublik derzeit ruht, besteht aus oligomeren Hämatoporphyrin-Ethern, deren genaue Struktur noch nicht gesichert ist. Die Aktivierung erfolgt mit Laserlicht der Wellenlänge 630 nm.

Das Hämatoporphyrin, das ebenfalls ein Photosensibilisator ist und beispielweise zur Behandlung der Alopezie Verwendung findet, entsteht bei vorsichtiger Abspaltung des Eisens aus Häm (das man durch Zerlegung des Hämoglobins erhält); es ist ein Artefakt, das sich vom nativen Produkt Protoporphyrin IX dadurch unterscheidet, dass die beiden Vinyl-Gruppen durch Wasseranlagerung in 1-Hydroxyethyl-Gruppen übergegangen sind (Abb. 1).

Verteporfin

Die PDT ist auch zur Inhibierung und Verödung pathologischer Gefäßneubildung in der Netzhaut des Auges anwendbar. Als Wirkstoff steht das Verteporfin zur Verfügung, das eine 1:1-Mischung zweier isomerer Benzoporphyrin-Derivate darstellt (Abb. 2). Der Wirkstoff reichert sich bevorzugt im Endothel von Gefäßneubildungen an, die beim gesunden Erwachsenen selten sind, aber beim wachsenden Tumor gehäuft auftreten.

Verteporfin wird i.v. infundiert. Die Aktivierung erfolgt mit Licht der Wellenlänge 689 – 691 nm, das durch einen Diodenlaser erzeugt wird. Der therapeutische Effekt besteht in der Verödung pathologischer Gefäßneubildungen in der Aderhaut des Auges. Verteporfin assoziiert sich im Blut zu über 90% mit Lipoproteinen niedriger Dichte (LDL).

Die bevorzugte Aufnahme in die Endothelzellen neugebildeter Blutgefäße kommt durch deren höhere LDL-Rezeptordichte im Vergleich mit anderen Gefäßabschnitten zustande. Dort wandelt Verteporfin den "normalen" Triplett-Sauerstoff in den aggressiven Singulett-Sauerstoff um, der Bestandteile der Plasmamembran peroxidiert.

Die Halbwertszeit (HWZ) von Verteporfin beträgt 5 bis 6 h. Aktiver Metabolit beider isomerer Methylester ist die Dicarbonsäure, die durch enzymatische Hydrolyse entsteht und überwiegend biliär eliminiert wird.

Obwohl die systemische Applikation des Wirkstoffs nur kurzfristig zu einer generalisierten Photosensibilität führt, werden Lichtschutzmaßnahmen für Augen und Haut über einen Zeitraum von 48 Stunden empfohlen.

Temoporfin

Für die palliative Behandlung des vorangeschrittenen Plattenepithel-Karzinoms im Kopf- und Halsbereich wird die PDT mit Temoporfin (meta-Tetrahydroxyphenylchlorin, mTHPC) empfohlen, wenn andere Therapien versagen. Temoporfin ist eine Mischung verschiedener Atropisomere; die in meta-Stellung hydroxylierten Benzenringe sind wegen der räumlichen Enge zum Porphyrin-Gerüst nicht frei um die C-C-Achse zwischen beiden Partialstrukturen drehbar (Abb. 3).

Wegen seiner ausgeprägten Lipophilie ist Temoporfin in Wasser kaum löslich und wird daher nach Lösen in einem Propylenglykol-Ethanol-Gemisch langsam i.v. infundiert. Es bindet im Blut verstärkt an Lipoproteine sowie Albumin und reichert sich im Zielgewebe an. Die Photoaktivierung erfolgt mit Laserlicht der Wellenlänge 652 nm. Die Therapie sollte nur mit entsprechender Erfahrung in Spezialeinrichtungen erfolgen [5].

Aminolävulinsäure

In Form ihres lipophilen Methylesters wird die 5-Amino-lävulinsäure (ALA, syn. 5-Amino-4-oxopentansäure) als Präkursor für Protoporphyrin IX in der PDT von aktinischen Keratosen im Gesicht und am Kopf sowie von oberflächlichen und nodulären Basalzell-Karzinomen angewandt [6].

ALA reichert sich in den Epithelzellen an und ist das natürliche Edukt der Porphyrin-Biosynthese im menschlichen Körper; das in mehreren Schritten entstehende Protoporphyrin IX (Abb. 4) ist wie andere Porphin-Derivate ein starker Photosensibilisator. Die Bestrahlung erfolgt mit Laserlicht der Wellenlänge 570 bis 670 nm.

Bestrahlungskriterien

Die photodynamische Effektivität hängt ab von der verfügbaren Menge an Photosensibilisator im Gewebe und von der Bestrahlungsstärke. Die Leistungsdichte des eingestrahlten Lichtes an einer Gewebeoberfläche ist wesentlich höher als im Inneren eines Hohlorgans. Zur dermatologischen Oberflächenbestrahlung werden inkohärente Lichtquellen eingesetzt [7].

Für Bestrahlungen in Hohlorganen verwendet man Laserlicht, das sich gut fokussieren lässt.

Nicht für die PDT geeignete Photosensibilisatoren

Fagopyrin und Hypericin sind Tetrahydronaphthodianthron-Derivate (Abb. 5), die für den Fagopyrismus und den Hypericismus bei hellem und geschecktem Weidevieh verantwortlich sind (s. o.). In schweren Fällen kommt es zur Hämolyse der roten Blutkörperchen.

Die beiden Naturstoffe werden zwar nicht zur PDT angewandt, doch ist Hypericin in Phytopharmaka enthalten, die zur Selbstmedikation der vegetativen Dystonie mit ihren Begleiterscheinungen und bei depressiven Störungen empfohlen werden. Personen die solche Zubereitungen konsumieren, sollten während der Einnahmezeit das Sonnenbaden unterlassen.

Eosin

ist heute als Photosensibilisator ohne Bedeutung, als Lebensmittelfarbstoff nicht mehr zugelassen und fristet sein Dasein als Reagenz zum Anfärben mikroskopischer Präparate sowie als Adsorptionsindikator bei der Titration nach Fajans.

Chinidin

ist der Prototyp der Klasse-IA-Antiarrhythmika, beschäftigt das Isoenzym CYP2D6, kann aber als Photosensibilisator vergessen werden.

Acridin

(Name von lat. acer = scharf), ein azaloges Anthracen, reizt als Pulver oder Dampf die Nasenschleimhaut, als Lösung die Haut, dient als Edukt für viele Farbstoffe sowie wenige Arzneistoffe und ist als Photosensibilisator obsolet.

Betacaroten

(Abb. 6) sowie alle anderen Carotine und Carotinoide kommen trotz ihres ausgedehnten Chromophors von elf konjugierten Doppelbindungen als Photosensibilisatoren nicht infrage. Sie sind vielmehr Gegenspieler, die bei Protoporphyrie und polymorphen Lichtdermatosen therapeutisch angewandt werden.

Carotinoide schützen die Zellen vor der Schädigung durch ROS, besonders vor der Aggression durch den angeregten Singulett-Sauerstoff. ROS werden durch Bildung mesomeriestabilisierter Carotin-Radikale entschärft, die mithilfe von Ascorbinsäure oder Ubichinonen zu Carotinen regeneriert werden.

Carotinoide, insbesondere Betacaroten und Lycopin (Abb. 6), besitzen aber auch die Fähigkeit, den schädlichen Einfluss des Singulett-Sauerstoffs durch das Quenchen ("Auslöschen") zu eliminieren. Bei diesem physikochemischen Prozess nimmt das Carotinoid die Energie auf und gibt sie in Form von Wärme an seine Umgebung ab. Dadurch wird der Sauerstoff wieder in seinen energetischen Grundzustand überführt.

Methoxsalen

(8-Methoxypsoralen, Abb. 7) wird als Sensibilisator zur Therapie der Psoriasis (Schuppenflechte) unter Verwendung von langwelligem UV-Licht (UV-A) eingesetzt. Man bezeichnet diese Therapie als Photochemotherapie oder PUVA-Therapie.

Methoxsalen ist ein halbsynthetisches Derivat der Furocumarine, d. h. Cumarine mit einem ankondensierten Furanring. Grundtypen sind das Psoralen und das Angelicin (Abb. 7). Die photosensibilisierenden und phototoxischen Furocumarine kommen in vielen Pflanzen als sekundäre Naturstoffe vor (Apiaceae, Fabaceae, Rutaceae, Umbelliferae, Moraceae).

Unter der Einwirkung von Sonnenlicht können sie zu Dermatosen führen, die oft mit beängstigenden Blasenbildungen einhergehen. Ähnliche Effekte können auftreten, wenn die Haut mit Parfümen oder Duftwässern benetzt wird, deren pflanzlich-natürliche Komponenten Furocumarine enthalten.

Als Wirkungsmechanismen werden neben der kovalenten Bindung als Haptene an Proteine und der Hemmung des Epidermalen Wachstumsfaktors (EGF) vor allem die Interaktion mit den Pyrimidinen der DNA diskutiert. Man geht davon aus, dass es zuerst zu einer reversiblen Interkalation der Furocumarine zwischen die DNA-Basen kommt. Bei der Bestrahlung erleiden dann Thymidin-Basen eine C4-Cycloaddition mit der 3,4-Doppelbindung oder der 4',5'-Doppelbindung des Furocumarins (Abb. 8).

Klinische Fluoreszenz-Diagnostik

Die Fluoreszenz-Diagnostik ist ein elegantes, nicht invasives Verfahren der In-vivo-Diagnose von Oberflächen-Tumoren und dysplastischen Geweben. Wie bei der PDT wird ein Sensibilisator lokal oder systemisch appliziert, der sich bevorzugt in Tumorzellen anreichert.

Die Bestrahlung mit geeignetem Licht befördert die farbigen Sensibilisatoren in energetisch angehobene Zustände. Da die gespeicherte Energie z. T. als Fluoreszenzlicht wieder abgegeben wird, das mit optischen Systemen darstellbar ist, können Tumoren auf diese Weise lokalisiert werden. Insofern ist es auch richtig, wenn geeignete Photosensibilisatoren als Tumormarker bezeichnet werden.

Ausblick

Wenn von PDT die Rede ist, denkt man bislang sofort an die irreversible Gewebeschädigung, die bei der Therapie von Tumoren erwünscht ist. Dabei wird außer Acht gelassen, dass die PDT von Tumoren eine Hochdosis-PDT darstellt.

Wie wir heute wissen, hängt die Wirkung der PDT auf Zellen und Gewebe von verschiedenen Parametern und Fakten ab: