Università degli Studi di Pavia - Dipartimento di Chimica Organica
Anno Accademico 2005/2006
La terapia fotodinamica:
l’utilizzo della luce
in ambito medico
di
Valentina Dichiarante
Le proprietà terapeutiche della luce erano note già
nell’antichità: gli antichi Egizi, ad esempio, curavano la
vitiligine mediante somministrazione orale di estratti
vegetali contenenti psoraleni e successiva esposizione
alla luce solare.
O
O
O
Psoralene
(o furocumarina)
FOTOTERAPIA INDIRETTA
La fototerapia moderna nasce alla fine del XIX secolo,
quando il medico danese Finsen riesce a curare alcune
malattie della pelle con la luce filtrata di una lampada ad
arco di carbonio.
Niels Ryberg Finsen
(1860-1904)
Quando la luce interagisce con la
superficie di un tessuto vivente può
essere riflessa, diffusa, trasmessa o
assorbita.
Per la maggior parte dei tessuti
viventi, l’assorbimento è massimo
quando la radiazione luminosa ha
lunghezza d’onda compresa tra 620 e
850 nm.
FINESTRA FOTOTERAPEUTICA
Le sorgenti utilizzate in medicina possono essere:
* sorgenti di luce coerente → LASER
* sorgenti di luce non coerente → LAMPADE DI VARI TIPI
Assorbimento della luce
Formazione di stati eccitati
Decadimento
radiativo
Fotodiagnosi
(PD)
Decadimento
non radiativo
Fotoreazioni
Conversione interna
allo stato fondamentale
Terapia
Fotodinamica
(PDT)
Terapia
Fototermica
(PTT)
Cenni storici:
Nel 1900 Oskar Raab osserva per la prima volta
che la tossicità del colorante Acridine Red nei
confronti di alcune specie di Paramecium
dipende dalla quantità di luce incidente sulla
miscela sperimentale.
N
H
Cl-
Acridine Red
Nel 1904 von Tappeiner dimostra che la
presenza di O2 è necessaria affinchè si abbia
quella che lui stesso battezza azione
fotodinamica (cioè l’effetto citotossico).
Hermann v. Tappeiner
(1847-1927)
Cenni storici:
Nel 1913 il fisico tedesco Meyer-Betz, per
dimostrare che l’effetto fotodinamico
agisce anche sull’uomo, si inietta 200 mg di
ematoporfirina e irraggia il proprio
braccio: in breve inizia a gonfiarsi e
sull’avambraccio si produce un’ulcerazione.
F. Meyer-Betz prima e dopo
l’iniezione di ematoporfirina.
In seguito alla scoperta degli antibiotici, la terapia fotodinamica
antibatterica è stata quasi dimenticata. Solo a partire dagli anni Sessanta
del secolo scorso sono iniziati studi volti a sfruttarla come possibile
terapia anti-tumorale.
Nel 1993 il Canada ha autorizzato l’uso del primo fotosensibilizzatore, il
Photofrin®, per il trattamento di alcune forme di cancro.
Applicazioni:
In vivo:
•terapia anti-cancro;
•malattie virali locali;
•aterosclerosi;
•degenerazione maculare senile;
•infezioni locali di origine
batterica e fungina.
Ex vivo:
•sterilizzazione del sangue e di
altri prodotti ematici;
•trattamento
esterno
del
midollo osseo di pazienti malati
di leucemia.
Meccanismo della PDT:
Requisiti di un fotosensibilizzatore ideale:
Singola sostanza, con composizione nota e costante e un elevato grado
di purezza.
Non tossico al buio, ma citotossico in presenza di luce.
Sufficientemente stabile in condizioni fisiologiche.
Intensa banda di assorbimento nella “finestra fototerapeutica”.
(T1) elevata; (T1) abbastanza lungo ed E(T1) adatta al trasferimento
di energia ad O2.
Fotostabile e non ossidabile da parte di 1O2.
Selettivamente accumulato nei tessuti malati e facilmente eliminato da
quelli sani.
Carattere preferibilmente anfifilico.
Classificazione dei fotosensibilizzatori:
1° GENERAZIONE: ematoporfirine naturali, chimicamente modificate
2° GENERAZIONE: - porfirine sintetiche o semisintetiche
- coloranti organici
- idrocarburi aromatici
- complessi di metalli di transizione
- semiconduttori
3° GENERAZIONE: unità fotosensibilizzanti legate a biomolecole o a
nanostrutture
Esempi di fotosensibilizzatori:
1) Derivati dell’ematoporfirina e altri composti porfirinici
OAc
OH
NH
N
HOOC
OH
N
CH3COOH/H2SO4 5%
NH
N
HN
COOH
HN
COOH
HOOC
Ematoporfirina
OAc
N
1. Base
2. Neutralizzazione
Miscela di monomeri, dimeri e oligomeri
di ematoporfirina
Frazione oligomerica
attiva (Photofrin)
Frazione monomerica
inattiva
Bonnett, R.; Martinez, G., Tetrahedron, 2001, 57, 9513-9547
(630 nm): 1170 M-1 cm-1
Attivazione: 48-72 h
Sensibilizzazione cutanea: 4-6 settimane
Approvato per il trattamento del cancro dell’esofago,
della vescica e dello stomaco.
1) Derivati dell’ematoporfirina e altri composti porfirinici
2) Porfirine “core-modified”
HO
CHO
NaC
CH
CuCl, NH4Cl, HCl
NH3 (l)
X
EtOH, 50°C, air
X
X
X
OH
max ~ 665 nm
 (1O2) > 0.75
OH
MeOH, NaOMe, H2S
AgOAc, 50°C, 2 h
x
X
X
S
OH
CHO
OH
N
H
Ar
Ar
S
S
N
N
Ar
Ar + Ar
Ar
HN
N
Ar
S
N
Ar
Ulman, A.; Manassen, J., J. Am. Chem. Soc., 1975, 97, 6540-6544
Latos-Grazynski, L.; Lisowski, J.; Olmstead, M. M.; Balch, A. L., J. Am. Chem. Soc., 1987,
109, 4428-4432
3) Acido 5-amminolevulinico (ALA)
e Protoporfirina IX (PpIX)
mitocondrio
O
COO-
CoA
+
+
H3N
Succinil-CoA
COO-
Glicina
-amminolevulinato
sintetasi
CO2
ALA
-
CH2-CH2-COO-
OOC-H2C
H2N
N
H
Porfobilinogeno
ALA (R=H)
4 NH3
CH2-CH2-COO-
H3COC
N
H
H3COC
COCH3
HN
NH
-
citosol
-
CH2-CH2-COO-
H
N
OOC-H2C-H2C
COCH3
OOC-H2C-H2C
Uroporfirinogeno III
4 CO2
CH2-CH2-COO-
H3C
N
H
H3 C
CH3
HN
NH
PpIX
max = 635 nm
 < 5000 M-1 cm-1
Attivazione: 4-6 h
Sensibilizzazione cutanea: ~ 24 h
Approvato
dall’FDA
per
il
trattamento della cheratosi attinica.
In fase di sperimentazione per acne,
psoriasi,
cancro
dell’esofago
e
gastrointestinale.
-
-
CH2-CH2-COO-
H
N
OOC-H2C-H2C
CH3
OOC-H2C-H2C
Coproporfirinogeno III
Pp IX
Fe2+
ferrochelatasi
N
N
-
OOC-H2C-H2C
FeII
N
N
-
OOC-H2C-H2C
Eme
mitocondrio
3) Acido 5-amminolevulinico (ALA) e Protoporfirina IX (PpIX)
N
H
COOMe
N
N
H
N
MeOOC
COOMe
Cicloaddizione
MeOOC
COOMe
N
H
PpIX
(dimetil estere)
N
N
H
N
MeOOC
max = 690 nm
 = 35000 M-1 cm-1
Attivazione: 0.5-2.5 h
Sensibilizzazione cutanea: 3-5 giorni
In fase di sperimentazione clinica per degenerazione
maculare senile, melanomi e psoriasi.
COOMe
MeOOC
Verteporfin
(VisudyneTM)
4) Ftalocianine
X
N
O
O
O
MX2, urea

A
N
N
N
M
N
N
N
N
Y
ZnPC
AlPcS2
AlPcS3
AlPcS4
(M=Zn)
(M=Al, A=X=SO3-)
(M=Al, A=X=Y=SO3-)
(M=Al, A=X=Y=Z=SO3-)
Z
max = 670-780 nm
 > 100000 M-1 cm-1
(1O2) elevata
Assorbimento da parte della cellula: AlPcS2 > AlPcS3 > AlPcS4
In fase di sperimentazione per la cura di psoriasi e tumori
della pelle, dei polmoni e gastrointestinali.
5) Clorine e batterioclorine
N
H
N
H
N
N
[H2]
N
H
N
N
H
N
H
N
Porfirina
Clorina
max = 650-670 nm
Clorina e6 (R=R’=H)
max = 654 nm
 ~ 40000 M-1 cm-1
max = 737-805 nm
[H2]
N
N
H
N
Batterioclorina
max = 730-800 nm
m-THPC (Foscan®)
max = 652 nm
= 30000 M-1 cm-1
Attivazione: 72-96 h
Sensibilizzazione: 4-6 settimane
6) Porfirine “core-expanded” o texapirine
R
R
+ 2 BzO
N
H
OAc
OBz
BzO
EtOH
N
H
O
PTSA
R
O
N
H
N
H
N
H
O
H2, Pd/C 10%
NEt3, THF
R
Lutetium texaphyrin
(LutexTM)
OHC
N
H
N
H
N
H
(> 80%)
H 2N
R'
H 2N
max = 732 nm
 = 42000 M-1 cm-1
Attivazione: 4-6 h
In fase di sperimentazione per il
trattamento di tumori cervicali, della
prostata,
del
cervello
e
per
l’aterosclerosi coronarica.
1. CF3COOH
2. HC(OEt)3
3. H2O
4. LiOH, MeOH/H2O
R
R'
CHO
HOOC
R
N
H
N
H
N
H
COOH
H+ cat.
MeOH
R
R
N
H
NMe2 NMe2
N
R'
N
R'
N
N
R'
N
R'
NH
NH
H
N
R
R
(> 90%)
MeOH, CHCl3
N
R
Sessler, J. L.; Hemmi, G.; Mody, T. D.; Murai, T.; Burrell, A.; Young, S. W.,
Acc. Chem. Res., 1994, 27, 43-50
7) Coloranti organici
Particolarmente interessanti sono quelli cationici, perché attratti dal
potenziale di membrana dei mitocondri. Le cellule tumorali, infatti, hanno un
metabolismo accelerato rispetto a quelle sane e ciò produce un potenziale
di membrana mitocondriale più elevato.
Sono inoltre capaci di provocare la morte sia dei batteri Gram-(-) che di
quelli Gram-(+), a differenza dei coloranti neutri e anionici.
Blu di metilene (R=Me)
AA1 (E=S)
Calcogenopirilio (X=Y=O,S,Se,Te)
8) Complessi di metalli di transizione
[Ru(bpz)3]2+ in D2O:  (1O2) = 0.19
[Ru(dpds)3]2+ in CD3OD:  (1O2) = 1
HO3S
SO3H
N
dpds
N
N
N
N
bpz
N
Altri complessi capaci di generare 1O2:
complessi mono- e di-nucleari di OsII, IrIII, PdII con
polipiridine, acido 3,4-diidrossibenzoico, di- e tetraidrossibenzaldeide.
Prospettive:
La PDT sembra essere una promettente terapia per diversi tipi di
tumore, capace di combinare in sé i vantaggi di chemioterapia e
radioterapia:
•bassa tossicità sistemica;
•minori effetti collaterali;
•ripetibilità.
Attualmente la maggior parte dei possibili fotosensibilizzatori è
ancora in fase di sperimentazione.
Le linee di ricerca aperte sono numerose. Le più recenti
riguardano l’uso di semiconduttori, di fotosensibilizzatori legati a
nano-trasportatori, l’ossidazione di proteine e amminoacidi
fotocatalizzata da TiO2.
Prospettive:
Uno dei principali problemi ancora irrisolti è la mancanza di studi
sistematici di SAR (Structure-Activity Relationships), che rende
difficile formulare generalizzazioni e confronti tra le famiglie di
fotosensibilizzatori sino ad ora individuate.
Si conoscono infatti le proprietà chimiche, fisiche, fotofisiche e
fotobiologiche dei singoli composti, ma è molto difficile
comparare i risultati a causa dei differenti protocolli sperimentali
attuati dai vari gruppi di ricerca.