Was ist die Photodynamische Therapie?

Die Photodynamische Therapie, kurz PDT, ist eine Form der Krebstherapie unter Verwendung von Licht. Hierbei wird eine Substanz, welche als Photosensibilisator bezeichnet wird, im Tumorgewebe angereichert und dann mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt. Das Zusammentreffen von Licht und Photosensibilisator führt zur Bildung einer Substanz, die als Zellgift fungiert und Tumorzellen zerstört. Medizinische Anwendungen solcher Art haben an der Haut begonnen, z. B. bei der Behandlung von Psoriasis. Mit dem technischen Fortschritt der Laser und Lichtleitertechnik wurden innere Organe für Licht erreichbar, weshalb sich das medizinische Interesse an der PDT erhöhte. Der Vorzug der Behandlungsmethode liegt in der geringen Belastung des Patienten.

In der Grundlagenforschung wird seit nunmehr 25 Jahren intensiv nach geeigneten Photosensibilisatoren gesucht [1]. Folgende Aspekte bilden dabei einen Schwerpunkt:

Wie kann die Selektivität der Anlagerung von Photosensibilisatoren über die Nutzung von Träger-Systemen erhöht werden? Wie können die Photosensibilisatoren innerhalb der Zelle richtig positioniert werden? Welche Photosensibilisatoren zeigen eine kurze Verweildauer im Organismus?

Was passiert auf molekularer Ebene?

Der Photosensibilisator hat die Fähigkeit, die Energie des Lichtes aufzunehmen und an Sauerstoffmoleküle weiterzugeben. Dabei entsteht der sogenannte Singulettsauerstoff (1O2). Das ist eine energetisch angeregte Form von molekularem Sauerstoff, die sehr reaktionsfreudig ist. Der Singulettsauerstoff kann z. B. Lipide der Membranen der in der Nähe liegenden Tumorzellen zerstören. Damit nicht andere Gewebezellen zerstört werden, ist es wichtig, dass der Photosensibilisator selektiv im Tumorgewebe angereichert wird. Bei dem Prozess der Generierung von Singulettsauerstoff wirkt der Photosensibilisator ausschließlich als Katalysator. Das heißt, dass der Singulettsauerstoff in vielfachen Mengen des angereicherten Photosensibilisators produziert wird.

Welche Farbstoffe werden verwendet?

Die Photosensibilisatoren werden aufgrund ihrer ausgeprägten Färbung in Lösungen auch Farbstoffe genannt. Unzählige Farbstoffe wurden synthetisiert und photophysikalisch auf ihre Eignung getestet. Oft wurden Moleküle durch “Wechseln” des Zentralatoms oder durch “Anbringen” funktioneller Gruppen modifiziert.

Besonders Porphyrinen wird in der Forschung Aufmerksamkeit geschenkt. Die Porphyrine sind in der belebten Natur sehr häufig vorkommende Moleküle [2]. Grundgerüst des Porphyrins ist ein Porphinring, in welchem vier Pyrrolringe durch Methinbrücken (-CH=) verbunden sind. Das Porphyrin ist ein nahezu in einer Ebene liegendes zyklisches Molekül [3]. Typisch für Porphyrine sind Seitenketten entweder an den Pyrrolringen oder an den Methinbrücken (Meso-Position). Tetraphenylporphyrine (TPP) zeichnen sich durch vier Phenylringe in Meso-Position aus (siehe Abbildung).

Abbildung: Übersicht über die verbogenen H2TPP. Die Strukturformeln werden in der linken Spalte und eine räumliche Darstellung der Moleküle in der rechten Spalte gezeigt. Die Wasserstoffatome wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.

Wie werden die Tetraphenylporphyrine modifiziert?

Werden nun weitere Seitenketten wie Ethylgruppen an den Pyrrolringen angebracht, kommt es zur Verbiegung der Moleküle, d. h., die Atome des zentralen Rings bewegen sich aus der Ebene heraus. Abhängig von der Anzahl und der Anordnung der Ethylgruppen lässt sich so eine Reihe von verschieden stark verbogenen Molekülen synthetisieren [4]. Eine weitere Möglichkeit, die Moleküle zu modifizieren, ist der Austausch der Zentralatome. Aufgrund der biologischen Bedeutung der Metalloporphyrine (z.B. Häm-Gruppen im Blut oder Chlorophylle in den grünen Pflanzen) werden die Wasserstoffatome der freien Basen durch ein Metallatom ersetzt. Auch diese Metallatome tragen zur Verbiegung der Moleküle bei [5]. Es werden verschiedene Formen der Verbiegung beobachtet. So gibt es sattelförmig, dachförmig, kuppelförmig, wellenförmig und propellerförmig verbogene Moleküle. Alle weiteren denkbaren Verbiegungen sind energetisch so ungünstig, dass sie real nicht vorkommen [6].

Welche photophysikalischen Eigenschaften sind für die PDT wichtig?

Das Absorptionsspektrum eines Photosensibilisators sollte im roten oder nahen infraroten Spektralbereich eine Absorptionsbande aufweisen, da dort die Eindringtiefe des Lichtes in biologisches Gewebe am größten ist.

Eine weitere Voraussetzung der Farbstoffe für den Einsatz in der PDT ist eine hohe Singulettsauerstoff- Quantenausbeute (d. h., dass möglichst viel der absorbierten Energie des Lichtes an den Sauerstoff weitergegeben wird). Um gezielt geeignete Substanzen zu synthetisieren, ist es wichtig, die Vorgänge im Elektronensystem der Farbstoffmoleküle zu verstehen [7-13].

Sind die Tetraphenylporphyrine für die PDT geeignet?

Die Tetraphenylporphyrine zeigen im Hinblick auf die Absorptionseigenschaften mit zunehmender Verbiegung der Moleküle (siehe Abbildung) eine bessere Eignung, da sich das Absorptionsspektrum bathochrome (zum „roten Spektralbereich“ hin) verschiebt. So reicht zum Beispiel beim Porphyrin H2OETPP die Absorption der Q-Banden in den Bereich um 700 nm.

Die Porphyrine H2TPP und H2DETPP zeigen recht gute Voraussetzungen. Bei den entsprechenden Metalloporphyrinen mit schwerem Zentralatom ist eine noch höhere Singulettsauerstoff-Ausbeute zu erwarten.

Wie gelangen die Farbstoffe in den Tumor?

Die Wirkung aller bisher verwendeten Farbstoffe wurde zum Großteil heuristisch (nichtmathematische Methode zur Erkenntnisfindung) ermittelt. Der Farbstoff wurde direkt verabreicht, um herauszufinden, ob er sich im Tumorgewebe anreichert, bzw. von gesunden Zellen schneller wieder ausgeschieden wird. Nach einer geeigneten Zeit erfolgte die Bestrahlung mit Licht.

Die Tetraphenylporphyrine sind hydrophobe (wassermeidende) Substanzen. Da Gewebe einen hohen Anteil an Wasser besitzt, ist eine indirekte Einlagerung der Farbstoffe nötig, z. B. mit Hilfe von Liposomen (geschlossene vesikuläre Doppelschichtstrukturen), Dendrimeren (dreidimensionale, hoch geordnete oligomere und polymere Verbindungen) oder durch die Ankopplung an Antikörper. An der Ankopplung des Farbstoffes an Antikörper wird intensiv geforscht, da diese Methode durch die gezielte Anreicherung des Farbstoffs im Tumorgewebe besonders erfolgversprechend ist.

Wann werden die Tetraphenylporphyrine am Menschen angewendet werden?

Bisher wurden die verbogenen Tetraphenylporphyrine noch nicht an lebenden Organismen erprobt. Mit einer Anwendung beim Menschen ist daher für die kommenden Jahre nicht zu rechnen. In ersten Versuchen wurde das Verhalten der Farbstoffe in einer simulierten biologischen Umgebung analysiert [14]. Dazu wurden sogenannte Erythrozyten-Schatten, auch Ghosts genannt, verwendet. Ghosts sind geplatzte rote Blutkörperchen, deren roter Farbstoff Hämoglobin ausgewaschen wurde. Die Tetraphenylporphyrine wurden in die Membran der Ghosts eingelagert und photophysikalische Untersuchungen gemacht. Dabei konnten die Ergebnisse aus den Messungen in Lösung bestätigt werden. Der Weg bis zur Anwendung beim Menschen ist zwar noch weit, aber die bisherigen Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Tetraphenylporphyrine bei der Therapie bestimmter Tumoren in Zukunft eine Rolle spielen könnten.

Literatur für Experten

• [1] Roeder B. Photosensibilisatoren in der Photodynamischen Therapie, Kapitel in: Berlien HP, Müller H, ed. Angewandte Lasermedizin; München-Landsberg: ecomed Verlag, 6. erg.Aufl., 1993.
• [2] Smith KM, ed. Porphyrins and Metalloporphyrins. Amsterdam: Elsevier, 1975.
• [3] Wissenschaftliche Tabellen, Teilband Somatometrie und Biochemie, Basel: Geigy, 8. Auflage, 1982.
• [4] Kalisch W, Senge MO. Synthesis and Structural Characterization of Nonplanar Tetraphenylporphyrins with Graded Degree of Beta-Ethyl Substitution. 1995;
• [5] Senge MO. The conformational flexibility of tetrapyrroles-current model studies and photobiological relevance. J. Photochem. Photobiol. B. Biol. 1992; 16: 3-36.
• [6] Jentzen et al. Ruffling in a Series of Nickel(II) meso-Terasubstituted Porphyrins as a Model for the Conserved Ruffling of the Heme of Cytochromes c. J. Am. Chem. Soc. 1995; 117: 11085
• [7] Regev et al. Triplet Dynamics of Conformationally Distorted Porphyrins: Time- Resolved Electron Paramagnetic Resonance. J. Phys. Chem.1994; 2520-2526
• [8] Gouterman M. Optical Spectra and Electronic Structure of Porphyrins and Related Rings; Chapter in Dolphin D, ed. The Porphyrins, Volume III. New York: 1978.
• [9] Moffit W. J. Chem. Phys. 1954; 22: 320.
• [10] Jablonski A. Über den Mechanismus der Photolumineszenz von Farbstoffphosphoren. Z. phys. 1935; 94: 38-46.
• [11] Lakowicz JR. Principles of Fluorescence Spektroscopy. New York: 1983.
• [12] Parker CA. Photoluminescence of Solutions. Amsterdam: 1968.
• [13] McGlynn et al. Molecular Spektroscopy of the Triplet State. Englewood Cliffs: 1969
• [14] Kaestner L. Tetraphenylporphyrine-Farbstoffe für die photodynamische Therapie. Berlin: Logos-Verlag, 1. Auflage, 1997.

Autor: Lars Kaestner, E-Mail: kaestner@physik.hu-berlin.de,
Arbeitsgruppe Humboldt-Universität zu Berlin: http://www.physik.hu-berlin.de