Photodynamic therapy: principles, potential of application and perspectives

[摘要]

[学科分类] 化学（综合）

[关键词] photosensitization;oxygen active species;singlet oxygen;cancer therapy.   INTRODUÇÃO Colorantes (corantes e pigmentos) são caracterizados pela sua habilidade de absorver luz visível. Ao menos;cerca de 10.000 desses compostos químicos coloridos tem sido produzidos em escala industrial1. Em função do fato de absorverem luz com elevada eficiência;em alguma região do espectro visível;alguns desses compostos são capazes de induzir ou participar de reações fotoquímicas. Desde o início do século;tem-se discutido o emprego de colorantes como drogas. Certos corantes tem sido empregados como agentes terapêuticos;como é o caso do azul de metileno;que possui ação bacteriostática;violeta de genciana (cristal violeta);dentre muitos outros. Raab2;em 1900;observou a morte de microorganismos quando expostos à luz solar e ao ar;na presença de certos corantes. O que Raab reportou é o princípio de uma nova modalidade clínica para o tratamento do câncer e outras moléstias;conhecida como Terapia Fotodinâmica (TFD). A Terapia Fotodinâmica parte do princípio de que a interação de luz de comprimento de onda adequado com um composto não-tóxico (fotosensitizador) e oxigênio;resulta em espécies reativas capazes de induzir a inviabilização de células;que causou a morte dos microorganismos observada por Raab2. Isso é resultado da reação envolvida;que decorre primáriamente da excitação eletrônica do corante pela luz;seguida de dois mecanismos principais de reação;a partir do seu estado excitado3;8;71: · Transferência de elétron (mecanismo tipo I) entre o fotosensitizador no estado triplete excitado e componentes do sistema;gerando íons-radicais que tendem a reagir com o oxigênio no estado fundamental;resultando em produtos oxidados:  Em geral;processos de transferência de elétron tendem a ser muito rápidos porque a sobreposição dos orbitais envolvidos;durante a formação do complexo excitado;é máxima11. A natureza exata do processo (se serão formados S+. e A-. ou S-. e B+. ) dependerá das propriedades redóxi de 3S e de 1A11;12 . · Transferência de energia (mecanismo tipo II) do fotosensitizador no estado triplete;com a geração de oxigênio singlete;um agente altamente citotóxico:  Oxigênio singlete é como são conhecidos os três estados eletronicamente excitados imediatamente superiores ao oxigênio molecular no estado fundamental (3S)3;12. Segundo a Teoria do Orbital Molecular;a configuração eletrônica do oxigênio no estado fundamental possui dois elétrons desemparelhados nos orbitais moleculares degenerados p*x e p*y. Esses elétrons tendem a possuir o mesmo spin de forma a produzir multiplicidade máxima e assim um estado de mais baixa energia. Essa é a razão pela qual o estado fundamental do oxigênio molecular é um triplete. A Tabela 1 apresenta as formas de ocupação nesses orbitais moleculares antiligantes;para o oxigênio no estado fundamental;assim como para os estados excitados imediatamente superiores; Desses estados;os que possuem energia intermediária (1Dx e 1Dy;92;4 kJ mol-1) são os responsáveis pela reatividade química do oxigênio singlete. A simetria dessas moléculas;diferente da do estado fundamental;lhes garante um considerável tempo de vida quando comparado com a forma de mais alta energia (1S;159;6 kJ mol-1);que possui a mesma simetria do estado fundamental. Os estados 1Dx e 1Dy são degenerados e possuem uma distribuição eletrônica onde os elétrons que ocupam um dos orbitais antiligantes p* se encontram em um dos planos mutuamente perpendiculares;Por serem degenerados;os estados 1Dx e 1Dy são;por conveniência;representados como sendo o estado 1Dg. O orbital molecular vazio no estado 1Dg (v. Fig. 1) garante ao oxigênio singlete essa espécie caráter eletrofílico;o que favorece sua participação mais efetiva em reações químicas;principalmente no caso em que os substratos possuem sítios ricos em elétrons. O tempo de vida do oxigênio singlete em solução é profundamente influenciado pela natureza do solvente3: em água;por exemplo;é de cerca de 4;0 ms3b;Já em água deuterada;t situa-se em torno de 70 ms. Em geral;em solventes que não possuem ligações C-H e grupos hidroxila na sua estrutura;o tempo de vida do oxigênio singlete tende a valores mais elevados. Por exemplo;para o tetracloreto de carbono;o tempo de vida do oxigênio singlete é de cerca de 30 ms;e em clorofórmio;250 ms3b. A razão para certos grupos funcionais ou átomos suprimirem mais ou menos eficientemente o oxigênio singlete;encontra-se na possibilidade de transferência de energia eletrônica do oxigênio singlete para certos estados vibracionais associados às espécies supressoras3c. Em sistemas biológicos;o oxigênio singlete apresenta tempos de vida extremamente baixos;inferiores a 0;04 ms71;94. Em função disso;seu raio de ação é extremamente reduzido (<0;02 mm)8;71;94. Foi Gollnick quem primeiramente associou a atividade tumoricida da TFD à ação de radicais livres10. Espécies radicalares;tanto ânions-radicais superóxido;cátions ou ânions-radicais baseados no sensitizador;assim como inúmeras outras espécies ativas de oxigênio;são formadas tanto nos processos primários (ânion-radicais superóxido e cátion-radicais baseados no sensitizador);mediante reação de treansferência de elétron;como na propagação da cadeia de reações (ânion-radicais superóxido e outras espécies ativas de oxigênio). Reações envolvendo radicais livres tem sido confirmadas tanto por experimentos de fotólise relâmpago (flash photolysis) em sistemas-modelo;como também empregando-se técnicas de RPE (EPR spin trapping) em sistemas biológicos13. A ação do oxigênio singlete (1O2 1Dg) na morte ou inviabilização de células tumorais tem sido evidenciada de diversas maneiras. Korytowski e colaboradores14;15 isolaram os compostos 3b-hidróxi-5a-colest-6-eno-5-hidroperóxido (I);3b-hidróxicolest-4-eno-6a-hidroperóxido (II) e 3b-hidróxicolest-4-eno-6b-hidroperóxido (III);como produtos da degradação induzida a tecidos vivos;por via fotoquímica;tanto pelo agente fototerapêutico hematoporfirina como pelo cloro-Al(III) ftalocianina tetrasulfonada;produtos característicos de reação envolvendo oxigênio singlete16  Também;o papel inibidor do íon azoteto;conhecido supressor para o oxigênio singlete3;assim como o aumento da eficiência da reação na presença de D2O;tem-se verificado em sistemas-modelo3;71. Por fim;a fosforescência do oxigênio singlete;a 1270 nm;foi detectada em suspensões contendo células tumorais (L1210) submetidas a fotólise na presença de 5-(N-hexadecanoil) amino eosina17. Atualmente;tem-se concentrado esforços no sentido de detectar essa fosforescência in vivo18. Ambos os mecanismos são controlados por difusão3;4. As espécies reativas geradas a partir da interação entre o estado excitado do corante e o oxigênio (oxigênio singlete e ânion-radical superóxido);entre o estado excitado do corante e sítios dos substratos que estão sendo atacados (S+. e A-. ou S-. e B+ e ou e;dependendo das propriedades redóxi do sensitizador e do substrato);e as resultantes dos processos secundários (radicais livres e outras espécies carregadas);tendem a se difundir nas vizinhanças do tecido afetado;iniciando uma cadeia de reações bioquímicas;resultando em danos de diferentes proporções à célula tumoral;o que tende a inviabilizá-lo. Os sítios ricos em elétrons;presentes nas células-alvo;tendem a ser os mais fácilmente modificados;como por exemplo a guanina;cadeias laterais de amino-ácidos contendo estruturas aromáticas e enxôfre;ligações duplas de esteróides e lipídeos insaturados. Isso resulta em danos à parede celular;mitocôndria;e lisosomos;comprometendo a integridade celular. Nenhum efeito mutagênico sobre as células sadias tem sido reportado até o momento5;o que amplia a segurança de aplicação dessa modalidade terapêutica;permitindo ainda a repetição do tratamento no caso de recorrência ou mesmo de lesões extendidas. Os agentes fototerapêuticos podem ainda destruir um tumor indiretamente;pelo dano causado ao endotélio vascular;o que resulta em hipoxia e morte do tecido6. Em todos os casos;o fotoprocesso inicial ocorre dentro de um espaço com diâmetro entre 10 e 50 nm7;8. Fatores químicos e biológicos tendem a propagar os efeitos a outros sítios;localizados a maiores distâncias da origem9. Isso faz com que seja necessário um estrito controle da biodistribuição do agente fototerapêutico a nível celular ou tissular;especialmente quando esses fotosensitizadores são sistêmicamente injetados;como ocorre usualmente em TFD. O emprego de sistemas distribuidores apropriados tem resultado em avanços significativos na eficácia e seletividade da TFD;já que assim;o fotosensitizador pode ser liberado em elevadas concentrações no tecido-alvo5;71. O extraordinário desenvolvimento da pesquisa relativa a reações envolvendo oxigênio singlete;sobretudo as que envolvem sistemas biológicos3;6;19;54;71. resultou no rápido desenvolvimento dessa modalidade clínica hoje conhecida como Terapia Fotodinâmica.  HISTÓRICO Um tumor caracteriza-se por um crescimento anormal de tecido vivo;podendo ser benigno ou maligno (o câncer). O câncer é reconhecidamente a moléstia que mais apreensão tem provocado na história da humanidade. Os três tratamentos clássicamente adotados contra o câncer são a quimioterapia;a radioterapia e a cirurgia (remoção do tecido lesado e seus arredores);que apresentam inúmeras desvantagens;como por exemplo a desfiguração do paciente;com prejuízos à sua auto-estima;inúmeros efeitos colaterais (quimioterapia e radioterapia);além de uma perspectiva de cura nem sempre eficaz. Em virtude disso;tratamentos alternativos tem-se desenvolvido56;dentre os quais se inclui a Terapia Fotodinâmica. A Terapia Fotodinâmica visa a destruição localizada do tecido vivo anormal mediante sua necrose ou inviabilização;assim como também a desativação de vírus;destruição de bactérias e fungos3;6;8;19-54;57;59;88;93. O tratamento se inicia após um período de espera;após a administração ao paciente de um corante fotosensitizador (o agente fototerapêutico);usualmente por injeção intravenosa. Após esse tempo de espera;quando a concentração do corante atinge o seu máximo no tecido lesado;procede-se à exposição do tumor à radiação visível de comprimento de onda adequado para a excitação do agente fototerapêutico3;6. A radiação;geralmente fornecida por um laser;é dirigida ao local do tratamento empregando-se um feixe de fibras ópticas. As primeiras experiências visando a aplicação do efeito fotodinâmico no tratamento de tumores em humanos foram feitas em 1903 por Tappenier e Jesionek;empregando eosina como fotosensitizador58. Embora os resultados tenham sido positivos;esse trabalho não sofreu continuidade. Em 1924;Policard59 observou que porfirinas podiam ser encontradas em elevadas concentrações em tumores malignos. Essas porfirinas são completamente atóxicas;mas na presença de luz visível e oxigênio elas se tornam altamente tóxicas ao tecido celular. No final dos anos 60;Lipson60 reportou um caso de tratamento bem-sucedido de câncer de seio;empregando derivados de hematoporfirina e irradiação seletiva do tumor com luz visível. Em 1976;Weishaupt e colaboradores34 postularam que o oxigênio singlete;gerado por sensitização;a partir da transferência de energia do agente fototerapêutico no estado triplete excitado para o oxigênio molecular no estado fundamental;era o agente citotóxico responsável pela desativação de células tumorais. Em fins dos anos 70;a partir dos trabalhos de Dougherty e colaboradores35;a TFD passou a ser reconhecida como uma alternativa para o tratamento de câncer;tendo sido empregada com sucesso no tratamento de tumores;além de outras outras condições clínicas8;46;61.  AGENTES FOTOTERAPÊUTICOS