Фотодинамическая терапия (ФДТ) – интенсивно развивающееся направление в лечении онкологических заболеваний, в основе которого лежит использование фотоактивного соединения, так называемого фотосенсибилизатора (ФС), способного при локальном воздействии света видимого или ближнего инфракрасного диапазона вступать в фотохимические реакции с образованием активных форм кислорода (АФК), индуцирующих развитие локального окислительного стресса, который, в конечном итоге, приводит к гибели облученных клеток.

Несмотря на высокую эффективность, избирательность и хорошую переносимость ФДТ задача создания «идеального» ФС остается нерешенной, именно поэтому поиск новых препаратов является ключевым звеном на пути совершенствования этой технологии. Помимо необходимости поиска «идеального» ФС, метод ФДТ ограничен отсутствием возможности адекватной и своевременной корректировки световой дозы, подводимой к опухоли, в зависимости от ответа облучаемой ткани. Вышеперечисленные сложности во многом препятствуют внедрению персонализированного подхода в данный вид терапии и развитию ФДТ в целом.

С целью развития персонализированного подхода в ФДТ нами была синтезирована и исследована серия тетра(арил)тетрацианопорфиразиновых макрогетероциклов в виде свободных оснований и металлокомплексов, обладающих уникальными фотофизическими свойствами. На сегодняшний момент получено и исследовано более тридцати соединений с различными боковыми заместителями в периферийном окружении макроцикла, в том числе соединения с включением в центр макроцикла таких металлов как иттербий, железо, медь, палладий, кобальт и другие. Преимуществом арилцианопорфиразинов, по сравнению со многими клинически одобренными ФС, является простота и мягкость условий их синтеза, а также высокий выход целевых продуктов. Наиболее интересной особенностью исследуемых соединений является обнаруженное нами сочетание свойств фотосенсибилизатора и молекулярного ротора. Молекулярные роторы – это соединения, демонстрирующие сильную зависимость фотофизических параметров, таких как квантовый выход и время жизни флуоресценции, от вязкости среды. Такая зависимость позволяет использовать порфиразины в качестве сенсоров изменения локального микроокружения и, в частности, микровязкости. В экспериментах на клеточных культурах нами было показано, что порфиразины эффективно накапливаются опухолевыми клетками, локализуясь преимущественно в мембранных органеллах клетки. Показано, что порфиразины способны вызывать фотоиндуцируемую генерацию АФК в клетке, приводящую к запуску клеточной гибели. Нами впервые показана принципиальная возможность использования порфиразинов в качестве зондов внутриклеточной вязкости, в том числе при проведении ФДТ. Более того, показано наличие выраженной дозовой зависимости ответа на фотодинамическое воздействие, а именно, увеличения времени жизни порфиразинов, обусловленное, по всей видимости, ростом микровязкости в клетке после проведения терапии. Установленная закономерность указывает на принципиальную возможность использования фотофизических параметров порфиразинов для дозиметрии при проведении ФДТ.

С целью увеличения избирательности накопления порфиразинов в опухоли нами были разработаны и охарактеризованы системы доставки на основе биосовместимых наноматериалов, таких как липосомы, полимерные щетки и субмикронные частицы карбоната кальция в полиморфной модификации ватерит. На примере частиц ватерита нами продемонстрирована возможность оценки процессов высвобождения порфиразинов из транспортного носителя в живой ткани в режиме реального времени. В эксперименте на животных-опухоленосителях нами показано быстрое (в течение нескольких часов) и высокоселективное накопление в опухоли порфиразинов при введении в составе наноразмерных носителей. Установлено, что порфиразины накапливаются и локализуются в цитоплазме опухолевых клеток, а не в межклеточном пространстве или сосудах, питающих опухоль. Доказана способность порфиразинов вызывать биологически значимое торможение опухолевого роста и полную элиминацию опухолей в семидесяти процентах случаев. Более того, было показано, что некоторые соединения из группы порфиразинов способны вызывать иммуногенную клеточную смерть.

Впервые с помощью метода флуоресцентного имиджинга с функцией временного разрешения нами показана возможность прижизненного контроля изменения вязкостных свойств опухолевой ткани в ходе проведения фотодинамической терапии с порфиразинами. Предложенный подход в дальнейшем позволит обеспечить повышение эффективности фотодинамической терапии за счет объективного оптического мониторинга проводимого лечения, а именно подбора индивидуальных доз светового воздействия на основании изменения времени жизни флуоресценции в опухолевой ткани после облучения.

Таким образом, мы предполагаем, что тетра(арил)тетрацианопорфиразины обладают большим потенциалом как препараты для фотодинамической терапии онкологических заболеваний и могут способствовать внедрению персонализированного подхода в данный вид терапии и развитию ФДТ в целом.



Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-23-00515) и государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ № FSWR-2023-0032.

Photodynamic therapy (PDT) is an intensively developing direction in the treatment of oncological diseases, which is based on the use of a photoactive compound, the so-called photosensitizer (PS), which, under local exposure to visible or near-infrared light, can enter into photochemical reactions with the formation of reactive oxygen species (ROS), which induce the development of local oxidative stress, which ultimately leads to the death of irradiated cells.

Despite the high efficiency, selectivity, and good tolerability of PDT, the problem of creating an “ideal” PS remains unresolved, which is why the search for new drugs is a key link in improving this technology. In addition to the need to search for the “ideal” PS, the PDT method is limited by the inability to adequately and timely adjust the light dose delivered to the tumor, depending on the response of the irradiated tissue. The above difficulties largely hinder the introduction of a personalized approach to this type of therapy and the development of PDT in general.

In order to develop a personalized approach in PDT, we synthesized and studied a series of tetra(aryl)tetracyanoporphyrazine macroheterocycles in the form of free bases and metal complexes with unique photophysical properties. To date, more than thirty compounds with various side substituents in the peripheral environment of the macrocycle have been obtained and studied, including compounds with the inclusion of such metals as ytterbium, iron, copper, palladium, cobalt and others in the center of the macrocycle. The advantage of arylcyanoporphyrazines, compared to many clinically approved PS, is the simplicity and mildness of the conditions for their synthesis, as well as a high yield of target products. The most interesting feature of the studied compounds is the combination of photosensitizer and molecular rotor properties that we found. Molecular rotors are compounds that show a strong dependence of photophysical parameters, such as quantum yield and fluorescence lifetime, on the viscosity of the medium. This dependence makes it possible to use porphyrazines as sensors for changes in the local microenvironment and, in particular, microviscosity. In experiments on cell cultures, we have shown that porphyrazines are efficiently accumulated by tumor cells, being localized mainly in the membrane organelles of the cell. It has been shown that porphyrazines are capable of inducing photoinduced generation of ROS in the cell, leading to the triggering of cell death. We have shown for the first time the fundamental possibility of using porphyrazines as probes of intracellular viscosity, including during PDT. Moreover, the presence of a pronounced dose dependence of the response to photodynamic exposure, namely, an increase in the lifetime of porphyrazines, which is apparently due to an increase in microviscosity in the cell after therapy, has been shown. The established pattern points to the fundamental possibility of using the photophysical parameters of porphyrazines for dosimetry during PDT.

In order to increase the selectivity of porphyrazine accumulation in tumors, we developed and characterized delivery systems based on biocompatible nanomaterials, such as liposomes, polymer brushes, and submicron particles of calcium carbonate in the vaterite polymorph. Using vaterite particles as an example, we have demonstrated the possibility of evaluating the processes of porphyrazine release from a transport carrier in living tissue in real time. In an experiment on tumor-bearing animals, we have shown a rapid (within several hours) and highly selective accumulation of porphyrazines in tumors when administered as part of nanosized carriers. It has been established that porphyrazines accumulate and localize in the cytoplasm of tumor cells, and not in the intercellular space or vessels that feed the tumor. The ability of porphyrazines to cause biologically significant inhibition of tumor growth and complete elimination of tumors in seventy percent of cases has been proven. Moreover, some compounds from the group of porphyrazines have been shown to be capable of inducing immunogenic cell death.

For the first time, using the method of fluorescent imaging with a function of temporal resolution, we have shown the possibility of in vivo monitoring of changes in the viscosity properties of tumor tissue during photodynamic therapy with porphyrazines. The proposed approach will further improve the efficiency of photodynamic therapy due to objective optical monitoring of the ongoing treatment, namely, the selection of individual doses of light exposure based on the change in the fluorescence lifetime in the tumor tissue after irradiation.

Thus, we suggest that tetra(aryl)tetracyanoporphyrazines have great potential as drugs for photodynamic therapy of oncological diseases and can contribute to the introduction of a personalized approach to this type of therapy and the development of PDT.

This work was financially supported by the Russian Science Foundation (project no. 23-23-00515) and state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation no. FSWR-2023-0032.