Photodynamische Therapie (PDT) mit 5-Aminolävulinsäure (5-ALA) : Einfluss von inspiratorischer Hypoxie und Hyperoxie auf die Behandlungseffektivität und das metabolische Mikromilieu

Abstract

Die Photodynamische Therapie (PDT) stellt ein neuartigesTumorbehandlungsverfahren dar, bei dem zunächst ein nicht toxisches Pharmakon durch Beleuchtung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge im Organismus aktiviert wird und eine zytotoxische Wirksamkeit entfaltet. In dieser Studie wird 5- Aminolävulinsäure (5-ALA) als Pro-Drug verwendet, das sich seit einigen Jahren in der klinischen Erprobung befindet. 5-ALA muss in die Tumorzelle aufgenommen und zu Protoporphyrin IX metabolisiert werden, da 5-ALA selber nicht phototoxisch wirksam ist. In-vitro-Studien belegen, dass die 5-ALA-Aufnahme bzw. die 5-ALA-Metabolisierung sauerstoffabhängig ist. Ferner scheint auch die 5-ALA-PDT O2-abhängig zu sein, da die Bildung zellschädigender reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die infolge der Lichtbestrahlung entstehen, auf die Anwesenheit von molekularem Sauerstoff angewiesen ist. In soliden Tumoren existieren hypoxische bzw. anoxische Areale, die auf die pathologisch veränderte Gefäßstruktur in Tumoren zurückzuführen sind und die Effektivität der herkömmlichen Strahlentherapie, O2-abhängigen Chemotherapien und eventuell auch die der PDT negativ beeinflusst. Ziel dieser Arbeit war es, an einem definierten Tiermodell durch Modulation der inspiratorischen Sauerstofffraktion die Auswirkungen auf die Tumoroxygenierung, die Konzentration von Protoporphyrin IX (PPIX) in Leber- und Tumorzellen und auf die Effektivität der PDT zu untersuchen. Ferner wurden verschiedene Parameter des Mikromilieus sowie stoffwechselrelevante Enzyme vor und nach der Behandlungbestimmt. Die Untersuchungen erfolgten an experimentellen DS-Sarkomen, die auf den Fußrücken der Hinterpfoten von SD-Ratten implantiert wurden. Als Atemgasgemische wurden Hypoxiegas (8% O2 + 92% N2), Raumluft (21% O2) und Hyperoxiegas (100% O2) verwendet. Die Messungen der Tumoroxygenierung erfolgte mittels polarographischer Nadelelektrode, die Konzentrationen von PPIX mittels Durchflußzytometrie. Die Tumorantwort nach der PDT in Abhängigkeit der inspiratorischen Sauerstofffraktion wurde täglich durch Messungen des Tumorvolumens protokolliert und in dem Algorithmus nach Kaplan-Meier ausgewertet. Metabolische und bioenergetische Parameter sowie die Enzymaktivitäten wurden über biochemische Nachweismethoden bzw. HPLC-Technik bestimmt.Die Messungen des O2-Partialdrucks ergaben, dass durch eine inspiratorischeHyperoxie die Tumoroxygenierung signifikant verbessert werden konnte, wohingegen sich die Oxygenierung durch die Gabe des Hypoxiegases deutlich verschlechterte. Eine inspiratorische Hyperoxie führte zu einer deutlich höheren durch PPIX induzierten Fluoreszenz in Tumorzellen als unter Raumluft- bzw. Hypoxiebedingungen, was darauf hindeutet, dass die 5-ALA-Aufnahme bzw. 5-ALA-Metabolisierung sauerstoffabhängig ist. In Leberzellen konnte hingegen keine Abhängigkeit der durch PPIX induzierten Fluoreszenz von der inspiratorischen Sauerstofffraktion beobachtet werden. Ferner ließsich eine tumorspezifische Anreicherung von PPIX nachweisen, die auf die veränderte Aktivität der Enzyme der Hämbiosynthese in Tumorzellen zurückzuführen sein könnte. Eine durch inspiratorische Hyperoxie bedingte höhere Konzentration von PPIX in Tumorzellen führte zu einer gesteigerten Effektivität der PDT. Eine inspiratorische Hyperoxie nur während der Behandlung erzielte eine signifikante Effektivitätssteigerung. Eine inspiratorische Hyperoxie vor und während der Behandlung bewirkte keine zusätzliche Wirkungsverstärkung. Sowohl eine höhere Konzentration von PPIX als auch die Gabe von Sauerstoff während der Behandlung führten zu einer gesteigerten Effektivität, wobei der verstärkten Generierung von ROS wohl die wichtigere Rolle zukommt. Eine inspiratorische Hypoxie hatte keinen Einfluss auf die Effektivität der PDT im Vergleich zu einer PDT unter Raumluftbedingungen.Die ATP-Konzentrationen sanken nach der Behandlung in allen behandelten Gruppen signifikant ab, die AMP-Konzentrationen stiegen signifikant an. Ferner führte die Therapie zu einem Anstieg der Laktat- und Glukosekonzentrationen. Anhand der gemessenen Parameter konnte jedoch keine Aussage über die Effektivität der Behandlung getroffen werden. Die Enzyme Pyruvatkinase und Nukleosiddiphosphat-Kinase zeigten eine statistisch signifikante Abnahme der Aktivität in allen Gruppen nachder Behandlung, wohin gegen die Aktivität der Laktatdehydrogenase infolge der Behandlung nur geringfügig sank. Jedoch konnten anhand der Aktivität dieser Enzyme nach der Behandlung keine Rückschlüsse auf den weiteren Therapieverlauf gezogen werden, da keine statistisch signifikanten Unterschiede innerhalb der Gruppen beobachtet werden konnten.