Università degli Studi di Pavia - Dipartimento di Chimica Organica Anno Accademico 2005/2006

1. 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

2. 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. 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)

3. 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

5. 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. 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:

6. 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. Cenni storici: 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.

7. 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. Applicazioni:

8. Meccanismo della PDT:

9. 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. Requisiti di un fotosensibilizzatore ideale:

10. 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

11. Bonnett, R.; Martinez, G., Tetrahedron, 2001, 57, 9513-9547 Esempi di fotosensibilizzatori: 1) Derivati dell’ematoporfirina e altri composti porfirinici • (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.

12. 1) Derivati dell’ematoporfirina e altri composti porfirinici

13. max~ 665 nm  (1O2) > 0.75 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 2) Porfirine “core-modified”

14. ALA (R=H) PpIX 3) Acido 5-amminolevulinico (ALA) e Protoporfirina IX (PpIX) mitocondrio citosol 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. mitocondrio

15. 3) Acido 5-amminolevulinico (ALA) e Protoporfirina IX (PpIX) 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.

16. 4) Ftalocianine ZnPC (M=Zn) AlPcS2 (M=Al, A=X=SO3-) AlPcS3 (M=Al, A=X=Y=SO3-) AlPcS4 (M=Al, A=X=Y=Z=SO3-) 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.

17. Clorina e6 (R=R’=H) m-THPC (Foscan®) max = 737-805 nm max = 654 nm  ~ 40000 M-1 cm-1 • max = 652 nm • = 30000 M-1 cm-1 Attivazione: 72-96 h Sensibilizzazione: 4-6 settimane 5) Clorine e batterioclorine

18. Lutetium texaphyrin (LutexTM) Sessler, J. L.; Hemmi, G.; Mody, T. D.; Murai, T.; Burrell, A.; Young, S. W., Acc. Chem. Res., 1994, 27, 43-50 6) Porfirine “core-expanded” o texapirine • 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.

19. Blu di metilene (R=Me) AA1 (E=S) Calcogenopirilio (X=Y=O,S,Se,Te) 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.

20. [Ru(bpz)3]2+ in D2O:  (1O2) = 0.19 [Ru(dpds)3]2+ in CD3OD:  (1O2) = 1 bpz dpds 8) Complessi di metalli di transizione Altri complessi capaci di generare 1O2: complessi mono- e di-nucleari di OsII, IrIII, PdIIcon polipiridine, acido 3,4-diidrossibenzoico, di- e tetra-idrossibenzaldeide.

21. 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.

22. 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.