oncotomskСибирский онкологический журналSiberian journal of oncology1814-48612312-3168Tomsk National Research Medical Сепtеr of the Russian Academy of Sciences10.21294/1814-4861-2022-21-5-149-154oncotomsk-2319Research ArticleОБЗОРЫREVIEWSФормы гибели клеток и мишени при фотодинамической терапииForms of cell death and targets at photodynamic therapyhttps://orcid.org/0000-0002-0909-6278РешетовИ. В.ReshetovI. V.

 Решетов Игорь Владимирович, доктор медицинских наук, профессор, академик РАН, директор института; заведующий кафедрой; научный руководитель факультета

SPIN-код: 3845-6604. Author ID (Scopus): 6701353127 

 Россия, 119991, г. Москва, ул. Трубецкая, 8/2, Россия 

 России, 125371, г. Москва, Волоколамское шоссе, 91 

 Россия, 115432, г. Москва, 2-й Кожуховский проезд, 12/1 

Igor V. Reshetov, MD, Professor, Academician of the Russian Academy of Sciences, Director of the Institute; Head of department; Scientific directorof the faculty

Author ID (Scopus): 6701353127 

8/2, Trubetskaya St., 119991, Moscow, Russia

91, Volokolamskoe Shosse, 125371, Moscow, Russia

12/1, 2nd Kozhukhovsky Proezd, 115432, Moscow, Russia

https://orcid.org/0000-0003-2310-0576КореневС. В.KorenevS. V.

Коренев Сергей Владимирович, доктор медицинских наук, профессор, директор института

SPIN-код: 5257-4476 

 Россия, 236016, г. Калининград, ул. А. Невского, 14 

 Sergey V. Korenev, MD, Professor, Director of the Institute

 14, a. Nevsky st., 236016, Kaliningrad, Russia 

https://orcid.org/0000-0001-8797-5932РоманкоЮ. С.RomankoYu. S.

Романко Юрий Сергеевич, доктор медицинских наук, профессор кафедры; профессор кафедры

SPIN-код: 7703-4911. Researcher ID (WOS): L-5965-2014. Author ID (Scopus): 7801463724 

 Россия, 119991, г. Москва, ул. Трубецкая, 8/2, Россия 

 России, 125371, г. Москва, Волоколамское шоссе, 91 

 Yuri S. Romanko, MD, DCs, Professor of the Department; Professor of the Department

Researcher ID (WOS): L-5965-2014. Author ID (Scopus): 7801463724 

 8/2, Trubetskaya St., 119991, Moscow, Russia

91, Volokolamskoe Shosse, 125371, Moscow, Russia

ad_astrum2000@mail.ruФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России; Академия постдипломного образования ФГБУ «Федеральный научно-клинический центр специализированных видов медицинской помощи и медицинских технологий Федерального медико-биологического агентства»; ЧОУВО «Московский университет им. С.Ю. Витте»РоссияI.M. Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health of the Russia; Federal Scientific and Clinical Center for Specialized Types of Medical Care and Medical Technologies of the Federal Medical and Biological Agency; Moscow University named after S.Yu. WitteRussian FederationФГАОУ ВО «Балтийский федеральный университет им. И. Канта»РоссияI. Kant Baltic Federal University Russian FederationФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России; Академия постдипломного образования ФГБУ «Федеральный научно-клинический центр специализированных видов медицинской помощи и медицинских технологий Федерального медико-биологического агентства»РоссияI.M. Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health of the Russia; Federal Scientific and Clinical Center for Specialized Types of Medical Care and Medical Technologies of the Federal Medical and Biological AgencyRussian Federation202231102022215149154Copyright © Решетов И.В., Коренев С.В., Романко Ю.С., 20222022Решетов И.В., Коренев С.В., Романко Ю.С.Reshetov I.V., Korenev S.V., Romanko Y.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.siboncoj.ru/jour/article/view/2319

Цель исследования – изучить результаты наиболее значимых исследований, посвященных оценке форм гибели опухолевых клеток и мишеней при фотодинамической терапии (ФДТ). Материал и методы. Проведен анализ баз данных Scopus, Wos, MedLine и найден 31 источник, в котором рассматривается данная проблема. Результаты. ФДТ является важным инструментом для изучения путей, ведущих к полной девитализации злокачественной опухоли. Причем субклеточные мишени при ФДТ обусловливаются свойствами фотосенсибилизаторов (ФС). Особенно эффективными мишенями являются лизосомы и митохондрии, в том числе для ФС I класса – фотофрина. Этим объясняется эффективность фотофрина, хотя он имеет слабую полосу поглощения в области 630 нм с ограниченной глубиной проникновения в ткани. Весьма актуальной становится разработка новых ФС, имеющих субклеточные мишени фотофрина, но с полосой поглощения в длинноволновой области, такие ФС идеальны для ФДТ. В клиническую практику уже внедрены ФС ii поколения. Показана результативность ФДТ с применением фотодитазина. Установлены механизмы действия и мишени этого ФС. К последним относятся стенка сосудов, цитоплазматические мембраны и внутренние структуры опухолевых клеток. Основной тип гибели неопластических клеток при ФДТ с фотодитазином – прямой фотокоагуляционный и ишемический некроз паренхимы опухоли из-за разрушения сосудистого русла новообразования. Значительное внимание уделяется разработке новых ФС, а именно, производным бактериохлорофилла-α, которые обладают интенсивным поглощением излучения в длинноволновой области спектрального диапазона. К ним относится конъюгат дисульфид-БПИ, имеющий в своем составе 2 молекулы дипропоксибактериопурпуринимида и остаток цистамина, результаты использования которого показали его высокую эффективность, обусловленную разрушением сосудистого русла опухоли, быстрым замедлением и/или прекращением пролиферативной активности клеток и их гибелью путем некроза и апоптоза. Быстрый прогресс в области изучения механизмов действия ФДТ показал, что запуск аутофагии с использованием лизосомального компартмента для деградации и утилизации поврежденных клеточных органелл и параптоз, связанный с дефектными белками в эндоплазматическом ретикуломе, также играют важную роль в элиминации опухолевых клеток. Заключение. Апоптоз, аутофагия и параптоз могут возникать после фотоповреждения митохондрий, лизосом или эндоплазматического ретикулума. Баланс путей клеточной гибели часто является определяющим фактором эффективности ФДТ.

The aim of the study is to study the results of the most significant studies on the forms of tumor cell death and targets in photodynamic therapy (PDT). Material and methods. On the problem, we analyzed the Scopus, WoS, MedLine databases and found 31 sources. Results. PDT is an important tool for studying the pathways leading to the complete devitalization of a malignant tumor. Moreover, subcellular targets in pdt are determined by the properties of photosensitizers (PS). Particularly effective targets are lysosomes and mitochondria, including those for class I PS, photofrin. This explains the effectiveness of photofrin, although it has a weak absorption band in the region of 630 nm with a limited penetration depth into tissues. The development of new PSs with subcellular targets of photofrin, but with an absorption band in the long-wavelength region, is becoming very topical. Such FS are ideal for PDT. Second-generation PSS have already been introduced into clinical practice. The effectiveness of PDT with the use of photoditazine was shown. The mechanisms of action and targets of this PS have been established. The latter include the vessel wall, cytoplasmic membranes, and internal structures of tumor cells. The main type of neoplastic cell death during PDT with photoditazine is direct photocoagulation and ischemic necrosis of the tumor parenchyma due to the destruction of the neoplasm vascular bed. Today, considerable attention is paid to the development of other new PSS, namely, bacteriochlorophyll-α derivatives, which have an intense absorption of radiation in the long-wavelength region of the spectral range. These include the disulfide-bpi conjugate, which contains 2 molecules of dipropoxybacteriopurpurinimide and a cystamine residue, the results of which showed its high efficiency due to the destruction of the tumor vascular bed, the rapid slowdown and/or cessation of cell proliferative activity and their death by necrosis and apoptosis. Rapid progress in studying the mechanisms of action of PDt has shown that autophagy triggering using the lysosomal compartment to degrade and utilize damaged cell organelles and paraptosis associated with defective proteins in the endoplasmic reticulum also play an important role in the elimination of tumor cells. Conclusion. Apoptosis, autophagy, and paraptosis can occur after photodamage to mitochondria, lysosomes, or the endoplasmic reticulum. The balance of cell death pathways is often a determining factor in the effectiveness of PDT.

фотодинамическая терапияфотосенсибилизаторфотофринфотодитазинапоптознекрознекроптозаутофагияпараптозphotodynamic therapyphotosensitizerphotofrinphotoditazineapoptosisnecrosisnecroptosisautophagyparaptosisReferencesHamblin M.R., Abrahamse H. Factors Affecting Photodynamic Therapy and Anti-Tumor Immune Response. Anticancer Agents Med Chem. 2021; 21(2): 123–36. doi: 10.2174/1871520620666200318101037.Hamblin M.R., Abrahamse H. Factors Affecting Photodynamic Therapy and Anti-Tumor Immune Response. Anticancer Agents Med Chem. 2021; 21(2): 123–36. doi: 10.2174/1871520620666200318101037.Hamblin M.R. Photodynamic Therapy for Cancer: What’s Past is Prologue. Photochem Photobiol. 2020 May; 96(3): 506–16. doi: 10.1111/php.13190.Hamblin M.R. Photodynamic Therapy for Cancer: What’s Past is Prologue. Photochem Photobiol. 2020 May; 96(3): 506–16. doi: 10.1111/php.13190.Chen H., He J., Lanzafame R., Stadler I., Hamidi H.E., Liu H., Celli J., Hamblin M.R., Huang Y., Oakley E., Shafirstein G., Chung H.K., Wu S.T., Dong Y. Quantum dot light emitting devices for photomedical applications. J Soc Inf Disp. 2017; 25(3): 177–84. doi: 10.1002/jsid.543.Chen H., He J., Lanzafame R., Stadler I., Hamidi H.E., Liu H., Celli J., Hamblin M.R., Huang Y., Oakley E., Shafirstein G., Chung H.K., Wu S.T., Dong Y. Quantum dot light emitting devices for photomedical applications. J Soc Inf Disp. 2017; 25(3): 177–84. doi: 10.1002/jsid.543.Negri L.B., Martins T.J., da Silva R.S., Hamblin M.R. Photobiomodulation combined with photodynamic therapy using ruthenium phthalocyanine complexes in A375 melanoma cells: Effects of nitric oxide generation and ATP production. J Photochem Photobiol B. 2019; 198: 111564. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2019.111564.Negri L.B., Martins T.J., da Silva R.S., Hamblin M.R. Photobiomodulation combined with photodynamic therapy using ruthenium phthalocyanine complexes in A375 melanoma cells: Effects of nitric oxide generation and ATP production. J Photochem Photobiol B. 2019; 198: 111564. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2019.111564.Kessel D. Thomas J. Dougherty: An Appreciation. Photochem Photobiol. 2020 May; 96(3): 454–7. doi: 10.1111/php.13144.Kessel D. Thomas J. Dougherty: An Appreciation. Photochem Photobiol. 2020 May; 96(3): 454–7. doi: 10.1111/php.13144.Романко Ю.С., Каплан М.А., Иванов С.А., Галкин В.Н., Молочкова Ю.В., Кунцевич Ж.С., Третьякова Е.И., Сухова Т.Е., Молочков В.А., Молочков А.В. Эффективность фотодинамической терапии базально-клеточной карциномы с использованием фотосенсибилизаторов различных классов. Вопросы онкологии. 2016; 62(3): 447–450.Romanko Yu.S., Kaplan M.A., Ivanov S.A., Galkin V.N., Molochkova Yu.V., Kuntsevich Zh.S., Tret'yakova E.I., Sukhova T.E., Molochkov V.A., Molochkov A.V. Efficacy of photodynamic therapy for basal cell carcinoma using photosensitizers of different classes. Problems in Oncology. 2016; 62(3): 447–450. (in Russian).Lee C.N., Hsu R., Chen H., Wong T.W. Daylight Photodynamic Therapy: An Update. Molecules. 2020; 25(21): 5195. doi: 10.3390/molecules25215195.Lee C.N., Hsu R., Chen H., Wong T.W. Daylight Photodynamic Therapy: An Update. Molecules. 2020; 25(21): 5195. doi: 10.3390/molecules25215195.Abrahamse H., Hamblin M.R. New photosensitizers for photodynamic therapy. Biochem J. 2016; 473(4): 347–64. doi: 10.1042/BJ20150942.Abrahamse H., Hamblin M.R. New photosensitizers for photodynamic therapy. Biochem J. 2016; 473(4): 347–64. doi: 10.1042/BJ20150942.Li W.P., Yen C.J., Wu B.S., Wong T.W. Recent Advances in Photodynamic Therapy for Deep-Seated Tumors with the Aid of Nanomedicine. Biomedicines. 2021; 9(1): 69. doi: 10.3390/biomedicines9010069.Li W.P., Yen C.J., Wu B.S., Wong T.W. Recent Advances in Photodynamic Therapy for Deep-Seated Tumors with the Aid of Nanomedicine. Biomedicines. 2021; 9(1): 69. doi: 10.3390/biomedicines9010069.Wang X., Luo D., Basilion J.P. Photodynamic Therapy: Targeting Cancer Biomarkers for the Treatment of Cancers. Cancers (Basel). 2021; 13(12): 2992. doi: 10.3390/cancers13122992.Wang X., Luo D., Basilion J.P. Photodynamic Therapy: Targeting Cancer Biomarkers for the Treatment of Cancers. Cancers (Basel). 2021; 13(12): 2992. doi: 10.3390/cancers13122992.López-Marín N., Mulet R.J. In silico modelling of apoptosis induced by photodynamic therapy. J Theor Biol. 2018; 436: 8–17. doi: 10.1016/j.jtbi.2017.09.028.López-Marín N., Mulet R.J. In silico modelling of apoptosis induced by photodynamic therapy. J Theor Biol. 2018; 436: 8–17. doi: 10.1016/j.jtbi.2017.09.028.López-Marína N., Mulet R., Rodríguez R. Photodynamic therapy: toward a systemic computational model. J Photochem Photobiol B Biol. 2018; 189: 201–13. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2018.10.020.López-Marína N., Mulet R., Rodríguez R. Photodynamic therapy: toward a systemic computational model. J Photochem Photobiol B Biol. 2018; 189: 201–13. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2018.10.020.Pan Z., Fan J., Xie Q., Zhang X., Zhang W., Ren Q., Li M., Zheng Q., Lu J., Li D. Novel sulfonamide porphyrin TBPoS-2OH used in photodynamic therapy for malignant melanoma. Biomed Pharmacother. 2021; 133: 111042. doi: 10.1016/j.biopha.2020.111042.Pan Z., Fan J., Xie Q., Zhang X., Zhang W., Ren Q., Li M., Zheng Q., Lu J., Li D. Novel sulfonamide porphyrin TBPoS-2OH used in photodynamic therapy for malignant melanoma. Biomed Pharmacother. 2021; 133: 111042. doi: 10.1016/j.biopha.2020.111042.Савицкая М.А., Онищенко Г.Е. Механизмы апоптоза. Биохимия. 2015; 80(11): 1613–27.Savitskaya M.A., Onishchenko G.E. Mechanisms of apoptosis. Biochemistry. 2015; 80(11): 1613–27. (in Russian).Edinger A.L., Thompson C.B. Death by design: apoptosis, necrosis and autophagy. Curr Opin Cell Biol. 2004; 16(6): 663–9. doi: 10.1016/j.ceb.2004.09.011.Edinger A.L., Thompson C.B. Death by design: apoptosis, necrosis and autophagy. Curr Opin Cell Biol. 2004; 16(6): 663–9. doi: 10.1016/j.ceb.2004.09.011.Giampietri C., Starace D., Petrungaro S., Filippini A., Ziparo E. Necroptosis: molecular signaling and translational implications. Int J Cell Biol. 2014. doi: 10.1155/2014/490275.Giampietri C., Starace D., Petrungaro S., Filippini A., Ziparo E. Necroptosis: molecular signaling and translational implications. Int J Cell Biol. 2014. doi: 10.1155/2014/490275.de Almagro M.C., Vucic D. Necroptosis: Pathway diversity and characteristics. Semin Cell Dev Biol. 2015; 39: 56–62. doi: 10.1016/j.semcdb.2015.02.002.de Almagro M.C., Vucic D. Necroptosis: Pathway diversity and characteristics. Semin Cell Dev Biol. 2015; 39: 56–62. doi: 10.1016/j.semcdb.2015.02.002.Liu G., Bi Y., Wang R., Wang X. Self-eating and self-defense: autophagy controls innate immunity and adaptive immunity. J Leukoc Biol. 2013; 93(4): 511–9. doi: 10.1189/jlb.0812389.Liu G., Bi Y., Wang R., Wang X. Self-eating and self-defense: autophagy controls innate immunity and adaptive immunity. J Leukoc Biol. 2013; 93(4): 511–9. doi: 10.1189/jlb.0812389.D’Arcy M.S. Cell death: a review of the major forms of apoptosis, necrosis and autophagy. Cell Biol Int. 2019; 43(6): 582–92. doi: 10.1002/cbin.11137.D’Arcy M.S. Cell death: a review of the major forms of apoptosis, necrosis and autophagy. Cell Biol Int. 2019; 43(6): 582–92. doi: 10.1002/cbin.11137.Kessel D., Evans C.L. Promotion of proapoptotic signals by lysosomal photodamage: mechanistic aspects and influence of autophagy. Photochem Photobiol. 2016; 92(4): 620–3. doi: 10.1111/php.12592.Kessel D., Evans C.L. Promotion of proapoptotic signals by lysosomal photodamage: mechanistic aspects and influence of autophagy. Photochem Photobiol. 2016; 92(4): 620–3. doi: 10.1111/php.12592.Zhang Q., Li L. Photodynamic combinational therapy in cancer treatment. J BUON. 2018; 23(3): 561–7.Zhang Q., Li L. Photodynamic combinational therapy in cancer treatment. J BUON. 2018; 23(3): 561–7.Kessel D. Photodynamic therapy: promotion of efficacy by a sequential protocol. J Porphyr Phthalocyanines. 2016; 20(1–4): 302–6. doi: 10.1142/S1088424616500073.Kessel D. Photodynamic therapy: promotion of efficacy by a sequential protocol. J Porphyr Phthalocyanines. 2016; 20(1–4): 302–6. doi: 10.1142/S1088424616500073.Романко Ю.С., Цыб А.Ф., Каплан М.А., Попучиев В.В. Влияние фотодинамической терапии с фотодитазином на морфофункциональные характеристики саркомы М-1. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2004; 138(12): 658–664.Romanko Yu.S., Tsyb A.F., Kaplan M.A., Popuchiev V.V. Influence of photodynamic therapy with photoditazine on morphofunctional characteristics of M-1 sarcoma. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2004; 138(12): 658–664. (in Russian).Романко Ю.С., Цыб А.Ф., Каплан М.А., Попучиев В.В. Зависимость противоопухолевой эффективности фотодинамической терапии от плотности световой энергии. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2005; 139(4): 456–461.Romanko Yu.S., Tsyb A.F., Kaplan M.A., Popuchiev V.V. Dependence of the antitumor efficacy of photodynamic therapy on the density of light energy. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2005; 139(4): 456–461. (in Russian).Южаков В.В., Бурмистрова Н.В., Фомина Н.К., Бандурко Л.Н., Севанькаева Л.Е., Старовойтова А.В., Яковлева Н.Д., Цыганова М.Г., Ингель И.Э., Островерхов П.В., Каплан М.А., Грин М.А., Мажуга А.Г., Миронов А.Ф., Галкин В.Н., Романко Ю.С. Морфофункциональные характеристики саркомы М-1 крыс после фотодинамической терапии с производным бактериохлорофилла a. Biomedical Photonics. 2016; 5(4): 4–14. doi: 10.24931/2413-9432-2016-5-4-4-14.Yuzhakov V.V., Burmistrova N.V., Fomina N.K., Bandurko L.N., Sevankaeva L.E., Starovoitova A.V., Yakovleva N.D., Tsyganova M.G., Ingel I.E., Ostroverkhov P.V., Kaplan M.A., Grin M.A., Mazhuga A.G., Mironov A.F., Galkin V.N., Romanko Yu.S. Morphofunctional characteristics of rat M-1 sarcoma after photodynamic therapy with a bacteriochlorophyll a derivative. Biomedical Photonics. 2016; 5(4): 4–14. (in Russian). doi: 10.24931/2413-9432-2016-5-4-4-14.Mironov A.F., Grin M.A., Pantushenko I.V., Ostroverkhov P.V., Ivanenkov Y.A., Filkov G.I., Plotnikova E.A., Karmakova T.A., Starovoitova A.V., Burmistrova N.V., Yuzhakov V.V., Romanko Y.S., Abakumov M.A., Ignatova A.A., Feofanov A.V., Kaplan M.A., Yakubovskaya R.I., Tsigankov A.A., Majouga A.G. Synthesis and Investigation of Photophysical and Biological Properties of Novel S-Containing Bacteriopurpurinimides. J Med Chem. 2017; 60(24): 10220–30. doi: 10.1021/acs.jmedchem.7b00577.Mironov A.F., Grin M.A., Pantushenko I.V., Ostroverkhov P.V., Ivanenkov Y.A., Filkov G.I., Plotnikova E.A., Karmakova T.A., Starovoitova A.V., Burmistrova N.V., Yuzhakov V.V., Romanko Y.S., Abakumov M.A., Ignatova A.A., Feofanov A.V., Kaplan M.A., Yakubovskaya R.I., Tsigankov A.A., Majouga A.G. Synthesis and Investigation of Photophysical and Biological Properties of Novel S-Containing Bacteriopurpurinimides. J Med Chem. 2017; 60(24): 10220–30. doi: 10.1021/acs.jmedchem.7b00577.Kessel D., Reiners J.J. Effects of combined lysosomal and mitochondrial photodamage in a non-small-cell lung cancer cell line: the role of paraptosis. Photochem Photobiol. 2017; 93(6): 1502–8. doi: 10.1111/php.12805.Kessel D., Reiners J.J. Effects of combined lysosomal and mitochondrial photodamage in a non-small-cell lung cancer cell line: the role of paraptosis. Photochem Photobiol. 2017; 93(6): 1502–8. doi: 10.1111/php.12805.Kessel D. Paraptosis and Photodynamic Therapy: A Progress Report. Photochem Photobiol. 2020; 96(5): 1096–100. doi: 10.1111/php.13242.Kessel D. Paraptosis and Photodynamic Therapy: A Progress Report. Photochem Photobiol. 2020; 96(5): 1096–100. doi: 10.1111/php.13242.Kessel D., Cho W.J., Rakowski J., Kim H.E., Kim H.C. Effects of HPV Status on Responsiveness to Ionizing Radiation vs Photodynamic Therapy in Head and Neck Cancer Cell lines. Photochem Photobiol. 2020; 96(3): 652–7. doi: 10.1111/php.13150.Kessel D., Cho W.J., Rakowski J., Kim H.E., Kim H.C. Effects of HPV Status on Responsiveness to Ionizing Radiation vs Photodynamic Therapy in Head and Neck Cancer Cell lines. Photochem Photobiol. 2020; 96(3): 652–7. doi: 10.1111/php.13150.Kessel D. Apoptosis, Paraptosis and Autophagy: Death and Survival Pathways Associated with Photodynamic Therapy. Photochem Photobiol. 2019; 95(1): 119–125. doi: 10.1111/php.12952.Kessel D. Apoptosis, Paraptosis and Autophagy: Death and Survival Pathways Associated with Photodynamic Therapy. Photochem Photobiol. 2019; 95(1): 119–125. doi: 10.1111/php.12952.Lange N., Szlasa W., Saczko J., Chwiłkowska A. Potential of Cyanine Derived Dyes in Photodynamic Therapy. Pharmaceutics. 2021; 13(6): 818. doi: 10.3390/pharmaceutics13060818.Lange N., Szlasa W., Saczko J., Chwiłkowska A. Potential of Cyanine Derived Dyes in Photodynamic Therapy. Pharmaceutics. 2021; 13(6): 818. doi: 10.3390/pharmaceutics13060818.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.