Онкология

Вступление

Холодная атмосферная плазма в настоящее время представляет особый интерес в онкологии. Проводятся исследования по применению плазмы в качестве паллиативной помощи при онкологических заболеваниях, а также непосредственно в качестве метода лечения рака.

Плазма содержит активные формы кислорода и азота, которые вероятно способны разрушать раковые клетки. При этом отмечается, что плазма не оказывает негативного влияния на здоровые клетки организма. Эти же факторы плазмы имеют доказанный антибактериальный эффект, что позволяет ускорять заживление инфицированных ран и язв у онкологических пациентов. Более того, воздействие плазмы повышает местный иммунитет.

В иностранной научной литературе описывается несколько вариантов применения низкотемпературной плазмы в экспериментальном лечении рака – непосредственная обработка поверхности плазмой и введение инъекций с заряженными частицами.

Механизмы воздействия атмосферной плазмы на раковые клетки

Известны следующие сферы применения плазмы в онкологии. Первый отчет об использовании плазмы в онкологии был опубликован в 2007 году, в нем была продемонстрирована инактивация клеток меланомы in vitro после лечения плазмой. Последующие исследования предоставили доказательства противоопухолевого эффекта плазмы при нескольких типах рака, таких как рак головного мозга, рак кожи, молочной железы, колоректальный рак, рак легких, шейки матки, лейкоз, рак поджелудочной железы, печени, а также рак головы и шеи¹.

Холодная атмосферная плазма, частично ионизированный газ, представляет научный интерес в качестве нового метода лечения рака. Плазма продуцирует различные физико-химические факторы, в первую очередь активные формы кислорода и азота (АФК/АФА), которые в супрафизиологической концентрации вызывают гибель раковых клеток. Помимо инактивации опухолевых клеток, не менее важным аспектом является воспалительный контекст, при котором гибель клеток может подавлять или стимулировать реакции иммунных клеток. В основном это обусловлено высвобождением молекулярных паттернов, связанных с повреждением (DAMPs), которые провоцируют иммуногенную гибель раковых клеток (ICD), что, в свою очередь, активирует клетки врожденной иммунной системы для повышения адаптивного противоопухолевого иммунитета. Ключевая роль иммунной системы в лечении рака в целом подчеркивается многими клиническими испытаниями и историями успеха применения иммунотерапии на основе контрольных точек. Следовательно, возможность плазмы индуцировать ICD в опухолевых клетках и стимулировать системный иммунитет, направленный на раковые поражения, также представляет научный интерес¹.

Активные формы кислорода и азота

Вследствие измененного метаболизма и митохондриальной дисфункции раковые клетки часто производят больше внутриклеточных АФК, чем доброкачественные клетки. В некоторых исследованиях показано, что повышенное количество внутриклеточных АФК в раковых клетках делают их более восприимчивыми к внеклеточным АФК. К внеклеточным АФК, генерируемым плазмой, относятся супероксид-анион, перекись водорода, пероксинитрит, нитрит, нитрат, гидроксильные радикалы, атомарный кислород, озон и синглетный дельта-кислород.

Одна из гипотез заключается в том, что наличие аквапоринов, а также более низкий уровень холестерина в мембране раковых клеток по сравнению с доброкачественными, увеличивает проницаемость АФК через мембрану раковой клетки, предположительно за счет перекисного окисления липидов. В результате большее количество АФК, вырабатываемых плазмой, транспортируется к раковым клеткам, что в конечном итоге приводит к их гибели. Гибель клеток является следствием внутриклеточной передачи сигналов, регулируемой такими путями, как преобразователь сигнала и активатор транскрипции 3 (STAT3), MAP-киназа (MAPK) и фосфатидилинозитол-3-киназы (PI3K) через AKT (протеинкиназа B). Таким образом, лечение плазмой может избирательно воздействовать на раковые клетки благодаря их уникальным свойствам¹.

Одним из основных преимуществ плазмы по сравнению с традиционными методами лечения является возможность селективного воздействия на раковые клетки. Для объяснения этого феномена можно выдвинуть несколько гипотез. Во-первых, окислительный стресс превышает предельный уровень для выживания раковых клеток. Во-вторых, раковые клетки обнаруживают большее количество аквапоринов на своих мембранах. Эти аквапорины увеличивают проникновение АФК в раковые клетки. Наконец, диффузия АФК связана с холестериновым составом клеточной мембраны. Перекисное окисление мембранных липидов приводит к образованию пор и увеличивает диффузию реактивных частиц. Мембрана раковых клеток содержит меньше холестерина, чем мембрана здоровых клеток. Более низкая фракция холестерина приводит к тому, что клетки становятся менее устойчивыми к перекисному окислению, что приводит к увеличению диффузии активных веществ и окислительному стрессу².

Известно несколько способов гибели клеток, включая некроз, апоптоз, некроптоз, аутофагию и пироптоз. Эти пути могут быть терапевтической мишенью для контроля и разрушения раковых клеток. Дерегуляция передачи сигналов клеточной смерти является отличительной особенностью раковых клеток, и многие методы лечения рака нацелены на механизм передачи сигналов апоптоза, включая рецепторы клеточной смерти и митохондриальные сигнальные пути. Прямая обработка плазмой или введение жидкости, обработанной плазмой (PTL), увеличивает количество внутриклеточных АФК, влияя на различные факторы передачи сигналов гибели клеток в опухолевых клетках. Соответственно, нацеливание на белки или киназы, участвующие в передаче сигналов клеточной смерти, может эффективно индуцировать апоптоз и смерть раковой клетки¹.

Проведенные исследования

• В Грайфсвальде, Германия, клиницисты исследовали клиническое применение холодной атмосферной плазмы у 21 пациента с распространенным раком головы и шеи в паллиативных условиях. Целью данного исследования была оценка изменений поверхности опухоли и соотношения апоптотических раковых клеток соответственно в группе I и группе II. Среди 12 пациентов в группе I не наблюдалось усиленного или стимулированного роста опухоли в течение двух недель после лечения плазмой. Результат у 9 пациентов в группе II показал более частые апоптотические клетки в участках ткани, обработанных плазмой, чем в необработанных участках.
• Кроме того, немецкие клиницисты использовали плазменный аппарат для лечения шести пациентов с нарушениями заживления ран после челюстно-лицевых хирургических вмешательств. Размер и локализация дефекта во всех случаях были разными, поэтому плазмотерапию начинали в разные сроки послеоперационного периода — с 2 по 42 неделю. Первичный результат показал полное заживление, определяемое как закрытие раны и отсутствие каких-либо признаков инфекции. Кроме того, вторичные результаты показали полную ремиссию после 48 недель лечения плазмой. В этом исследовании рассматривались некоторые терапевтические свойства плазмы, включая антибактериальный эффект, стимуляцию восстановления тканей, регенерацию, неоваскуляризацию и микроциркуляцию кожи. Судя по результатам, плазма является многообещающим подходом для лечения хронических нарушений заживления ран, возникших в результате челюстно-лицевых операций¹.
• В двух других исследованиях было изучено применение НАП у пациентов с раком головы и шеи в качестве паллиативного лечения или перед резекцией опухоли. Такой терапевтический выбор можно объяснить способностью НАП обеззараживать, лечить сильно инфицированные раны или язвы и индуцировать апоптоз в клеточных линиях рака головы и шеи. В недавнем клиническом наблюдении Метельманн и соавторы исследовали влияние плазмы на поверхность опухолей плоскоклеточного рака головы и шеи. Результаты показали улучшение качества жизни пациентов (уменьшение запаха и использования анальгетиков), уменьшение опухоли и значительное улучшение обеззараживания опухоли².
• Было проведено исследование ex vivo по влиянию АФК, полученных из холодной атмосферной плазмы, на метастатическую пункбиопсию меланомы кожи. Разрезанные ткани окрашивали по методу DAPI (окрашивание ядер) и оценивали индукцию апоптоза с использованием TUNEL. Качественный анализ показал увеличение количества инапоптотических клеток после воздействия физической плазмой. Был проведен количественный анализ изображений по десяткам полей зрения. Что касается процента апоптотических клеток, заметное увеличение наблюдалось в группе лечения плазмой по сравнению с необработанной контрольной тканью. Среднее увеличение количества апоптотических клеток после лечения плазмой составило 10%⁴.
• Применение НАП в онкологии продемонстрировало замечательные противораковые эффекты in vitro на клеточных линиях, включая, например, меланому, плоскоклеточный рак кожи, поджелудочную железу, печень, желудок, толстую кишку, простаты или мочевого пузыря, молочной железы, рака головы и шеи, остеосаркомы, глиобластомы, лимфомы, острый миелоидный лейкоз, множественная миелома, фибросаркома человека или рак легких, а также типы солидных опухолей in vivo на животных (мышах) моделях, например, толстой кишки, молочной железы, рака предстательной железы, холангиокарциномы, шванномы, глиобластомы или меланомы⁵.
• Несколько линий клеток рака головы и шеи были исследованы на предмет влияния физической плазмы на их пролиферацию и клеточную активность. В большинстве этих экспериментальных исследований in vitro использовались линии клеток плоскоклеточной карциномы полости рта SCC-15, а также SCC-25, и подчеркивалась их индуцированная плазмой инактивация из-за снижения роста клеток, индукции апоптоза и вторичного повреждения ДНК, особенно через АФК, полученные из плазмы. Были также протестированы другие клеточные линии HNSCC, демонстрирующие одну или несколько характеристик, связанных с опухолевой токсичностью плазмы. Кроме того, было показано, что HNSCC более склонны к физической обработке плазмой, чем доброкачественные клетки, поскольку жизнеспособность последних существенно не снижается после применения плазмы. Тот факт, что плазма избирательно воздействует на раковые клетки, оставляя незлокачественные типы клеток, такие как фибробласты человека (например, фибробласт десны человека-1 (HGF-1), HS-K и IMR-SV-90) или кератиноциты человека (HaCaT) без изменений, делает плазму многообещающим инструментом для адъювантной терапии рака головы и шеи⁶.

Побочные эффекты плазменной обработки

• Любое медицинское лечение должно отвечать как требованиям эффективности, так и безопасности. Хотя во многих исследованиях изучалась эффективность лечения плазмой при многих типах заболеваний, исследования по ее безопасному применению проводятся реже. Основные агенты биомедицинского плазменного воздействия – АФК, также образуются в ходе физиологических процессов в организме. Следовательно, АФК не являются токсичными или опасными сами по себе, но их повышенная концентрация или частота применения могут быть таковыми. Чтобы понять это с практической точки зрения, необходимо упомянуть, что H₂O₂ в молярных концентрациях (например, 3% соответствует 1М) используется для дезинфекции ран и в стоматологии. Для сравнения: для достижения концентрации 1 М H₂O₂ в 1 мл физиологического раствора время плазменной обработки составит 30 000 минут (или 500 часов) для аккредитованной аргоноплазменной струи. Для in vitro, in vivo (мыши) и лечения пациентов этой струей типичное время лечения составляет от 5 до 3 минут. Этот расчет подчеркивает, что дозы АФК, генерируемые при обработке плазмой, варьируются от индуцирования передачи сигналов, связанных с АФК (гибель клеток), а не от перегрузки клеток некротическими дозами АФК, и могут учитываться в большинстве используемых в настоящее время плазменных устройств, подходящих для медицинских целей.
• Тем не менее, было проведено несколько исследований безопасности, особенно для хорошо изученного прибора kINPen MED. Эта плазменная струя не вызывает мутагенных эффектов, как показано с использованием аккредитованного ОЭСР теста HRPT и микроядерного анализа с блокировкой цитокинеза. Примечательно, что фосфорилирование гистона 2A-X, по-видимому, является вторичным событием, обусловленным плазма-индуцированной гибелью клеток, а не прямым повреждением ДНК. In vivo образования микроядер не наблюдалось. В модели заживления ран на мышах животных обрабатывали плазмой в течение семи дней с использованием kINPen, а год спустя животных исследовали с помощью МРТ, КТ, гистопатологии и анализа опухолевых маркеров в крови и ткани. Никакого образования опухоли или какого-либо другого вредного долгосрочного эффекта не наблюдалось. Что касается тканей слизистой оболочки у мышей, воздействие плазмы вызывало легкое воспаление, а эпителиальные слои заживали без признаков гиперплазии или дисплазии. Побочные эффекты у пациентов были недавно обобщены и в настоящее время распространены на первые 5 лет наблюдения за ранами, обработанными плазмой. У пациентов, страдающих распространенным плоскоклеточным раком головы и шеи, после лечения плазмой в некоторых случаях наблюдались некоторые побочные эффекты, такие как неприятный вкус, усталость и кровотечение. Однако все побочные эффекты были легкими или умеренными и не опасными для жизни¹.
• У пациентов с опухолями, проходивших плазменную терапию, во время лечения не было зарегистрировано никаких тяжелых или серьезных побочных эффектов. Некоторые пациенты жаловались на сухость во рту, неприятный вкус, утомляемость и резкую боль после длительных сеансов терапии. В некоторых из обработанных опухолей наблюдался коллатеральный отек, а также поверхностное кровотечение, а в одном случае наблюдался подслизистый некроз. Тем не менее, нежелательные эффекты всегда были легкими или умеренными, но никогда не угрожали жизни. Даже если плоскоклеточный рак области головы и шеи относится к числу наиболее легко доступных опухолей для физического плазменного лечения, некоторые участки опухоли остаются крайне недоступными. Частично это связано с тем, что поток плазменной струи перпендикулярен наконечнику, тогда как в некоторых ситуациях поток плазмы, наклоненный в сторону на 60–90°, был бы идеальным для достижения всех поверхностей опухоли. Тем не менее, HNSCC представляет собой хирургическую проблему для резекции, поскольку опухоли возникают вблизи жизненно важных структур, важных для дыхания, вокализации и глотания, поэтому физическая плазма кажется многообещающим инструментом для лечения этой области. После десятков сеансов плазменного лечения у нескольких пациентов наблюдались десмопластические реакции в опухолевой ткани. Этот потенциальный побочный эффект приводит к жесткой топологии и морфологии опухоли с обилием фибробластов и коллагена, что может препятствовать проникновению лекарств, с одной стороны, и АФК от последовательного лечения плазмой, с другой. Хотя это нежелательный эффект, газоплазменная терапия в настоящее время применяется только у пациентов с HNSCC в паллиативных целях, при этом терапевтического выбора не остается, и эти пациенты получают существенную пользу от опосредованного плазмой облегчения боли, антимикробного эффекта и частичной регрессии опухоли до тех пор, пока заболевание не приведет к фатальному исходу⁶.