Photodynamische Therapie: Krebs sanft mit sichtbarem Licht töten

Sie sind wahrscheinlich mit der Röntgenstrahlentherapie zur Behandlung von Krebs vertraut. Aber wissen Sie, dass Röntgenstrahlen ionisierende Strahlung sind, die neben der Abtötung von Krebszellen auch viele Gewebe schädigen kann? Simphotek und andere verwenden nahinfrarotes oder „sanftes“ sichtbares Licht, dessen Wellenlänge länger als Röntgenstrahlen ist und eine viel geringere Energie aufweist, sodass es weniger Nebenwirkungen verursacht.

Genau dies kann mit der neuartigen Therapiemethode Photodynamische Therapie (PDT) erreicht werden. PDT verursacht keine Übelkeit wie eine Chemotherapie, schädigt kein normales Gewebe wie Röntgenstrahlung und erfordert auch nicht die Entfernung oder Beschädigung von Körperteilen wie bei einer Operation.

Bei der PDT werden Licht (normalerweise von einem Laser bereitgestellt), ein lichtempfindliches Medikament und molekularer Sauerstoff verwendet, um mehrere Kaskadenereignisse auszulösen, die einen zytotoxischen Wirkstoff, Singulett-Sauerstoff, erzeugen, der Krebszellen abtötet. Es gibt verschiedene Formen der PDT-Behandlung, einschließlich der externen Strahl- oder Oberflächenbehandlung (EB-PDT), der intrakavitären oder intraoperativen Behandlung (icavPDT) und der interstitiellen Behandlung (I-PDT). Die erste Methode wird hauptsächlich bei Hauterkrankungen und Krebserkrankungen eingesetzt, wobei das Medikament oberflächlich aufgetragen und der behandelte Bereich Licht ausgesetzt wird. Die icav-PDT wird in der Regel nach einem chirurgischen Eingriff, beispielsweise einer Lungenoperation, durchgeführt, bei der entweder ein Hohlraum vorhanden ist oder durch den Eingriff entstanden ist.

Ein lichtempfindliches Medikament wird in den Körper verabreicht und durch das Laserlicht der Behandlung „aktiviert“. I-PDT wird zur Behandlung von soliden Krebsarten eingesetzt, die tiefer im Körper liegen, wie z. B. Gehirn, Speiseröhre, Blase, Kopf und Hals, Cholangiokarzinom, Lunge und Prostata. Licht breitet sich im Gewebe nur über wenige Millimeter aus, daher muss für eine erfolgreiche Behandlung ein weiterer Mechanismus hinzugefügt werden. Bei diesen Behandlungen werden zylindrische, streuende optische Fasern verwendet, die das Licht von externen Lasern direkt in die Tumore tunneln und es gleichmäßig in den Krebsbereichen verteilen.

Die Menge des abgegebenen sichtbaren Lichts ist wichtig, da sie über einem therapeutischen Schwellenwert liegen sollte, der in früheren und aktuellen klinischen Studien festgelegt wurde. Da es praktisch unmöglich ist, überall im Tumor Messungen durchzuführen, um sicherzustellen, dass die Lichtdosis korrekt abgegeben wird, werden vor Beginn der Behandlung Computersimulationen durchgeführt, die auf fortschrittlichen mathematischen Modellen der Lichtausbreitung im menschlichen Gewebe basieren. Die EB-PDT kann ohne umfangreiche mathematische Simulationen durchgeführt werden, aber die letzten beiden Arten der photodynamischen Therapie erfordern fortgeschrittene mathematische Simulationen, um festzustellen, ob die vorgeschriebene Lichtmenge an verschiedene Abschnitte des Tumors abgegeben wird, sodass sie ausreicht, um Krebszellen abzutöten .

Simphotek wurde vom National Institute of Health (NIH) der Vereinigten Staaten bei der Entwicklung eines solchen Simulationsforschungstools für solide Krebsarten unterstützt und trägt den Namen Dosie™.

Es gibt verschiedene Simulationsmethoden, die bestimmte Aspekte des Prozesses der photodynamischen Therapie modellieren können, sie decken jedoch nicht alles ab, was für eine vollständige Simulation der Krebsbehandlung erforderlich ist. Nach unserem besten Wissen ist Dosie das erste umfassende Tool zur Simulation des PDT-Prozesses, einschließlich der Lichttransport-, Arzneimittel- und molekularen Sauerstoffwechselwirkungen, um den zytotoxischen Wirkstoff Singulett-Sauerstoff zu erzeugen, der Krebs abtötet. Die Behandlung von Krebs ist komplex und erfordert ebenso wie die Strahlentherapie hochentwickelte Computersimulationen.

Beginnend mit einem CT-Scan oder MRT des Tumors wird ein detailliertes 3D-Modell des Tumors und seiner Umgebung erstellt. Mithilfe modernster 3D-Grafiken kann Dosie den Arzt während der icav-PDT- oder I-PDT-Behandlung nahezu in Echtzeit anleiten, um den Teil des Tumors zu visualisieren, der eine therapeutische Dosis sichtbaren Lichts erhält, um ein gleichmäßiges Licht zu gewährleisten Lieferung. Einer der Vorteile von Dosie ist die Fähigkeit, nicht nur die herkömmliche Lichtdosis, sondern auch die hochmoderne PDT-Dosis (die die Schwankung der Arzneimittelkonzentration im Tumor einschließt) und die Singulett-Sauerstoff-Dosis (das heißt) abzuschätzen schätzt die Menge des krebstötenden Wirkstoffs und seine Verteilung). Der am weitesten verbreitete PDT-Typ ist die EB-PDT, die für den Großteil des weltweiten PDT-Marktes verantwortlich ist. Der Gesamtmarkt wird bis Ende 2031 voraussichtlich mehr als 15,1 Milliarden US-Dollar erreichen und von 2022 bis 2031 mit einer jährlichen Wachstumsrate von 13,5 % wachsen (1).

Es wird erwartet, dass Nordamerika aufgrund der hohen Akzeptanzrate und der Einführung neuer Produkte durch Marktteilnehmer den Markt für photodynamische Therapie dominieren wird (2). Simphotek und seine akademischen Mitarbeiter haben eine Reihe verschiedener Krebsarten behandelt, aber die jüngste ist nicht-kleinzelliger Lungenkrebs, der sich als endobronchiales Tumorwachstum in der Nähe oder innerhalb der Atemwege manifestiert. Leider kann der Tumor so groß werden, dass er den Bronchus blockiert und dadurch auch mit mehreren anderen Geweben, einschließlich Blutgefäßen, verflochten wird. Die Mischung verschiedener Gewebe erschwert die Behandlungsplanung.

Es wird erwartet, dass Nordamerika aufgrund der hohen Akzeptanzrate und der Einführung neuer Produkte durch Marktteilnehmer den Markt für photodynamische Therapie dominieren wird (2). Simphotek und seine akademischen Mitarbeiter haben eine Reihe verschiedener Krebsarten behandelt, aber die jüngste ist nicht-kleinzelliger Lungenkrebs, der sich als endobronchiales Tumorwachstum in der Nähe oder innerhalb der Atemwege manifestiert. Leider kann der Tumor so groß werden, dass er den Bronchus blockiert und dadurch auch mit mehreren anderen Geweben, einschließlich Blutgefäßen, verflochten wird. Die Mischung verschiedener Gewebe erschwert die Behandlungsplanung.

Die maligne Obstruktion der zentralen Atemwege (MCAO) wird für Patienten mit Lungenkrebs zu einem ernsten Problem. Lungenkrebs ist die häufigste Krebsart und die häufigste Todesursache bei Männern und Frauen (3). Die American Cancer Society schätzt, dass es im Jahr 2023 in den Vereinigten Staaten etwa 238.340 Fälle von Lungenkrebs (67.160 bei Männern und 59.910 bei Frauen) geben wird (3).

Die weltweiten Einnahmen auf dem Lungenkrebsmarkt beliefen sich im Jahr 2021 auf 21,1 Milliarden US-Dollar und stiegen bis 2030 auf 67,9 Milliarden US-Dollar mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 14,1 % von 2022 bis 2030. Nordamerika dominierte mit einem Anteil von mehr als 35,5 % am Lungenkrebsmarkt im Jahr 2021 (4). Lungenkrebs wird häufig durch Bestrahlung und Chemotherapie behandelt, was zu schädigenden Auswirkungen auf nicht krebsartiges Gewebe führen kann. Die Anwendung der PDT führt nicht zu diesen gewebeschädigenden Problemen. Darüber hinaus ist die PDT eine Therapieoption bei inoperablem Lungenkrebs, bei der andere Möglichkeiten ausgeschöpft sind (5). Ein wachsendes Problem für Lungenkrebspatienten sind Atemwegsobstruktionen, die sich als intrinsische (endobronchiales Tumorwachstum), extrinsische (extrabronchiale Tumorkompression) oder gemischte Obstruktionen manifestieren können.

Derzeit sind zusätzliche Behandlungsmöglichkeiten und zahlreiche Krankenhausbesuche erforderlich, um diese Patienten zu behandeln und das Ansprechen und Überleben des Tumors zu verbessern. Im Gegensatz dazu gibt es bei endobronchialen Obstruktionen mehrere Behandlungsmöglichkeiten, darunter chirurgische Eingriffe oder Wärmebehandlungen mit anschließender Stentimplantation der Atemwege. Die Therapieoptionen für endo-/extrabronchiale (Misch-)Tumoren sind derzeit begrenzt und werden mit Stents nach Ballondilatation behandelt. Parallel zur Entwicklung der interventionellen Pneumologie wird die photodynamische Therapie aufgrund ihres geringen Traumas, ihrer hohen Spezifität und ihrer Kompatibilität mit herkömmlichen oder gängigen Therapien bei der Behandlung bösartiger Atemwegstumoren eingesetzt (5). Simphotek und seine akademischen Mitarbeiter sind an einer klinischen Studie der Phase I/IIa (NCT03735095) zur Behandlung von MCAO beteiligt.

Diese Therapie wird aufgrund fortgeschrittenen primären Lungenkrebses immer häufiger eingesetzt (6). In dieser Studie wird zur Behandlung von MCAO ein Ultraschallsystem (Endobronchial Ultrasound, EBUS) verwendet, das den Tumor abbildet und Fasereinführungen in den Tumor führt, um ihn mit I-PDT zu behandeln. Vor der Behandlung wird ein CT-Scan des Brustkorbs durchgeführt, um die Atemwege, den Tumor und das Ausmaß der möglicherweise vorhandenen Blockade zu identifizieren.

Dies wird vom Studienteam in Dosie importiert, um die Behandlung zu simulieren.

Die Ergebnisse von Simulationen helfen dabei, spezifische Parameter für die Behandlung zu bestimmen: die Laser- und Streufaserkonfigurationen. Das Ziel besteht darin, das größte Tumorvolumen bei möglichst geringer Belastung der großen Blutgefäße oder anderer empfindlicher Bereiche zu behandeln. Wir hoffen, dass wir mit dieser klinischen Studie unserem Ziel, Patienten so sicher und effektiv wie möglich zu behandeln, einen Schritt näher kommen.

Wir haben eine neuartige lichtbasierte Methode zur Behandlung solider Krebserkrankungen mit weniger Nebenwirkungen als herkömmliche Methoden beschrieben.