En plus de la radiothérapie et de la chimiothérapie, le cancer peut également être traité par la lumière !

Auteur : Zhao Guohui (Institut d'optique et de mécanique de précision de Shanghai, Académie chinoise des sciences)

L'article provient du compte officiel de l'Académie des sciences (ID : kexuedayuan)

Traiter le cancer ? Vous pensez probablement à la chirurgie, à la radiothérapie, à la chimiothérapie et à l’immunothérapie, mais saviez-vous que la « lumière » peut également combattre le cancer !

La thérapie photodynamique est une nouvelle technologie de traitement sélectif introduite à la fin des années 1970 et qui s’est développée rapidement ces dernières années. Cette thérapie présente les avantages d’un moindre traumatisme, d’une bonne sélectivité, d’une faible toxicité et d’aucune résistance aux médicaments.

Figure 1 Thérapie dynamique à deux photons (Source : Shanghai Dragon TV)

La réalisation d’imagerie optique, le diagnostic et le traitement des tumeurs profondes ont toujours été l’orientation des efforts des chercheurs dans des domaines de recherche interdisciplinaires tels que la biomédecine et l’optique. L'Institut d'optique et de mécanique fine de Shanghai de l'Académie chinoise des sciences, en collaboration avec l'Université des sciences et technologies de Hong Kong, a récemment réalisé un diagnostic et un traitement de tumeurs profondes chez la souris à l'aide d'un laser femtoseconde de 800 nm dans une étude de thérapie photodynamique à deux photons, offrant une nouvelle option de diagnostic et de traitement pour le traitement des tumeurs des tissus profonds. L'article connexe « Nanobipyramides d'or chargées d'AlPcS avec une efficacité élevée à deux photons pour la thérapie photodynamique in vivo » a été publié dans la revue académique Nanoscale (cliquez sur « Lire le texte original » pour lire l'article).

Trois étapes pour comprendre la thérapie photodynamique

La thérapie photodynamique est une nouvelle méthode de traitement des tumeurs utilisant trois éléments : un photosensibilisateur, un laser et des molécules d’oxygène. En voyant cela, vous vous posez peut-être beaucoup de questions : que sont les diphotons ? Que sont les photosensibilisateurs ? Comment traitent-ils les tumeurs ?

Deux photons : Lorsqu'un photosensibilisateur unitaire est excité par un laser, deux photons sont nécessaires pour participer simultanément à la réaction.

Photosensibilisateur : Un composé qui peut absorber les photons et transférer de l'énergie aux molécules d'oxygène pendant la thérapie photodynamique. Il équivaut à un intermédiaire pour le transfert d’énergie.

La thérapie dynamique à deux photons pour le traitement des tumeurs est principalement divisée en trois étapes (l'animation est dessinée par l'auteur) :

La première étape consiste à identifier avec précision les cellules tumorales. Cette étape est principalement réalisée par le photosensibilisateur et le véhicule de distribution du photosensibilisateur. Le véhicule de distribution du photosensibilisateur est comme un véhicule de transport qui correspond au photosensibilisateur et transporte le photosensibilisateur jusqu'à l'emplacement cible. Actuellement, une méthode relativement efficace et précise consiste à modifier les molécules de ciblage sur la surface du support ou du photosensibilisateur, qui peuvent se lier aux récepteurs à la surface des cellules tumorales sans se lier aux cellules normales, puis pénétrer dans les cellules tumorales par endocytose.

Dessiné par l'auteur

Dans la deuxième étape, le laser irradie la zone marquée. Lorsqu'il n'y a pas d'irradiation lumineuse, le photosensibilisateur a une bonne stabilité dans l'obscurité et restera « tranquillement » à l'intérieur des cellules tumorales, sans aucun effet secondaire toxique. Lorsque le laser irradie le tissu tumoral, le support de distribution chargé du photosensibilisateur sera excité par deux photons pour atteindre l'état singulet, puis atteindra l'état triplet par croisement intersystème. Étant donné que la durée de vie à l'état triplet est longue, il peut réagir avec l'oxygène environnant, l'eau, etc. pour produire de l'oxygène singulet, des ions superoxydes, des radicaux libres et d'autres substances actives. Ces substances actives possèdent de fortes propriétés oxydantes ou réductrices.

Dessiné par l'auteur

La troisième étape consiste à éliminer les cellules tumorales. Les espèces réactives de l’oxygène peuvent éliminer les cellules cancéreuses de trois manières principales : la première consiste à détruire les microvaisseaux proches du tissu tumoral, ce qui provoque un apport sanguin insuffisant aux lésions et conduit indirectement à la mort des cellules tumorales ; une autre consiste à se combiner avec des protéines intracellulaires, de l’ADN, des lipides, etc. pour inactiver les cellules et provoquer l’apoptose, la nécrose ou l’autophagie des cellules tumorales ; Une autre méthode consiste à induire localement des réactions inflammatoires d’urgence non spécifiques et une série de réactions immunitaires ultérieures, qui ont un effet systémique soutenu sur l’inhibition et la destruction des tumeurs.

Dessiné par l'auteur

Comment résoudre les deux problèmes majeurs ?

Actuellement, des photosensibilisateurs basés sur la thérapie photodynamique sont mis en usage clinique. Par exemple, le monoacide dérivé de la benzoporphyrine, un photosensibilisateur, a été approuvé par la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis en 2000 pour le traitement clinique du cancer et de la dégénérescence maculaire rétinienne ; L'éther monométhylique d'hématoporphyrine développé par la deuxième université médicale militaire de mon pays a également été commercialisé et approuvé pour le traitement clinique des taches de vin.

Cependant, l’application clinique de la thérapie photodynamique est actuellement limitée aux maladies de la peau ou aux tumeurs superficielles. Les principaux inconvénients de cette thérapie sont les suivants : 1. Le photosensibilisateur ne cible pas suffisamment les tissus tumoraux et présente des défauts tels que la phototoxicité ; la phototoxicité signifie qu'une fois la thérapie photodynamique terminée, le photosensibilisateur ne peut pas être immédiatement métabolisé et excrété par l'organisme. Lorsque le patient est exposé à la lumière du soleil, à des lampes fluorescentes et à d’autres sources lumineuses, le photosensibilisateur retenu dans les tissus normaux peut encore subir une thérapie photodynamique, détruisant les cellules normales et produisant une phototoxicité ; 2. Étant donné que le photosensibilisateur doit réagir avec la lumière et que la lumière a une faible capacité de pénétration dans les tissus humains, il est difficile d'effectuer un traitement en profondeur.

Cette fois, l'Institut d'optique et de mécanique fine de Shanghai a principalement résolu le problème de la faible pénétration de la lumière dans la recherche sur la thérapie photodynamique.

Ils ont conçu et testé de nouvelles nanobipyramides d’or pour charger des photosensibilisateurs.

Les nanobipyramides d'or sont chimiquement inertes et présentent une très faible toxicité biologique, une amélioration du champ électrique local plus forte et des effets de section efficace à deux photons extrêmement élevés. Sa section efficace d'action à deux photons est de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle du photosensibilisateur lui-même, et il peut transférer l'énergie au photosensibilisateur attaché plus efficacement, sensibilisant indirectement les molécules d'oxygène et produisant plus d'oxygène réactif.

Afin de permettre à la lumière d'atteindre des zones plus profondes, ils ont utilisé un laser à impulsion femtoseconde de 800 nm dans la fenêtre bio-optique (c'est-à-dire la gamme de longueurs d'onde où la profondeur de pénétration de la lumière dans les tissus biologiques atteint le maximum) pour irradier la zone marquée. Dans le même temps, la lumière laser de cette longueur d’onde présente également moins de phototoxicité pour les tissus et les cellules normaux.

Quelle est l’efficacité du traitement du cancer à deux photons ?

Cette thérapie est-elle efficace pour les cancers plus profonds ? Utilisons des données expérimentales pour parler.

Les expérimentateurs ont établi un modèle de tumeur chez la souris. Lorsque la tumeur a grandi pendant 2 semaines et a atteint une taille d'environ 100 à 150 mm3, les chercheurs ont divisé au hasard les souris porteuses de tumeur en quatre groupes et ont mis en place quatre expériences :

1. Groupe solution tampon (PBS) ;

2. Photosensibilisateur : groupe phtalocyanine d’aluminium (AlPcS) ;

3. Support de délivrance du photosensibilisateur : nanobipyramide d'or (GBP) ;

4. Complexe de photosensibilisateur et de véhicule de distribution (GBP-AlPcS).

Le premier groupe d’expériences a servi de groupe témoin et les trois autres groupes ont servi de groupes expérimentaux.

Quatre groupes de souris ont été injectés avec les médicaments correspondants, puis irradiés avec un laser femtoseconde de 800 nm à une intensité de 2,8 W/cm2 pendant 30 minutes 2 heures après l'injection. Les souris ont été injectées avec des médicaments et irradiées les jours 1 et 9, respectivement. Le poids corporel et la taille de la tumeur ont été mesurés tous les deux jours après le traitement, et enfin, les tissus tumoraux ont été retirés de souris représentatives 18 jours après le début du traitement. Comparez les effets du traitement tumoral et ses effets secondaires toxiques sur l'organisme.

Les résultats expérimentaux sont présentés dans la figure ci-dessous :

Figure 2 Évolution du poids corporel et du volume tumoral des souris au fil du temps (Source de l'image : article)

Figure 3 État des tumeurs après les quatre groupes d'expériences (Source de l'image : article)

Les résultats ont montré qu’il y avait une inhibition significative de la croissance tumorale dans le groupe 4. La figure 2-A montre que tous les groupes ont montré une augmentation modérée du poids corporel et un taux de survie de 100 %, indiquant que l’agent théranostique sélectionné n’avait pas de toxicité aiguë significative. La tendance de la figure 2-B montre que l’effet inhibiteur du GBP-AlPcS sur la croissance tumorale sous irradiation à 800 nm fs est significatif. La figure 3 montre des lésions hémorragiques évidentes au niveau du site tumoral des souris du groupe 4, indiquant une inhibition tumorale efficace. Cependant, les tumeurs des groupes 1 et 2 ont connu une croissance significative au cours de la période d'étude, ce qui indique que ni l'irradiation lumineuse seule ni l'injection d'AlPcS seule ne pouvaient inhiber la croissance tumorale.

Cette expérience montre que l’agent de diagnostic thérapeutique GBP-AlPcS n’a pas de toxicité aiguë évidente et peut inhiber de manière significative la croissance des tumeurs des tissus profonds dans le corps.

Afin de mieux comprendre les effets thérapeutiques des différentes méthodes, les tissus tumoraux, ainsi que les organes cardiaques, hépatiques, spléniques, pulmonaires et rénaux de chaque groupe de souris traitées ont été traités et observés. Les résultats expérimentaux sont présentés respectivement dans les figures 4 et 5 :

Figure 4 Morphologie cellulaire (en haut) et apoptose cellulaire (en bas) des sections tumorales dans chaque groupe expérimental (Source de l'image : article)

Figure 5 Images de coloration des principaux organes de souris expérimentales (Source : Article)

Comme le montre la figure 4, une nécrose tumorale clairement étendue n'a été observée que dans les tumeurs traitées par GBP-AlPcS. Dans le groupe traité par GBP, des zones nécrotiques dispersées étaient entourées de cellules malignes et accompagnées d'atypies nucléaires. Cela peut être dû à l'effet photothermique du GBP sous irradiation laser fs. Dans les groupes traités au PBS et à l'AlPcS libre, les sections colorées au H&E et au TUNEL n'ont montré aucune nécrose tumorale évidente. Les résultats ont montré que le GBP-AlPcS peut être utilisé comme agent de thérapie dynamique à deux photons hautement efficace.

Comme le montre la FIG5, les médicaments comprenant l'AlPcS libre, le GBP et le traitement GBP-AlPcS n'ont pas causé de dommages significatifs aux tissus normaux, notamment au cœur, au foie, à la rate, aux poumons et aux reins, ce qui indique que cette thérapie n'a pas eu d'effets secondaires observables ni de toxicité sur les tissus normaux.

Avenir : La pénétration et la haute précision sont nécessaires !

Le composite GBP-AlPcS présente un grand potentiel de traduction clinique de la preuve de concept à la pratique clinique réelle, et les résultats expérimentaux montrent que le système a le potentiel d'améliorer la profondeur thérapeutique et la précision de la thérapie photodynamique traditionnelle.

Dans le prochain plan de recherche, les chercheurs rechercheront des sources lumineuses à pénétration plus forte et des photosensibilisateurs adaptés pour y correspondre, s'efforçant d'obtenir à la fois une pénétration et une haute précision dans le traitement des tumeurs.

À l’avenir, le cancer pourrait vraiment être « éradiqué » !