Tài liệu Mô phỏng sự lan truyền của photon năng lượng thấp ứng dụng trong quy hoạch điều trị bằng phương pháp quang động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỖ HÙNG DŨNG MÔ PHỎNG SỰ LAN TRUYỀN CỦA PHOTON NĂNG LƯỢNG THẤP ỨNG DỤNG TRONG QUY HOẠCH ĐIỀU TRỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010 1 2 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Khoa Vật Lý, Phòng Sau Đại Học trường Đại Học Sư Phạm Tp.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện đề tài này. Em xin chân thành cám ơn Thầy Huỳnh Quang Linh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Em xin chân thành cám ơn các Thầy trong và ngoài Khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt quá trình học. Con xin nói lên lòng biết ơn sâu sắc đối với ông Bà, Cha Mẹ đã chăm sóc, nuôi dạy con thành người. Xin chân thành cám ơn các anh chị và bạn bè đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian học và nghiên cứu. Mặc dù em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các Thầy, Cô giáo, bạn bè và những người quan tâm tới đề tài. TP Hồ Chí Minh tháng 7 năm 2010 Học viên thực hiện Đỗ Hùng Dũng 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................3 MỤC LỤC ........................................................................................................4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................6 LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................7 CHƯƠNG 1: PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................1 1.1. Giới thiệu phương pháp quang động .................................................................... 1 1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn ...................................................................... 4 1.2.1. Mục tiêu ...................................................................................................................... 4 1.2.2. Nhiệm vụ ..................................................................................................................... 4 CHƯƠNG 2: PHẦN NỘI DUNG ..................................................................6 2.1. Tổng quan về phương pháp quang đông .............................................................. 6 2.1.1. Giới thiệu về phương pháp quang động[13] .............................................................. 6 2.1.2. Cơ sơ vật lí của phương pháp quang động [23] ........................................................ 7 2.1.3. Phưong pháp tính liều PDT ...................................................................................... 13 2.1.4. Nguồn sáng trong PDT ............................................................................................. 19 2.1.5. Chất nhạy sáng ......................................................................................................... 29 2.1.7. Các ứng dụng trong điều trị ..................................................................................... 33 2.1.8. Vấn đề về kế hoạch điều trị [10] .............................................................................. 36 2.2. Tổng quan về phương pháp Monte Carlo và sự lan truyền của photon năng lượng thấp trong mô [1] .............................................................................................. 36 2.2.1. Tổng quan về phưong pháp Monte Carlo................................................................. 36 2.2.2. Sự lan truyền của photon năng lượng thấp trong mô .............................................. 39 2.3. Chương trình mô phỏng sụ lan truyền của photon năng lưọng thấp trong mô bằng phương pháp Monte Carlo ................................................................................ 55 2.3.1. Mục tiêu của chưong trình: ...................................................................................... 55 4 2.3.2. Xác định ngôn ngữ lập trình: ................................................................................... 55 2.3.3. Nội dung của chương trình [32]: ............................................................................. 56 2.3.4. Các giai đoạn chính trong chương trình mô phỏng: ................................................ 59 2.4. Kết quả và biện luận ............................................................................................. 65 2.4.3. Nhận xét .................................................................................................................... 77 CHƯƠNG 3: PHẦN KẾT LUẬN ................................................................78 3.1. Kết luận ................................................................................................................. 78 3.2. Hướng phát triển .................................................................................................. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................79 5 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IMRT: Kỹ thuật điều chỉnh liều FDT: Photodynamic Therapy SOLD: Sự phát sáng của singlet oxygen ROS: Phản ứng oxy dặc biệt Hb: haemoglobin RTE: Phương trình bức xạ truyền qua MCML: Monte Carlo multi layers MC: Monte Carlo 6 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại ngày nay khi khoa học phát triển như vũ bão thì vật lý luôn giữ vai trò quan trong của mình. Ngành vật lý hạt nhân bên cạnh phương pháp nghiên cứu truyền thống đã bắt đầu nảy sinh những hướng đi mới. Và phương pháp mô phỏng đã phát triển nổi bật với những ưu thế của mình, giảm đi những phí tồn thí nghiệm và những hạn chế trong thực nghiệm. Đặc biệt là khi máy tính ngày càng phát triển mạnh như hiện nay thì sức mạnh của mô phỏng càng được nâng lên. Hiện nay, trên thế giới phương pháp mô phỏng Monte Carlo được áp dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực trong đó có lĩnh vực vật lý hạt nhân. Trong khuôn khổ luận văn này, phương pháp mô phỏng Monte Carlo được sử dụng để xây dựng chương trình mô phong sự lan truyền của photon năng lượng thấp trong mô sống. Với đề tài này thì mục liêu đặt ra là mô phỏng sự lan truyền của photon năng lượng thấp trong mô bằng phưcmg pháp Monte Carlo và tính phân bố liều và thông lượng trong một số cấu hình đơn giản mô phỏng trị liệu PDT tạo tiền đề tiếp cận xây dựng chưcmg trình tính toán thực tiễn. Từ mục đích và nội dung công việc đã được thực hiện đó, luận văn có bố cục gồm 3 chương như sau: Chương I: Giới thiệu về phương pháp quang động và đưa ra mục tiêu cùng như nhiệm vụ của luận văn. Chương II: Khảo sát tổng quan về phương pháp quang động, phương pháp Monte Carlo và sự lan truyền của photon năng lượng thấp trong mô. Tiến hành mô phỏng và biện luận kết quả thu được. Chương III: Kết luận và đề ra hướng phát triển của luận văn. 7 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh CHƯƠNG 1: PHẦN MỞ ĐẦU 1.1. Giới thiệu phương pháp quang động Ung thư là một trong những nguyên nhân gây tử vong cao trên toàn thế giới, đặc biệt tại các nước đang phát triển. Theo ước tính số người trên thế giới chết vì ung thư tiép tục tăng khoảng 9 triệu người vào năm 2015 và 11,4 triệu người năm 2030. [53] Tại Việt Nam. theo giáo sư Nguyễn Bá Đức, giám đốc bệnh viện K trung ương (Hà Nội), ước tính mỗi năm cả nước phát hiện ra khoảng 200.000 ca ung thư mới. Tính trung bình trong khoảng 10 năm trở lại đây, số bệnh nhân mắc ung thư tăng 2% đến 3%/năm. Mặc dù số bệnh nhân ung thư đang gia tăng nhưng các cơ sở điều trị căn bệnh này còn quá ít. Đen nay cả nước chỉ có 20 cơ sở chuyên chẩn đoán và điều trị ung thư bang bức xạ, trong đó có 2 trung tâm điều trị lớn nhất là bệnh viện K trung ương Hà Nội và bệnh viện ung bướu Thành phố Hồ Chí Minh. [5] Trước tình hình đó, việc điều trị ung thư làm cho người bệnh có thể sống tốt đẹp hơn đang là bài toán cần sự quan tâm của cả xã hội. Trong “Chương trình mục tiêu quốc gia phòng tránh một số bệnh xã hội, bệnh dịch nguy hiểm và HIV/AIDS giai đoạn dên 2010” do Phó thủ tướng thường trực chính phủ Nguyễn Sinh Hùng vừa ký ban hành đã đưa dự án phòng chống bệnh ung thư vào trở thành 1 trong 10 dự án của chương trình. [4] Trong điều trị ung thư, bên cạnh 3 phương pháp cổ điển là phẫu thuật, xạ trị và hóa trị, một số phương pháp tiên tiến hiện nay đang được sử dụng bao gồm: i. Phẫu thuật bảo tồn: Hiện nay có xu hướng tăng tỷ lệ phẫu thuật bảo tồn (đặc biệt là trong ung thư vú, phần mềm) khi bệnh còn khu trú tại chỗ. Song song với các xu hướng này, một số tác giả chủ trương tiến hành hoá trị hay xạ trị tiền phẫu làm giảm kích thước u, tạo điều kiện thuận lợi hay làm tăng tỷ lệ bảo tồn khi phẫu thuật. ii. Xạ trị hiện đại: Các dạng tia phóng xạ khác nhau có thể huỷ diệt tế bào u bằng cách truyền năng lượng cao đến chúng. Tuy nhiên, tia xạ cũng làm tổn hại đến tổ chức lành. Kỹ thuật điều chỉnh liều (IMRT) tia sẽ giúp khắc phục được nhược điểm này. Hiện có nhiều kỹ thuật hiện đại được ứng dụng để nâng cao chất lượng xạ trị như: xạ trị định vị, xạ phẫu định vị, điều trị bằng hạt ion hóa nặng vv... 1 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh iii. Điều trị tế bào: Bao gồm ghép tế bào gốc tạo máu, điều trị gen và các vacxin chống ung thư. Cùng với điều trị hoá chất liều cao, ghép tế bào gốc tạo máu rất hiệu quả trong điều trị bệnh ác tính của hệ tạo máu và các u đặc ở những bệnh nhân ít đáp ứng với liều thuốc thông thường. Ung thư còn là kết quả của đột biến hoặc khiếm khuyết chất liệu di tmyền trong các tế bào. Trong liệu pháp gen, bác sĩ lấy tế bào ra khỏi cơ thể bệnh nhân, chuyển gen để chỉnh sửa sai lạc, nuôi cấy trong phòng thí nghiệm rồi đưa trở lại cơ thể. Do công nghệ còn hạn chế, việc chuyển các gene vào trong khối u mới chỉ thực hiện được trong một vài điều kiện đặc biệt. Vacxin chống ung thư được sản xuất bằng cách dùng chính tế bào u hoặc tế bào dị gen. iv. Điều trị tăng nhiệt độ: Nhiều tình trạng bệnh lý và quá trình sinh lý chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. Táng nhiệt độ có tác dụng diệt u cả ở trong ống nghiệm và trong cơ thể sống. v. Quang động học liệu pháp (Photodynamic Therapy - PDT): tận dụng tương tác của ánh sáng với chất nhạy sáng nhằm tạo tác nhân độc tố tiêu diệt tế bào ung thư. Ở một số nước, đặc biệt tại Mỹ, PDT được chỉ định cho nhiều loại ung thư giai đoạn sớm, ung thư bề mặt và phối hợp với các phương pháp kinh điển khác để điều trị giảm nhẹ ung thư giai đoạn muộn. Kỹ thuật PDT được áp dụng lần đầu tiên vào năm 1978, tại Bệnh viện Mayor Clinic (Mỹ) bởi Dougherty. Sau đó, nó đã nhanh chóng được các nước tiên tiến như Mỹ. Nhật. Nga và các nước châu Âu áp dụng, chủ yếu là để điều trị ung thư não, phổi, bàng quang, da vv... Cơ chế vật lý cơ bản của phương pháp PDT có thể vắn tắt như sau: phân tử nhạy sáng trong tế bào hấp thụ photon với năng lượng thích hợp làm nó chuyển từ trạng thái cơ bản S o lên trạng thái diện tử kích thích singlet S1, phân tử có thể trở về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra một photon (gây nên sự huỳnh quang) nhưng cũng có thể chuyển về trạng thái kích thích triplet T1 thông qua các bước chuyển nội phân tử. Với sự hiện diện của oxy, trạng thái triplet bị phá vỡ bởi sự truyền năng lượng đến trạng thái cơ bản của phân tử oxy (302) tạo thành các singlet oxygen (102) kích thích có tính hoạt hóa cao. Chính các singlet oxy này sẽ có tác dụng độc tố tiêu diệt tế bào [54]. Như vậy, để có thể đạt mục tiêu điều trị, chúng ta phải lưu ý đến ba yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình điều trị: (1) nguồn sáng, (2) chất nhạy sáng và (3) nồng độ oxy tại đối tượng điều trị. Hiệu quả và sự phát triển của phương pháp PDT là sự phối hợp đồng bộ của quá trình nghiên cứu cơ bản và ứng dụng lâm sàng. Phưong pháp PDT được nghiên cứu đầu tiên tại Munich vào năm 1897 bởi một sinh viên y khoa. Oscar Raab dưới sự giám sát của Hermann von Tappeiner. Sau đó, Tappciner cũng đã cùng 2 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh vói đồng nghiệp của mình là Jodlbauer tập trung nghiên cứu về chất nhạy quang (photosensitization) và đưa ra kết luận rằng oxi là cần thiết cho photodynamic hoạt động vào năm 1904. Lần đầu tiên, ông đã cùng với mội bác sĩ da liễu (Jasoniek) sử dụng phương pháp PDT trong điều trị ung thư da và sử dụng eosin như là một chất nhạy sáng. Sau đó các nhà khoa học đã nghiên cứu và sử dụng 1 lematoporphyrin như là một chất nhạy quang tối ưu. Vào năm 1908, Hausmann lần đầu tiên tìm hiểu nghiên cứu về các tính chất sinh học của Hematoporphyrin. Trong những năm 1908-1913 hàng loạt các thí nghiệm đã được tiến hành với Hematoporphyrin, giải thích tại sao nó lại nhạy sáng trong khi nghiên cứu đầu tiên về độ nhạy trong cơ thể đã được tiến hành bởi Meyer-Betz vào năm 1913, người đã tự tiêm Hematoporphyrin vào cơ thể mình và nhận thấy nó có tác dụng rất giống vói ALA-PDT ngày nay. Sau đó. Mcyer và Fisher đã cùng nhau nghiên cứu về tầm quan trọng của cấu trúc porphyrin đối với hiệu quả của phương pháp PDT và đã thu được nhưng kết quả quan trọng. Việc đánh dấu khối u của porphyrin đã được quan sát bởi Policard vào năm 1924. Nó cho thấy rằng Hematoporphyrin có khả năng xác định tốt vị trí khối u ác tính trong cơ thể người nhưng nó rất khó khăn để tinh chế và do đó việc tìm kiếm chất tinh khiết để thay thế nó đã bắt đầu diễn ra. Năm 1948, Figge đã giới thiệu dẫn suất của Hematoporphyrin (HPD) như là một chất quan trọng phát hiện ra ung thư. Ngày nay, PDT đã trở nên phố biến với ALA, PpIX . Phương pháp PDT ngày nay được sử dụng phổ biến tại các nước như [43] : Australia, Bỉ. Brazil, Cộng hòa Czech, Đan Mạch, Đức, Hy Lạp, Hungary, Ireland, Luxembourg, Na Uy, Ba Lan, Slovakia, Nam Phi, Tây Ban Nha, Thụy Điển, Mĩ ... để điều trị các bệnh như ung thư đầu và cổ, ung thư phế quản, ung thư dạ dày, ung thư phổi, ung thư vú, ung thư tuyến tiền liệt, ung thư da...đã nhận được sự hưởng ứng cao từ bệnh nhân bởi :  PDT an toàn hơn nhiều so với phương pháp hóa trị liệu (chemotherapy).  PDT ít gây ảnh hưởng tới mô thường hơn phương pháp chiếu xạ.  PDT có thể phá hủy ung thư bởi ba cơ chế: trực tiếp giết chết các tế bào ung thư, phá hủy các mạch máu cung cấp nuôi dưỡng khối u, tăng cường khả năng miễn dịch để tìm ra tế bào ung thư và giết chết nó bên ngoài khu vực được chiếu sáng.  Các hiệu ứng phụ không đáng kể.  Tính thẩm mĩ cao hơn sơ với phưcmg pháp phẫu thuật. 3 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh  Ít đau hơn so với các phương pháp khác. Năm 1998, dưới sự hướng dẫn của giáo sư Stranadko, chuyên gia hàng đầu về PDT của Nga. Bệnh viện Việt Đức bắt đầu áp dụng kỹ thuật này vào điều trị ung thư. Riêng tại Việt Nam. do chi phí cho những đợt hóa trị rất lớn nên nhiều bệnh nhân sau khi phẫu thuật không được điều trị thêm. Kết quả là thời gian sống của họ ngắn và bệnh hay tái phát. Việc áp dụng PDT có thể giúp khắc phục phần nào khó khăn này. Nguyên lý của phương pháp không chỉ để điều trị ung thư mà đã dần phát triển trong lĩnh vực nha khoa, da liễu, thẩm mỹ (viện Ngoại khoa laser TP.HCM, Bệnh viện Da liễu (ALA- PDT). vv... Bên cạnh liệu pháp gen đòi hỏi các phương tiện tiên tiến mà hiện nay trong điều kiện Việt Nam chưa thể triển khai, phương pháp PDT hứa hẹn một tiềm năng phát triển thực sự. Tuy nhiên PDT còn rất mới đối với Việt Nam và đặc biệt các tài liệu chuyên ngành bằng tiếng Việt hầu như không có. Là một lĩnh vực mang tính liên ngành (vật lý, hóa học và y khoa), việc hiểu rõ bản chất và cơ chế điều trị là một trong các bước quan trọng để triển khai quá trình điều trị, mà cụ thể hóa bằng xác định được liều hiệu dụng trong cơ thể bệnh nhân. Hiệu quả điều trị phụ thuộc nhiều vào khâu này. Trên cơ sở đó luận văn được thực hiện với mong muốn trình bày một cách tổng quan có tính hệ thống chuyên môn về cơ sở vật lý của phương pháp PDT và xây dựng một chương trình cơ bản tính phân bố liều đối với phương pháp PDT bằng phương pháp Monte Carlo mô phong tương tác của ánh sáng với mô chứa chất nhạy quang nhằm tạo cơ sở cho những nghiên cứu thực liễn tiếp theo trong lĩnh vực mới mẻ này. 1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 1.2.1. Mục tiêu Xây dựng chương trình mô phỏng sự lan truyền của photon năng lượng thấp trong mô bằng phương pháp Monte Carlo và tính phân bố liều và thông lượng trong một số cấu hình đơn giản mô phỏng trị liệu PDT. Chương trình là công cụ trực quan để minh họa cơ sở vật lý của phưcmg pháp PDT cũng như tạo tiền đề tiếp cận xây dựng chương trình tính toán thực tiễn. 1.2.2. Nhiệm vụ Khảo sát tổng quan về phương pháp quang động học PDT. Khảo sát tổng quan về mô phỏng sự lan truyền của photon năng lượng thấp trong mô bằng phương pháp Monte Carlo. 4 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh Xây dựng chương trình Monte Carlo mô phỏng sự lan truyền của photon năng lượng thấp trong mô để khảo sát phân bố liều hấp thụ áp dụng cho phương pháp PDT. Áp dụng tính toán cụ thể cho mô hình điều trị ung thư não và tuyến vú bằng phương pháp PDT. 5 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh CHƯƠNG 2: PHẦN NỘI DUNG 2.1. Tổng quan về phương pháp quang đông 2.1.1. Giới thiệu về phương pháp quang động[13] Photodynamic therapy (PDT) là một phương pháp mới trong điều trị ung thư bao gồm sự hoạt hóa của ánh sáng, sự có mặt của phân tử oxi và chất nhạy sáng (photosensitizers), chất sẽ được lựa chọn hấp thụ trong mô bia. Chất nhạy sáng hấp thụ năng lượng từ ánh sáng có bước sóng đặc biệt và có thể sử dụng năng lượng này để gây nên các phản ứng với những phân tử không hấp thụ khác. Do đó, cả 3 thành phân (chất nhạy sáng, ánh sáng và oxi) phải luôn có sẵn để điều trị có thể xảy ra. Khái niệm PDT được nghiên cứu lần đầu tiên bởi Oscar Raab vào năm 1900 về ảnh hưởng của ánh sáng đối với thuốc Paramecia. Kỉ nguyên phát triển của PDT bắt đầu với các nghiên cứu của Lipson và Schwartz tại Mayo Clinic vào năm 1960, người đã theo dõi việc tiêm hematoporphyrìn dẫn đế sự huỳnh quang của những thương tổn neoplastic cái có thể hình dung trong phẫu thuật. Công việc đặt ra lúc này là làm sao dé có thể điều trị khối u trong cơ thể người tốt nhất. Những nghiên cứu lâm sàng và cận lâm sàng đã cho thấy Photofrin ® có khả năng lựa chọn khối u trong điều trị, Photofrin® là một hỗn hợp của porphyrin oligomers (QLT Phototherapeutics Inc., Vancouver, BC. Canada). Bởi Photofrin® đào thái từ da thường và mô cơ nhanh hơn mô u, nó cho thấy sự gây thiệt hại khác nhau đến khối u so với các mô thường. Photofrin® đã được áp dụng ở Canada cho điều trị ung thư bàng quang, ở Pháp, Đức và Nhật cho trường hợp ung thư phổi giai đoạn đầu. Thế hệ thứ hai của chất nhạy sáng vừa được nghiên cứu để điều trị cho các khối u khác nhau vừa được sử dụng để điều trị những chứng bệnh không ung thư như ophthalmology (mắt), dermatology (da liễu), cardiology (tim), virus inactivation (khử hoạt tính virus)... Những chất nhạy sáng này đã được tinh chế để nâng cao khả năng hấp thụ và đạt được độ xuyên sâu tốt hơn tại những bước sóng dài hơn. Chất nhạy sáng sẽ duy trì lựa chọn trong khối u, thực tế mô thường, da cũng duy trì chất nhạy sáng và làm cho người bệnh nhạy cảm với ánh sáng (kể cả ánh sáng mặt trời) trong nhiều tuần. Ngày nay, việc sử dụng laser kích thích chất nhạy sáng thì cần thiết đối với phương pháp PDT. Thực tế, với việc điều trị nhiều vị trí khối u, chẳng hạn như phế quản và thực quản, chỉ có laser mới có đủ công suất liên kết với hệ thống 6 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh các sợi quang để phân chia ánh sáng đến vị trí thích hợp với sự mất mát năng lượng nhỏ nhất. Liều lượng chất nhạy sáng (mg/kg trọng lượng cơ thể), thời gian cho điều trị (giờ hay ngày sau khi tiêm chất nhạy sáng) và mật độ năng lượng (thông lượng) thì phụ thuộc giữa nồng độ của thuốc trong khối u mô (mg/g mô) và mô thường tại thời điểm chiếu xạ ánh sáng. Việc lựa chọn những thông số này chủ yếu dựa vào nghiên cứu tác dụng của thuốc tới cơ thể và trong nghiên cứu điều trị thử trên động vật. 2.1.2. Cơ sơ vật lí của phương pháp quang động [23] Có 3 yếu tố cần thiết nhất trong phương pháp PDT là: Phân tử chất nhạy sáng, ánh sáng với bước sóng thích hợp và sự hiện diện của oxygen. Tương tác giữa 3 đại lượng này là yếu tố chính dẫn đến hiệu quả của việc điều trị. Chất nhạy sáng có cấu hình điện tử ổn định ở trạng thái cơ bản suy biến bậc một (singlet ground State). Khi hấp thụ photon (ánh sáng có bước sóng phù hợp), phân tử sẽ chuyển lên trạng thái kích thích suy biến bậc một và có thời gian sống ngắn. Chất nhạy sáng sẽ quay về mức năng lượng cơ bản và phát ra huỳnh quang hoặc tạo ra sự mất mát nhiệt. Các phân tử đó cũng có thể chuyển về trạng thái suy biến bậc ba (triplet State), sự biến đổi này có liên quan đến sự thay đổi spin của electron, chất nhạy sáng ở trạng thái suy biến bậc ba có năng lượng thấp hơn trạng thái suy biến bậc một, nhưng có thời gian sống dài hơn và điều này làm tăng xác suất truyền năng lượng đến các phân tử khác. Lúc này chất nhạy sáng sẽ quay về mức năng lượng cơ bản và phát ra lân quang hoặc tạo ra sự mất mát nhiệt. 7 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh Gồm có hai cơ chế [47]: Cơ chế 1: Sự truyền năng lượng trực tiếp cho các điện tử của chất nhạy sáng để tạo ra ion hoặc các điện tử của phân tử nền để tạo ra các gốc tự do. Các gốc tự do này sẽ tưong tác nhanh, thường là oxy, nhằm tạo ra các oxy hoạt tính cao 102. Cơ chế 2: Chất nhạy sáng ở trạng thái suy biến bậc ba sẽ tương tác trực tiếp với phân tư oxy (thường là trạng thái cơ bản suy biến bậc ba). Kết quả là chất nhạy sáng này sẽ chuyển về trạng thái cơ bản và tạo ra oxy kích thích bậc một 102. Oxy suy biến bậc một 102 (toxic singlet oxygen) trong khối u có độc tính cao đối với các tế bào. Vì vậy người ta lợi dụng đặc tính này của 102 để tiêu diệt tế bào ung thư. Do năng lượng 3 p*> 102 sẽ đảm bảo cho 3p* phát năng lượng về trạng thái cơ bản và hoạt hóa oxy từ mức cơ bản 3 02102, do đó mà độc tính của oxy suy biến bậc một được hoạt hóa để tiêu diệt tế bào đích. Thời gian tồn tại của trạng thái triplet sẽ quyết định số lượng thành phân những độc tố có thể sinh ra bởi tương tác va chạm và gây ra việc chuyển đổi năng lượng đến những phân tử oxy và những thành phần hữu cơ khác. 2.1.2.1. Sự oxi hóa bằng ánh sáng và phát ra loại oxygen độc Hầu hết các thế truyền tin quan trọng nhất trong quy trình gây nên sự thương tổn tế bào trong phương pháp quang động học là các dạng oxy ở các trạng thái độc khác nhau. Những nghiên cứu in vitro đã chỉ ra rằng trong quá trình khử oxi ở các vùng bao quanh, sự khử hoạt hóa do ánh sáng thì chấm dứt hoàn toàn. Do tính chất này mà phương pháp PDT có thể được tiến 8 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh hành song song với phương pháp bức xạ ion hóa - trong đó các mô bị ion hóa có nhiều khả năng bị hủy hoại hơn. Trong phương pháp PDT, sự hạn chế hàm lượng oxy có thể xảy ra trong quá trình điều trị do mạch bị tổn thuơng hoặc do sự thiếu đậm đặc của nồng độ oxy trong mô. Phân tử oxy ở trạng thái kích thích có vai trò quan trọng. Nó được sinh ra trong một quy trình thường theo sự cảm quang loại 2, nơi phân tử chất nhạy sáng ở trạng thái kích thích triplet (T*) của mình, chuyển năng lượng cho phân tử oxy tạo ra phân tử singlet oxygen ( 102). Để thực hiện được điều này, năng lượng ở trạng thái triplet của hỗn hợp chất nhạy sáng phải cao hơn năng lương kích thích ở trạng thái triplet của ()2 Phản ứng loại II: T* + 02  So + 102 1 02* + R  photo-oxidation (1) (2) Một hỗn hợp chất nhạy sáng có hiệu quả cao tạo ra singlet oxygen và sau đó tạo ra trạng thái triplet. Sau khi truyền năng lượng từ trạng thái triplet cho oxy, chất nhạy sáng quay trở lại trạng thái cơ bản của mình, và chu kỳ có thể được lặp lại như đã chỉ ra trong (1). Chiều dài khuếch tán của singlet oxygen trước khi nó chấm dứt hay tham gia phản ứng trong mô sinh học được ước tính khoảng 0.01-0.02µm, tưong ứng với thời gian sống 0.01-0.04µs. Giá trị tương ứng này thấp hơn 1% so với đường kính tế bào hồng cầu (sấp sỉ 7µm). Thời gian sống và độ tan của singlet oxygen thì ngắn hơn đáng kể trong một ngăn nhỏ của tế bào so với trong các dung dịch. Do đó, sự xác định vị trí của chất làm nhạy ở môi trường xung quanh nơi nó có thể gây chết thì cũng quan trọng như tống nồng độ của phân tử chất làm nhạy. Phản ứng loại I: Là phản ứng chuyển đổi năng lượng từ chất nhạy sáng theo một cách khác. Trong phản ứng loại này, năng lượng được chuyển từ trạng thái mctastable triplet của phân tử chất nhạy sáng nhưng không qua oxygen, trong phản ứng này có sự tương tác trực tiếp giữa chất nhạy sáng và chất nền sinh ra khí hydro hoặc dẫn đen sự trao đổi electron. 2.1.2.2. Các phản ứng phụ. Các tế bào ung thư còn sống sau quá trình đầu độc tế bào trong liệu pháp PDT có thể chịu các phản ứng phụ của quang hoại (photodamage). Các cơ chế thường là các hiệu ứng trong quá trình cung cấp máu cho mô, sự khởi đầu của quá trình tự hủy (apoptosis), chứng viêm và sự tạo ra các phản ứng miễn dịch đối với khối u. Các hiệu ứng mạch: PDT gây ra các ảnh hưởng chính trên các mao mạch của khối u, thường gây ra sự ứ máu trong mạch do sự quang hóa phụ thuộc vào nguồn oxy, sự thiếu oxy 9 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh trong mô theo lý thuyết có thể gây ra hai hiệu ứng. Thứ nhất, nó có thể gia tăng hiệu ứng PDT bằng sự phá hủy của tế bào do thiếu oxy. Thứ hai, quá trình quang hóa có thể bị trì hoãn do thiếu oxy đối với các tế bào gần chết. Với sự cung cấp có hệ thống các hợp chất nhạy sáng, vị trí đầu tiên được tích lũy có lẽ là các tế bào nội mô. Sau khi cung cấp các chất nhạy sáng cũng như các hợp chất cationic, yếu tố quyết định của mạch nhạy sáng là mức độ tuần hoàn của các chất nhạy sáng. Các nghiên cứu tế bào ứng dụng ALA gây bởi PpIX như chất nhạy sáng đã cho thấy rằng các tế bào nội mô nhạy cảm với sự đầu độc tế bào gây ra bởi PDT khi chúng đang phân chia, đặc điểm này giống với các tế bào trong khối u. Cũng trong nghiên cứu này, các tế bào mạch cơ trơn sản xuất đủ PpIX để trở nên nhạy sáng với PDT. Khi nghiên cứu các tế bào nội mô cuống rốn ở người (HUVEC), Yang và một số cộng sự đã chứng minh rằng một vài dòng tế bào ung thư tiết ra các nhân tố angiogenic làm tăng sự sản sinh HUVEC và mức độ nhạy cảm với PDT và cũng tiết ra aluminum-sulfonated phtalocyanine (AlSPc). Các tổn thương đối với các tế bào nội mô dẫn đến các điểm đông máu dọc thành mạch máu, với màng nền bị lộ, gây nên một đợt căc phản ứng sinh lý dẫn tới sự ứ mạch máu. Tính thấm và sự rò rỉ của albumin được tăng cường trên các thành mạch máu đã bị tổn thương, dẫn đến chứng phù ở những vùng đã được điều trị. Dịch truyền giảm ở những mô điều trị bằng PDT với sự điều hành chất bắt sáng toàn thân, là do sự hình thành chứng huyết khối. Điều này cũng là do chứng co mạch, thường diễn ra ở các tiểu động mạch, và chỉ ở những lượng chất bất sáng cao hơn (Photofrin (8)) trong các tĩnh mạch nhỏ. PDT có liên quan đến việc giải phóng một lượng các chất ảnh hưởng tới co bóp máu. Eingar và các cộng sự đã nghiên cứu các hợp chất eicosanoid (bằng bất kỳ loại hợp chất nào bắt nguồn từ các acid béo không bão hòa đă tham gia vào hoạt động của tế bào), và cho thấy một lượng thromboxane B2 tăng liên quan tới PDT có Photofrin, ở người và chuột, ở chuột, một lượng leukotriene B4 tăng cũng được tìm thấy, ở loài chuột, các chất phản ứng ngăn chặn thromboxane, indoinethacin và imidazole, làm giảm hiệu quả điều trị ở các khối u. Các quan sát vi mạch máu ở chuột cũng cho thấy indomethacin có thể ngăn chặn sự co mạch. Từ quan điểm điều trị, điều này có thể được xem xét nếu như các chất gây mê được dùng, tránh việc sử dụng các thuốc chống viêm không steroid (NSAIDs). Bằng việc sử dụng công nghệ quét laser Droppler (EDI) để dò ra các luông lưu thông máu của khối u mô, người ta đã quan sát thấy một sự khác biệt giữa việc điều hành toàn thân và điều 10 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh hành cục bộ của ALA cho PDT. Trong một mẫu khối u gan ở chuột bắt sáng toàn thân, dịch truyền giảm, trong khi ở các thương tổn tế bào dáy (BCC) ở người với ứng dụng cục bộ, luồng lưu thông máu tăng ở khối u và mô xung quanh ngay lập tức sau khi sử dụng PDT. Cơ chế gây chết tế bào theo chương trình (apoptosis): Cùng với việc giết chết tế bào trực tiếp thông qua hoại tử (necrosis), sự cảm ứng nhanh của apoptosis được cho là đóng vai trò quan trọng trong PDT. Trong suốt quá trình apoptosis, bộ phận di truyền của tế bào bắt đầu một chương trình phá hủy các tế bào bị tổn thương mà không ảnh hưởng tới hệ thống viêm. Các chấn thương dẫn tới apotosis thường kém rõ ràng hơn những chấn thương gây ra hoại tử. Về mặt hình thái học, có một sự ngưng tụ tế bào chất với sự phân hủy tế bào ngay sau đó thành các mụn nước kết màng mà sau đó sẽ bị các tế bào xung quanh tiêu thụ. Tiến trình suy biến có đặc điểm là một chức năng không đổi của các màng và vi cơ quan, có nghĩa là các lượng rất nhỏ các chất điều giải viêm được giải phóng, ví dụ các enzyme tiêu thể. Trong suốt quá trình apoptosis, có một sự phân đoạn đặc trưng của DNA, thường được phát hiện bởi hiện tượng điện chuyển trong keo cho thấy một mô hình “thang” đặc trưng. Mật độ tế bào ung thư, hao hụt trong chương trình của apoptosis thông qua đột biến, có thể chống lại hóa trị liệu và bức xạ ion hóa. Một phản ứng kiểu apoptosis sau PDT được chỉ ra lần đầu tiên bởi Agarwal và các đồng nghiệp vào năm 1991, và đã được quan sát cho PDT cả trong và ngoài cơ thể (trong ống nghiệm). Có một mối liên hệ giữa tổn thương do bức xạ ánh sáng của các mitochondrion (Ty lạp thể có chứa ATP và các enzyme liên quan đến các hoạt dộng chuyển hóa tế bào) và một phản ứng tế bào kiểu apoptosis. Trong ALA-PDT, nơi mà điểm sản xuất của chất phản ứng bắt sáng PpIX là các ti lạp thể, apoptosis dễ diễn ra. Điều này cùng đã được chỉ ra trong cơ thể và trong ống nghiệm. Trong các nghiên cứu sau này của Noodt và các đồng nghiệp, người ta đã chỉ ra phản ứng apoptosis phụ thuộc vào tuyến tế bào. Chứng viêin/Miễn dịch học: PDT thường bất đầu với một phản ứng viêm ở vùng mô được điều trị. Ngay sau khi điều trị, chứng nổi ban đỏ và phù nề cũng ảnh hưởng đến mô bên ngoài vùng được chiếu sáng và bị giới hạn bởi khúc bì (dermatome) có chấn thương đã được điều trị. Các tổn thương do tia sáng trong màng tế bào dẫn đến sự giải phóng các chất chuyển hóa của các lipide màng vốn là những chất hoạt hóa mạnh của phản ứng viêm. Đại thực bào là một trong những loại tế bào quan trọng trong phản ứng viêm cấp tính, và trong một mô hình khối u ở chuột, ảnh hưởng của PDT được tăng khi việc điều trị được tập trung vói GM-CSF (tác nhân tăng trưởng 11 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh đại thực bào bạch cầu hạt) được tiến hành trước PDT. Việc điều trị cũng khởi động một phản ứng miễn nhiễm mở rộng có khả năng quan trọng trong việc kiểm soát về lâu dài khối u, thông qua sự bắt sáng của hệ thống miễn dịch đối với các tế bào khối u. Các nghiên cứu về cấy ghép các mô kích hoạt miễn nhiễm giữa các con chuột miễn nhiễm tốt và miễn nhiễm kém, đã cho thấy một hệ thống miễn dịch ổn định là cần thiết để có thể chữa trị khối u toàn diện sau khi tiến hành Photofrin®-PDT. Hơn nữa, các tế bào ghi nhớ của hệ miễn dịch, ví dụ như các lympho bào (tế bào bạch huyết) nhận diện được, có thể được phục hồi từ các mô bạch huyết ở xa sau khi tiến hành PDT. Việc bắt sáng của hệ miền dịch đối với các loại khối u ít gây miễn dịch hơn, theo lý thuyết sẽ mang đến cơ hội điều trị ung thư toàn diện ở các vùng di căn xa. 2.1.2.3. Chứng thân nhiệt cao liên quan đến phương pháp PDT Khi tiến hành PDT, tự nhiên sẽ nảy sinh vấn đề về các ảnh hưởng thân nhiệt đồng thời, vì ánh sáng điều trị có thể được điều chỉnh về mật độ thông lượng (fluence rate) đủ cho chứng thân nhiệt cao do cảm ứng ánh sáng (trong mô sinh học tưcmg ứng vói một sự tăng nhiệt độ đến khoảng 41o C-47°C). Nhìn chung, thêm chứng thân nhiệt cao vào chế độ trị liệu cũng sẽ thú vị chừng nào nó còn có thể đưa đến các hiệu quả bổ sung hoặc hợp lực. Vì PDT phụ thuộc vào oxy, có một giới hạn trong hệ thống ở mức dộ mà dịch truyền cùa mô bị bão hòa do thân nhiệt cao. Để có thể phân biệt giữa các ảnh hưởng của quang hóa và ảnh hưởng thân nhiệt cao và để tiến hành các nghiên cứu có kiểm soát, rất nhiều nhóm đã sử dụng các mật độ thông lượng ở dưới ngưỡng thân nhiệt cao. Khoảng 514 nm, người ta đã cho thấy đối với sự tập trung năng lượng ít hơn 150 mW/cm2, không có ảnh hưởng thân nhiệt cao nào. Warloe và các đồng nghiệp phát hiện nhiệt độ bề mặt da trong quá trình ALA-PDT với tia laser 630 nm. Với một mật độ thông lượng khoảng 100-150 mW/cm2, một sự tăng nhiệt đến 39-40oC xuất hiện trong suốt những phút đầu, theo sau là một sự ổn định khoảng 37-38oC. Việc chuyển ánh sáng 100mW/cm2 từ một nguồn sáng tách rời bao gồm khoảng 25% ánh sáng hồng ngoại đến da người và các khối u da, đã dẫn tới một tự tăng nhiệt lên khoảng 39.5-42.5°C ở khối u và lên 42-43.5oC ở mô bình thường. Các nhiệt đô này có thể thêm ảnh hưởng cho sự tăng thân nhiệt ôn hòa. Khi chiếu xạ ở mức mật độ thông lượng cao, có khả năng là sự kích thích các chất bắt sáng vượt quá lượng oxy có thể dùng. Từ đó các chất bắt sáng có thể bị giảm sáng mà không thể góp phần hủy sáng của mô. Xem xét hiện tượng này, người ta đề xuất khi tiến hành một chế độ trị liệu kết hợp, ánh sáng quang hoạt ở mức vừa phải nên được dùng chung với các chiều dài bước sóng không kích thích chất bắt 12 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh sáng, tốt nhất là bức xạ hồng ngoại. Không nên dùng ánh sáng gây thân nhiệt cao trước, mà nên dùng cùng hoặc ngay sau khi sử dụng ánh sáng trong PDT, để không gây bão hòa nguồn cung cấp oxy cho PDT. 2.1.3. Phưong pháp tính liều PDT 2.1.3.1. Giới thiệu[10] Tính toán liều lượng PDT là một vấn đề khó khăn. Sự phức tạp của nó là do cơ chế của PDT được chỉ ra trên hình vẽ. Hình 3: Biểu đồ quy trình quang lí của phương pháp PDT. Sau khi hp thụ một photon, chất nhạy sáng ở trạng thái cơ bản So nhảy lên trạng thái kích thích S1. Từ trạng thái này nó có thể chuyển về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra ánh sáng (sự huỳnh quang) hay chuyển lên trạng thái kích thích triplet (T1). Trạng thái triplet truyền năng lượng (ET) cho phân tử oxygen ở trạng thái cơ bản tạo ra singlet oxygen kích thích (102) cần thiết cho sự phá hủy mô. Cả singlet oxygen và chất nhạy sáng ở trạng thái triplet có thể phát sáng (sự lân quang). Singlet oxygen có thể phản ứng với phân tử chất nhạy sáng ở trạng thái cơ bản để tạo ra chính nó, nêu nồng độ đủ cao thì phân tử chất nhạy sáng có thể tạo ra sản phẩm quang hóa (PP1). Mặt khác, từ trạng thái triplet như đã chỉ ra ở trên nó cũng có thể tạo ra các sảm phẩm quang hóa khác (PP2). Sự hấp thụ photon với năng lượng thích hợp của phân tử chất nhạy sáng làm nó nhảy từ trạng thái cơ bản của nó So lẽn trạng thái điện tử kích thích S1. Phân tử có thể trở về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra một photon (gây nên sự huỳnh quang) nhưng cũng có thể đi lên trạng thái kích thích triplet T1 thông qua ISC (inter-system crossing). Trạng thái triplet có thời gian sống 13