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Revista Cubana de Oncología, julio-diciembre, 1995

LA ONCOLOGIA EN CUBA

Instituto Nacional de Oncología y Radiobiología

Hipertermia fotoinducida. Modelo teórico y confirmación experimental

M. Sc. Suren Stolik Isakina1 Lic. José Alberto Delgado Atencio,1 Dr. Lorenzo Anasagasti2 e Ing. Gustavo Pérez1
  1. Centro de Desarrollo de Equipos e Instrumentos Científicos (CEDEIC).
  2. Instituto Nacional de Oncología y Radiobiología (INOR).

RESUMEN

El cereciente uso de la luz, fundamentalmente láser, en el tratamiento de diversas enfermedades ha provocado el desarrollo de estudios teóricos y experimentales que permitan comprender los fenómenos que ocurren en el empleo de este agente físico. En este trabajo se muestra un modelo teórico y las demostraciones experimentales que lo confirman.

Palabras clave: FOTOQUIMIOTERAPIA; NEOPLASMAS/radioterapia; HIPERTEMIA INDUCIDA/métodos.

INTRODUCCION

Durante la terapia fotodinámica (TFD) y la hipertermia (HT) ocurren fenómenos fotoquímicos y de elevación de temperatura inducidos por la fuente de luz utilizada1-3 cuya base teórica y de análisis de los fenómenos de interacción con un agente físico, en este caso la radiación luminosa con los tejidos biológicos vivos, son comunes a otros métodos físicos de tratamiento del cáncer como la radioterapia y la hipertermia radioinducida. El objetivo de nuestro trabajo es exponer de manera breve y asequible a los especialistas de la medicina que emplean estos métodos de tratamiento, un modelo teórico útil para comprender científicamente estos fenómenos.

Las densidades de potencia de la energía luminosa terapéuticamente útiles pueden variar entre 20 y 200 mW/cm2, producen en la zona en tratamiento elevaciones de la temperatura por encima de 41 oC en los tiempos de exposición utilizados, que son de alrededor de los 30 minutos.4 Así se induce un estado de hipertermia localizado con el consiguiente efecto sobre los tejidos vivos que concomita con el efecto fotoquímico.5 Por todo lo expuesto, es importante conocer y controlar la distribución de la temperatura (T) durante la FTD para una correcta interpretación de los resultados terapéuticos alcanzados.

MODELO TEORICO

En el análisis teórico de la distribución de la temperatura en los tejidos biológicos durante la fotoirradiación es necesario tener en cuenta los factores que se presentan en la tabla.

La distribución de temperatura (T) se halla a partir de la resolución de la ecuación de conducción del calor para el tejido:

oT/ot - x?T = f (1),

donde: ? - Es el operador matemático laplaciano

? = (o2 / ox2 + o2 / oy2 + o2 / oz2)

Sustituyendo en esta ecuación las expresiones para xyf, y reordenando términos obtenemos la siguiente distribución del incremento de temperatura inducido por la radiación óptica T:

?T - 1/x oT/ot - T/gt2 = - ßf/k. (2),

donde introducimos gt = Ök / pcQ; at - profundidad de penetración térmica, que depende de la conductividad térmica, la densidad de masa y de la capacidad calorífica del tejido, además del nivel de perfusión sanguínea en el mismo.6,7

Para el caso de incidencia de la luz como se muestra en la figura 1, válido para la incidencia de un haz láser de uso médico aplicado sobre la superficie de un tejido, la distribución de la radianza se expresa como:

? = ?o exp (-x/g) 3,

donde g - profundidad de penetración óptica en el tejido depende de las propiedades absorbentes y dispersantes del tejido.8,9

Solucionando la ecuación (2) obtenemos la distribución de la temperatura.

T(x) = (1-R) I/gk(1/g2 - 1/gt2) ½ (gt /g) exp(-x/gt) - exp(-x/g) (4)

En esta ecuación; R - coeficiente de reflexión en la superficie del tejido, con valor en el rango de 0,4 - 0,6, que es similar para la mayoría de los tejidos.

I - densidad de potencia de la radiación incidente, que en la TFD puede ser de hasta 200 mW/cm2.

En este modelo se despreció el intercambio de calor con el medio a través de la superficie del tejido. Esta solución permite conocer la distribución de temperatura en el tejido irradiado si se conocen la densidad de potencia y los parámetros ópticos y térmicos de éste. Por ejemplo, en un tratamiento de TFD con una radiación de longitud de onda l = 630 nm sobre un tejido humano que pudiera tener los siguientes valores de los parámetros a considerar: g = 2 mm; gt = 9 mm; k = 0.4; R = 0.5; I = 100 nW/cm2; obtenemos la distribución de temperatura que se presenta en la figura 2.

Esta ecuación es también de utilidad para definir la zona con efecto de hipertermia para una densidad de potencia prefijada. En el ejemplo de la figura 2 se puede ver que a una profundidad de 5 mm para una densidad de potencia de 100 mW/cm2, el tejido alcanza un incremento de tempertura de 6 oC; éste llega a 43 oC, lo que coloca a esta zona en condiciones de hipertermia.

Para garantizar la mortalidad de las células tumorales por efecto de hipertermia es necesario someter el tejido a una temperatura en el intervalo de 41-46 oC durante un tiempo de exposición que depende exponencialmente del incremento de temperatura T10.

?t = ?t* exp (hT),

donde:

?t* = 1,7 x 105 seg y h = -in 0.5 oK-1

La figura 3 presenta esta dependencia, mostrando ver que para temperaturas de 45, 44, 43, 42 y 41 oC tenemos tiempos de exposición de 15 min, 30 min, 1 hora, 2 y 4 horas respectivamente. La curva representa la mortalidad celular obtenida para una temperatura y tiempo dados.

ESTUDIOS DE LABORATORIO IN VIVO E IN VITRO

Una gran cantidad de experimentos han sido realizados para comprobar la acción citotóxica del calor, utilizando variadas fuentes de calor o formas de elevación de la tempertura del tejido neoplásico. Estas fuentes van desde la aplicación de baños termostáticos con agua hasta la utilización de ondas electromagnéticas de radio y del espectro visible e infrarrojo.7,11-15

En la zona visible del espectro luminoso son más utilizados en esta aplicación el láser de argón con líneas de emisión principales en 488 nm y 514 nm,13 y el láser de colorantes excitado por un láser de argón con emisión roja (l = 630 nm). Para la zona infrarroja se han empleado el láser Nd-YAG (l = 1060 nm) 9,16 y fuentes de luz no coherentes con banda amplia de emisión (800-1200 nm). Además, se ha utilizado el láser de CO2(l = 10 600 nm).

Debido al incremento local de la temperatura del tejido durante el tratamiento de tumores con TFD es necesario conocer el papel que desempeña el fotosensibilizador en el aumento de la respuesta citotóxica del tumor cuando, además del efecto fotoquímico, hay un efecto de hipertermia.

En un estudio experimental13 para tumores de alrededor de 5 mm de espesor, se señala que la probabilidad de respuesta está en función de la densidad de potencia incidente. Utilizando luz verde (l = 514 nm) y diferentes concentraciones de fotosensibilizador, en este caso dihematoporfirina a concentraciones de 0, 10 y 25 mg/kg respectivamente, se obtuvo respuesta importante para densidades de potencia por encima de 300 mW/cm2; además se halló una independencia de la respuesta respecto al fármaco sensibilizador utilizado. La respuesta del grupo control (sin fotosensibilizador) y el grupo al que se le aplicó una concentración de 25 mg/kg de hematoporfirina (la máxima concentración aplicada en el experimento) coincidió.

Otros estudios11 muestran que el agente fotosensibilizador (en este caso la hematoporfirina) no mejora la efectividad de tratamiento cuando el mecanismo de calentamiento se basa en la agitación molecular isotrópica (se entiende en este caso la agitación molecular producida por el calentamiento en un baño termostático).

Sin embargo, existen cambios sustanciales cuando el calentamiento es por absorción directa de la radiación láser (en este caso Nd-YAG).

Para densidades de potencia de 700 mW/cm2 se apreció una inhibición del crecimiento del tumor del 65-80 % en el grupo de animales no sensibilizados con hematoporfirina, mientras que en el grupo de animales no sensibilizados no se apreció inhibi ción. ¿Por qué este efecto si la hematoporfirina no tiene absorción apreciable para la longitud de onda de 1 060 nm?. Al parecer esta pregunta no ha sido aún satisfactoriamente respondida, aunque se han realizado varios experimentos in vitro e in vivo para tratar de aclararlo.17

En este experimento al que nos referíamos, para una densidad de potencia de 900 mW/cm2 se alcanzó una respuesta completa para ambos grupos, pero la explicación está en el elevado efecto de hipertermia.

Las investigaciones acerca de la hipertermia inducida por la radiación infrarroja han sido también abordadas por Svaasand, et al.12, pero dirigidas a otro aspecto de esta cuestión: la posibilidad de inducir una respuesta favorable en la cura de neoplasias sin aplicar fotosensibilizador. En este caso se estudió la respuesta hipertérmica pura en un modelo de tumor in vivo (adenocarcinoma mamario c3H/Tif inocula do subcutáneamente en ratones hembras). La fuente infrarroja utilizada fue una lámpara de tungsteno filtrada con una banda de emisión de 800-1 200 nm. La densidad de potencia se varió de 300 a 500 mW/cm2 y el tiempo de exposición fue de 30 minutos. Para este modelo de tumor la probabilidad de respuesta fue del 100 % para temperaturas mayores de 45,5 oC y del 50 % para 44 oC. Se concluye así la utilidad práctica que representa la hipertermia local inducida por radiación óptica en el tratamiento de pequeños tumores localizados, ya que se alcanzan los valores necesarios de temperatura.

Está demostrado que ocurre sinergismo entre el efecto fotoquímico y la hipertermia inducida durante la TFD; por esta razón se ha investigado la interacción de la TFD y la HT inducida por otros métodos, siendo fundamental el orden y el intervalo de tiempo entre la aplicación de uno y otro método.16,18,19 Por ejemplo, Dougherty et al.3 hacen referencia al efecto de sinergismo entre la TFD y la aplicación inmediata de calor (44 oC, 30 min). Un estudio experimental de esta cuestión se realiza por Waldow.15,20 Para los modelos de tumores analizados se encontró una potenciación de la TFD por el calor, cuando se aplicó calentamiento inmediato por microonda (44,5 oC, 30 min). La potenciación fue el descenso con el aumento del intervalo de tiempo entre ambas modalidades; se encontró un mínimo al aplicar HT, 8 horas después y efecto sólo aditivo, al aplicar la hipertermia antes de la TFD.

En cuanto a la aplicación simultánea de la hipertermia y la TFD. Melloni et al.11 reportan una marcada diferencia en la inhibición del crecimiento del tumor (Sarcoma MS-2 transplantado) tratado por TFD (HpD + 100 mW/cm2 de luz roja), y el sometido a terapia fotodinámica más calentamiento en agua a 45 oC. Para la primera situación se alcanzó una inhibición de crecimiento del tumor del 41 %, mientras que fue del 90 % para la aplicación simultánea de ambas técnicas. Este experimento, pero a densidades de potencias mayores que 170 mW/cm2, condujo a diferencias más moderadas entre ambas situaciones, siendo de 65 y más del 90 % respectiva mente. Esto demuestra que al ser mayor la densidad de potencia de la radiación luminosa incidente y al producir un aumento mayor de la temperatura del tejido, la efectividad del tratamiento mejora gracias al efecto de hipertermia.

Un último aspecto al que debe prestársele atención es al efecto de termotolerancia, el cual está relacionado con la frecuencia de los tratamientos locales de hipertermia.21 Datos de estudios experimentales indican que la terapia de calor con frecuencia mayor que 3 días puede, temporalmente, convertir al tejido en resistente a los tratamientos posteriores. La frecuencia óptima de tratamiento es cada 3 ó 4 días.

En la práctica médica se monitorea la temperatura de la zona bajo trata miento fotodinámico, siempre que sea posible;22-25 y estos datos son utilizados para la evaluación de la respuesta a la terapéutica aplicada, además de indicar nos si el dolor y las sensaciones de quemaduras que pueden aparecer se deben al efecto fotoquímico o a la hipertermia. Generalmente se emplean microtermopares, la termografía y la resonancia magnética26 para realizar la medición y el control de la temperatura en el área de tratamiento. Mc Caughan et al.24 reporta el incremento de temperatura en la superficie de la piel para distintas densidades de potencia: 3,3 oC - 40 mW/cm2, 7,8 oC - 200 mW/cm2. Afirma que 300 mW/cm2 es una densidad de potencia no tolerable, y que para 500 mW/cm2 pueden alcanzarse fácil mente los 57 oC con una inmediata necrosis. Además, plantea que a una profundidad de 2 mm por debajo de la piel, si se aplica luz roja con una densidad de 29 mW/cm2, se logra un incremento de 2,6 oC, por lo que puede compararse este resultado con la predicción del modelo expuesto. En la figura 2 de la curva que corresponde a la densidad de potencia de 29 mW/cm2 podemos ver que a esta profundidad se predice un incremento de 2,5 oC, lo que da una buena correspondencia.

CONCLUSIONES

  1. Al quedar demostrado experimentalmente que el incremento de la temperatura en el tejido irradiado, durante la terapia fotodinámica, es suficiente como para alcanzar valores en el intervalo de 41-45 oC y superiores; es obvia entonces la necesidad de un profundo estudio sobre los posibles cambios de vascularización, oxigenación y otros factores capaces de aumentar, o por el contrario disminuir, la efectividad de la terapia fotodinámica como método de tratamiento de tumores; para poder extrapolar estos resulta dos a seres humanos.
  2. La secuencia de los efectos de hipertermia y terapia fotodinámica tienen gran peso en la efectividad de la aplicación del tratamiento; se obtienen así resultados positivos con una acción simultánea, y también con hipertermia si sucede a la terapia fotodinámica en un período no mayor de 8 horas, no así en el caso inverso; esto hace necesario un estudio más amplio de los intervalos de aplicación entre una y otra técnicas.
  3. Los resultados experimentales conocidos requieren de explicaciones más completas y concretas; lo que significa continuar las investigaciones y trabajos que nos permitan aclarar muchas de las incógnitas que aún existan acerca de estos métodos de tratamiento de tumores, sin dejar de reconocer que se han obtenido en algunos casos muy buenos resultados en sus aplicaciones terapéuticas.
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