Wirkungsweise der PDT und Anwendungsgebiete

Die Wirkungsweise der PDT ist in Abbildung 1 dargestellt und in Baskaran et al. (2018) sowie Castano et al. (2004) ausführlich beschrieben. Wie aus diesen Publikationen zu entnehmen ist, erfordert die PDT drei Komponenten: Licht einer bestimmten Wellenlänge, Sauerstoff und einen Photosensibilisator. Dabei wird zunächst der Photosensibilisator verabreicht, welcher sich in den geschädigten Zellen bzw. im Gewebe selektiv akkumuliert (zum Beispiel im Tumorgewebe) oder in den pathogenen Keimen. Da die Photosensibilisatoren meist einen lipophilen Charakter aufweisen, lagern sich diese überwiegend im Bereich der zellulären Membranen aus Lipid-Doppelschicht an. Danach erfolgt in diesem Zielbereich eine Bestrahlung mit einer für den Photosensibilisator spezifischen Wellenlänge, welche dazu führt, dass der Photosensibilisator durch die Absorption von Licht (Photonen) vom Grundzustand in den angeregten 1. Singulettzustand überführt wird (alle Elektronen besitzen einen Eigendrehimpuls, den sogenannten Spin, und bewegen sich unabhängig voneinander in Orbitalen; aus jeder Besetzung der Orbitale resultieren ein oder mehrere Gesamtzustände. Bei einem Singulettzustand verlaufen die Spins antiparallel, sodass die Gesamtspinquantenzahl 0 beträgt). Dieser Zustand ist relativ kurzlebig und verliert Energie durch Lichtemission (Fluoreszenz) oder durch interne Umwandlung in Wärme. Der angeregte Singulettzustand kann jedoch auch in den angeregten Triplettzustand (zwei Spins verlaufen parallel, die Gesamtspinquantenzahl beträgt 1) übergehen („intersystem crossing“), der relativ langlebig ist. Dieser Triplettzustand kann zwei mögliche Reaktionen eingehen: einerseits kann der Triplettzustand mit Substrat (zum Beispiel mit Zellmembranen oder Molekülen) reagieren, indem Protonen oder Elektronen übertragen werden und letztendlich zur Bildung von Radikalkationen bzw. Radikalanionen führen.  Diese Radikale können mit Sauerstoff reagieren, wobei reaktive Sauerstoffspezies entstehen. Andererseits kann der Triplettzustand seine Energie auch direkt auf molekularen Sauerstoff übertragen. Dabei entsteht angeregter Singulett-Sauerstoff. Dabei ist zu berücksichtigen, dass beide Reaktionsmöglichkeiten simultan ablaufen können; welche Reaktion bevorzugt wird, ist sowohl abhängig vom verwendeten Photosensibilisator (Art und Konzentration) als auch von den vorhandenen Sauerstoff- und Substratkonzentrationen. Diese reaktiven Sauerstoffspezies und der Singulett-Sauerstoff sind oxidierende Agenzien, die direkt mit einer Vielzahl von biologischen Molekülen reagieren können - besonders mit Aminosäureresten, ungesättigte Fette und Fettsäuren als auch mit DNA – und diese somit schädigen. Eine zytotoxische Wirkung kann auch durch einen weiteren parallel verlaufenden Reaktionsmechanismus verursacht werden, der keinen Sauerstoff benötigt. Hierbei findet die Reaktion in hypoxischen bzw. anoxischen Regionen statt und der angeregte Photosensibilisator gibt Elektronen ab, welche direkt mit Proteinen reagieren und so deren Struktur und Funktion beeinflussen können. Mutationen bis hin zum Zelltod (Apoptose, Nekrose) sind durch diese drei Reaktionen die Folge. Elektronenmikroskopisch lassen sich Schäden an der Plasmamembran, an den Membranen des Zellkerns, der Mitochondrien, der Lysosomen, des Golgi-Apparates und des endoplasmatischen Reticulums erkennen. Die Wirksamkeit der PDT hängt stark von der Lichtquelle (längerwelliges Licht wie Infrarotlicht besitzt ein tieferes Eindringungsvermögen in das Gewebe), der Dosis und der Expositionsdauer ab.