Efecto fotoelectrico en porfirinas

Efecto fotoelectrico en porfirinas

Las sustancias que desempeñan un papel en la Porfiria y en la terapia foto dinámica se encuentran entre las más antiguas e importantes de las moléculas biológicas. Allí se combinan los dos procesos críticos de generación de energía en los seres vivos: la fotosíntesis y la respiración aeróbica. En el primero la energía luminosa es captada por clorofilas (porfirinas) y convertida en energía química; en la respiración, el grupo Hemo de la Hemoglobina transporta el oxigeno a los tejidos. Hemos y clorofilas son hierro y magnesio derivados de la protoporfirina.

Las porfirinas constituyen una familia notable de compuestos íntimamente relacionados, todas las porfirinas comparten un anillo tetrapirrólico plano (compuesto por carbón y nitrógeno) con un hueco central adecuado para que un Ion metálico de hierro o magnesio, se aloje en él, estos átomos metálicos cuando están correctamente alineados en la ferola de los anillos de porfirina, catalizan los procesos de generación de energía fundamentales en la biología.

El cáncer constituye una de las principales causas de muerte en el ser humano, la razón es que este mal exige estrategias muy combativas que afectan muchas manifestaciones bioquímicas del organismo y que por tanto producen mayores riesgos y toxicidades. En la búsqueda de métodos para el tratamiento del cáncer, la terapia foto dinámica (TFD) constituye una buena alternativa.

Grupo Hemo b

Contenido

EStructura de las porfirinas

La estructura de la porfirinas posee anillos formados por carbohidratos en su mayoría (carbones de metano y carbones betapirroliticos) causantes de las reacciones electrolíticas (nucleofolicas y electrofolicas) a las que se ven sometidas las porfirinas que de acuerdo con la densidad del electrón se experimentan en las posiciones del meso, clorofila y el anillo reducido del pirrol. Estos anillos son estructuras compartidas entre la clorofila y la hemoglobina. En el centro del anillo se encuentra un átomo de hierro el cual conforma lo que se llama el grupo Hemo (que se direccionan dentro de este catalizando los procesos energéticos que ocurren dentro de la porfirina). La estructura permite que dentro de esta puedan fluir libremente electrones, los cuales son trasportados y localizados en otros sitios, actuando en dos procesos fundamentales de la vida: la fotosíntesis y la respiración aeróbica. Las interacciones con otras moléculas puede causar en la porfirina que sea metalizada o desmetalizada, que para el segundo caso la convierte en agente que catalizan la síntesis en forma toxica de oxigeno, de esta forma las porfirinas se excitan cuando incide sobre su superficie radiación electromagnética de ciertas longitudes de onda, saltando sus electrones de un nivel energético a otro más energético, trasmitiendo su energía a otras moléculas con enlaces apropiados para la producción de oxigeno monoatómico, y radicales libres, es decir, las porfirinas no metálicas no son agentes sino mediadoras de la destrucción, catalizan la síntesis de formas toxicas de oxigeno.

Estructura del núcleo de porfirina.

Síntesis química

En la obtención de porfirinas ocurren dos procesos fundamentales, uno de ellos consiste el la modificación de sustitutos para el grupo hemo, el otro proceso consiste en la síntesis de la porfirina que sugiere una modificación natural como en el hemo, pero es más selectiva respecto a la absorción de sustitutos periféricos ya que algunos de ellos no permiten ser modificados. Las síntesis que se desarrolla en la porfirinas se puede clasificar en:

Tetramerización del monopirrol

Se realiza sobre las porfinas que contiene solamente un sustituto, allí se somete a reacción un pirrol 2.5 y un aldehído, también se utiliza para sintetizar el meso- tetrafenilporfil. Otro acercamiento de la tetramerización del monopirrol, implica la doble-condensación de un 2-acetoximetilpirrol o de 2 N, N - dimetilaminometilpirrol. Más recientemente, la condensación similar con 2-hidroximetilpirrol, se ha realizado la sintetezación de varias porfirinas, incluyendo los porfirinas con centro-simétrico, (conteniendo dos tipos de sustitutos situados en posiciones alternas).

Condenación de los intermedios de los dipirrol

Utilizado en las porfirinas que poseen un centro simétrico en donde los sustituyentes tienen esa misma simetría a una de las mitades de las moléculas, los intermedios más utilizados para la síntesis son Dipirrometinos, donde la doble condensación de 1-bromo-9-metildipirrometino, en un fundimiento de ácido orgánico, como el ácido succínico, que funde a la temperaturas de 189°C da buenas producciones de porfirinas. Condensando un 1,9-dibromodipirrometina y un 1,9-dimetildipirrometina, este método se puede utilizar también para la sinterización de las porfirinas, en los cuales una o ambas mitades de la molécula son simétricas (esquema 1,5). Una variación de este método implica la reacción de 1-bromo-9-bromometildipirrometino en ácido fórmico para dar los porfirinas para producciones relativamente altas.

la síntesis de MacDonald Implica la condensación del uno mismo de 1-un subtituto 9-formildipirrometano o la condensación de un dipirrometano 1,9-di un sustituyente, y de un 1,9-diformildipirrometano en la presencia de un catalizador ácido tal como ácido yodhídrico o ácido p-tuoloenosulfurico. Esta ruta se utiliza extensamente hoy también porque los dipirrometanos requeridos para la síntesis de MacDonald a menudo están preparados y purificados más fácilmente que los dipirrometinos correspondientes.

Compuestos de la porfirina

Dentro de los diversos componentes de la porfirina tenemos a la clorofila la cual es principalmente un pigmento encargado de la fotosíntesis absorbiendo energía en todas las longitudes de onda de espectro del espectro visible, excepto las del verde, detectado por nuestros ojos. Posee cuatro anillos pirriloticos complejos. Otro componente fundamental es la Hemoglobina, que es una molécula encargada de trasportar el oxigeno y dióxido de carbono. Esta en los glóbulos rojos y blancos, consta de cuatro unidades básicas (cadenas polipeptídicas). Las cuatro cadenas siempre están agrupadas en pares. En el humano adulto, hay dos cadenas idénticas alfa, y dos cadenas beta. Cada una de las cuatro cadenas tiene un tomo de hierro en su centro. Los cuatro tomos de hierro permiten que la molécula de hemoglobina se junte con cuatro moléculas de oxigeno. Si las moléculas de hemoglobina se combinan con el oxigeno se produce los que se denomina oxihemoglobina, esta es roja y pigmenta la sangre. Sin embargo cuando la moléculas de oxigeno ingresan a los tejidos, la hemoglobina se torna verdosa.

Características fundamentales

En toda la estructura de la porfirina se encuentra un sistema de enlaces conjugados, aspecto que la hace rígida sin permitirle cambiar de estado fácilmente, también permite la intensa bande de absorción cerca de 400nm seguida por otra banda de absorción más débil 450nm – 700nm. Estas absorciones cambian debido a las mutaciones de los sustitutos del anillo pirrolitico. El anillo de pirrol es estable con ácidos concentrados. Las bases fuertes tales como los alcóxidos pueden quitar los dos protones (pKa ~16) a los átomos internos del nitrógeno de una porfirina para formar un di-anión. Por otra parte, los dos átomos libres del nitrógeno del porfirina (pKb ~9) pueden ser protónados fácilmente con ácidos, tales como el ácido trifluroacetico

Historia

“Porfiria” trastorno por deficiencia de las enzimas en la biosíntesis del hemo

La porfiria resulta de una alteración del mecanismo productor de Hemo en el organismo. Todas las células vivas tienen la capacidad de sintetizar porfirinas. El camino de biosíntesis de las porfirinas en el cuerpo humano consiste en sintetizar hemo y otras porfirinas, en una serie de ocho estados coordinados catalizado cada uno por una enzima diferente, comenzando por moléculas pequeñas hasta las complejas moléculas de los tetrapirroles cíclicos o porfirinas.

Las porfirias constituyen un grupo heterogéneo de trastornos afines, en los cuales las porfirinas se acumulan en la piel. La porfiria puede ser genética o adquirida, en la porfiria se omite uno de los pasos de la biosíntesis del Hemo, lo que produce un exceso de los compuestos intermedios generados en etapas anteriores a la secuencia, allí el organismo no ha evolucionado como para eliminar metabolismos intermedios, como consecuencia de esos desordenes enzimáticos, se van a cumular en el organismo y se excretan las moléculas llamadas precursores, ácido aminolevulico (ALA) y pofobilinogeno o bien distintas porfirinas.

Origen cromosómico del cáncer

El origen de todos los tipos de cáncer está en la mutaciones producidas en determinados genes, los cromosomas que contienen miles de genes se encuentran alterados, ese caos cromosómico representa la causa directa y la fuerza motriz del cáncer. Trabajos científicos afirman que los cambios y la estructura de los cromosomas y no los operados en genes individuales, bastan para iniciar y mantener un proceso tumoral.

Especies Invasoras

Toda especie mantiene la cantidad de cromosomas existentes desde el inicio y se mantiene mientras persiste la especie, mientras los genes mantengan una variación dentro de la misma, como en el caso del ADN en donde ocurren diversos cambios de los cuales algunos pueden ser benignos. A pesar de tal comportamiento natural, en las células cancerosas se presenta violación en la estabilidad de los cariotipos. Así las células tumorales se presentan como aneuploideas, es decir, han ganado o perdido cromosomas, contrariamente a lo que sucede con las células humanas normales o diploides las cuales poseen una copia de sus cromosomas. De esta manera la célula produce cantidades desconmesuradas de las proteínas cifradas por miles de genes que se han multiplicado o perdido, alterando las enzimas que permiten la limpieza del ADN e intervienen en el huso mitótico, es decir, ocurre una desestabilización de los mecanismos de regulación celular.. Todas las alteraciones y combinaciones cromosomica obedecen a una libertad en las células cancerosas para desarrollar nuevos genotipos a partir de sus interacciones con diversas células, haciendo caso omiso a sus obligaciones biológicas en el tejido al cual pertenecen. Como la célula es libre, se desarrolla de tal manera que establece así misma su tamaño, formas metabólicas etc., esta inestabilidad es la que ha marcado la dificultad para eliminar el cáncer.

Psoralenos

Son los primeros fotosensibilizadores utilizados en la piel con los que se demostró que sus reacciones frente a la luz no son siempre de carácter maligno. Estos al ser radiados con luz, reaccionan con la estructura del ADN de las células infecciosas, destruyéndolas. Un estudio realizado por Aarón B. Lerner y Thomas Fizpatric de la universidad de Harvard, analizo el comportamiento de los psoralenos concluyendo que el potencial al cual actúan estos es relativamente alto, al incidir luz sobre su superficie de varias longitudes de onda demostraron que estos reaccionaban bajo la incidencia de rayos ultravioleta; posteriormente se comenzó a aplicar esta técnica como terapia en personas con disfunciones en la piel. Este método se conoce actualmente como PUVA. Bajo la extraordinaria aplicación de la técnica PUVA surgió la inquietud (en Thomas Doughety del instituto Roswell Park del cáncer) de generar algún cambio en la estructura de los psoralenos para verificar si su comportameniento se mantenía acorde con los resultados anteriores, realizando una comparación del potencial de foto sensibilización entre los psoralenos y la porfirina, se dio cuenta que esta última presenta un potencial elevado con respecto a los psoralenos, frente a esta verificación era viable pensar que las porfirinas podrían matar tumores completos en vez de células sueltas como lo hacían los psoralenos. De esta manera fue como surgió la terapia foto dinámica TFD en la cual ciertos fotosensibilizadores catalizan la producción de radicales libres de oxigeno.

También se encontró que las porfirinas presentan un carácter selectivo atribuido a la formación de enlaces y fuerzas eléctricas, y un proceso de aglomeración en la célula a tratar. Contrario a lo que sucede con los psoralenos, estas reaccionan bajo la incidencia de luz roja, debido a que su frecuencia le permite incidir con mayor energía en tejidos profundos. Con el fin de lograr mejores resultados de colimo el rayo de luz roja incidente de manera que solo llegase a la zona a tratar. Sin embargo, a pesar de la opción que presenta en el tratamiento del cáncer, algunas de las porfirinas quedan el tejido aun después de haber atacado las células cancerigenas, en esta media bajo la expocision a la luz solar se presentan sarpullidos en la piel, para quienes se han expuesto a la TFD, que son índice de que las porfirinas están atacando el tejido biológico. En base a dichos efectos secundarios se planteo implantar en el tejido una mezcla de soluto con porfirina pero los resultados fueron nefastos ya que la mezcla al no ser pura no tenía la energía suficiente para entrar el las células totalmente y no eliminar completo el tumor. Otro factor importante que impedía el éxito rotundo de la técnica fue que debido al carácter de aglomeración de las porfirinas, ya que la energía de la radiación incidente seria absorbida por estas, cuando son demasiadas, y no seria suficiente para activarlas. Aunque los resultados en contra de la técnica superaban su viabilidad, estos representaban datos aforos acerca de los lineamientos de se debían seguir para implantar un técnica efectiva, dados los resultados anteriores se sugirió realizar porfirinas sintéticas.

Porfirinas sintéticas

Con el fin de generar mayor potencia en la porfirinas para que estas fueran más profundo en la célula, se crearon las porfirinas sintéticas, que también hacen alusión a una mezcla de solutos pero para el caso fue un poco más estricta en cuanto a la elección de la porfirina ya que no todas actúan igual.

  1. El primer resultado optimó fue la Verteporfirina la cual presento por primera vez la eficacia y potencia requerida, esta fue utilizada para combatir la ceguera, una función más que destruir tumores. Respecto al problema de penetración total en la célula maligna se trata en la actualidad con la fotoangioplastia ya que se inyecta la porfirina, se espera a que se acumule y posteriormente se incide luz de una fuente minúscula. A la porfina se le agrega un polímetro (polilisina de cadena repetitiva), el polímetro abre la capa lipidia de la pared de la bacteria permitiéndole a la porfina entrar en la célula, estando en el interior puede activarse para eliminar dicha célula.
  2. La porfirina borada - deuteroporphyrin IX o BOPP, contiene 40 átomos de B/molécula. El BOPP fue utilizado en diversos estudios con animales, para el tratamiento del cáncer indiferenciado de tiroides, donde demostró tener una captación selectiva y una larga persistencia en gliomas.

Las porfirinas existen en la naturaleza haciendo parte de la clorofila, el hemo y la vitamina B12, cada uno con un tetrapirrol que en su interior contiene un metal diferente.


Terapia fotodinámica

La terapia foto dinámica (TFD), en este caso se presenta como una de las alternativas más viables en el tratamiento de cáncer de piel, permitiendo eliminar las células cancerigenas en forma selectiva además, presenta un gran interés en la medicina ya que es una técnica poco dolorosa y no requiere de cirugías en el paciente . Esta terapia se lleva a cabo por medio de la inyección intravenosa de la porfirinas, éstos pigmentos se concentran en los tumores malignos. El mecanismo de captación celular parece estar relacionado al receptor de la lipoproteína de baja densidad (LDL). Donde al ser expuestos a luz, inician una serie de reacciones moleculares que conllevan a la destrucción de las células y los tejidos que la componen. El domino molecular se lleva a cabo tal que al incidir luz sobre el tumor, la porfirina la absorbe y se activa traspasando energía luminosa a moléculas de oxigeno y creando con ello oxigeno monoatómico el cual reacciona con otras sustancias intracelulares produciendo radicales libres.

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Procedimiento en la TFD

Actualmente se han desarrollado diversas aplicaciones de la TFD en diferentes clínicas de España en las cuales se ha tenido numerosos éxitos respecto as u aplicación y consecuencias futuras, ya que contrariamente a lo que se pensó en un comienzo respecto a su alta probabilidad de destruir el tejido sano después de actuar sobre las lesiones precancerosas y cancerosas, la TFD presenta un comportamiento selectivo atacando solo a las células tumorales y dejando el tejido sano e intacto. Para la aplicación del TFD es fundamental llevar un proceso en el cual se siguen los siguientes parámetros:

  1. Preparación de la lesión,
  2. Aplicación tópica de Metil Aminolevulinato sensible a la luz (aplicado ya sea mediante una pomada o una inyección en el tumor que se fija bajo la superficie cutánea, actúa durante 4 horas aprox.)
  3. La activación de dicha sustancia mediante la iluminación con una fuente de luz específica que activará el propio sistema inmunológico para que acabe destruyendo las células atípicas. (aproximadamente durante 20 minutos)

Con el fin de verificar su eficacia, se sometió la TFD a un estudio con pacientes que sufrían de carcinoma baso celular. En el tratamiento de esta enfermedad el 82% de los pacientes tratados presentaron un resultado excelente o bueno comparado con el 33% de los pacientes que fueron sometidos a cirugía. En base a los resultados se postulo a la TFD como la técnica por excelencia para el tratamiento de tumores cancerigenos, pero se planea incorporarla como ayudante en la cirugía de carcinomas baso celulares.

Tipo de sensibilizador

El daño al ADN inducido por la radiación y la capacidad de la célula de repararlo depende del calidad de la radiación. En base a ello, la radiación que conlleva a una alta transmisión de energía (partículas alfa) es más efectiva biológicamente que la radiación con baja transmisión de energía ( radiación gamma o rayos X) por causar lesiones en el ADN más complejas y difíciles de reparar por los sistemas de reparación de las células.

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Al aplicar fotosensibilizador y exponerlo a la acción de la luz se produce la acumulación de porfirinas en la célula maligna, que adyacentes a esta presentan una fluorescencia rosada detectada mediante luz de Word. Teniendo que se produce una reacción que depende del oxigeno donde un posterior examen con luz de Word revelaría la eliminación de células cancerigenas. La radiación incidente sobre la porfirina debe ser de longitudes de onda determinada produciendo moléculas de oxigeno que atacan los componentes de la célula cancerigena. Es de resaltar que se debe hacer una elección cuidadosa de la porfirina fotosensibilizadora para lo cual es necesario sintetizar y probar la concentración de compuesto puro, ya que este debe penetrar la célula con una frecuencia mayor a la cual penetra en una célula normal, en esta medida la porfirina debe activarse solo bajo la influencia de radiación electromagnética.

Biodistribución de las porfirinas

Se toman dos tipos de porfinas, las MP y las TP que son solubles en agua, se encapsulan en películas vítreas, estas son estudiadas con espectrofometria de absorción y fluorescencia. Los resultados arrojados por estas técnicas muestran que: en medios alcalinos, hay una variación de absorbancia en función del PH, al ser excitadas las porfirinas MP y TP a la luz visible estas emiten radiación, obteniendo un espectro en el visible infrarrojo, para el espectro de emisión se obtienen bandas para la MP entre 625 y 712nm y para las TP 643 y 697nm. El espectro obtenido de absorción y de emisión a diferentes concentraciones de PH se discute bajo los parámetros de la ley de Lambert Beer esta indica la proporcionalidad entre la absorción de la película de porfirinas y su concentración, teniendo valores constantes como son el trayecto óptico (b), la longitud de onda de la luz incidente, la absortividad (E). así la expresión de la ley de Lamber Beer es :


A= Log Lo/L= E.b.c


Siendo: L y L0 índices de radiación de la luz sobre la muestra de porfirinas. A: La absorción de la radiación de luz también se conoce como extinción, a magnitud es adimensional, para la mayoría de espectrofotómetros oscilando entre 0 y 1; claro que para los de tiempo más largos el valor varia.

B: Trayecto óptico: para todos los espectrofotómetros, este valor esta estandarizado. C: La concentración de las porfirinas. E: se define como la absorción de una solución de concentración 1 mol/L a cierta longitud para cada sustancia se obtienen un valor que depende de condiciones como PH, Longitud de onda, temperatura, entre otras.

Cálculo de dosis de radiación

La dosis absorbida de la radiación se define como la energía entregada por unidad de masa del tejido. Sus unidades en el SI es el Gray, 1Gy=1J/kg e igualmente se tiene 1Rad = 0.01J/kg = 0.01Gy

La dosis absorbida por si misma no es una medida adecuada de los efectos biológicos, porque energías iguales de distintas clases de radiación causan diferentes efectos biológicos. Esta variación se describe con un factor numérico llamado Eficacia biológica relativa(EBR). El efecto biológico se describe por el producto de la dosis absorbida y la EBR de la radiación y se llama dosis biológicamente equivalente. Sus unidades en el SI para los humanos es el Sievert (Sv).

Dosis equivalente (Sv) = EBR* dosis absorbida (Gy)

O lo que es igual

Dosis equivalente (Sv) = EBR * dosis absorbida (Rad)

Así la unidad EBR es 1 Sv/ Gy o 1Rem/ rad = 0.01 Sv.

Muerte de la célula

Existen dos procesos fundamentales por los cuales la célula muere, estos son: necrosis y apoptosis. El primero de ellos sucede cuando la célula tiene extremados estímulos que provocan un aumento en la cantidad de agua que entra en la célula mientras que la que se expulsa de esta es mínima, de esta forma la célula aumenta su tamaño hasta romperse y expulsar su contenido, provocando la muerte rápida. El segundo proceso que provoca la muerte de la célula se refiere a la contracción de la misma formando cuerpos apoptoticos que son fagocitados por otros células vecinas, este método es característicamente lento.

Al aplicar fotosensibilizador y exponerlo a la acción de la luz se produce la acumulación de porfirinas en la célula maligna, que adyacentes a esta presentan una fluorescencia rosada detectada mediante luz de Word. Teniendo que se produce una reacción que depende del oxigeno donde un posterior examen con luz de Word revelaría la eliminación de células cancerigenas. La radiación incidente sobre la porfirina debe ser de longitudes de onda determinada produciendo moléculas de oxigeno que atacan los componentes de la célula cancerigena. Es de resaltar que se debe hacer una elección cuidadosa de la porfirina fotosensibilizadora para lo cual es necesario sintetizar y probar la concentración de compuesto puro, ya que este debe penetrar la célula con una frecuencia mayor a la cual penetra en una célula normal, en esta medida la porfirina debe activarse solo bajo la influencia de radiación electromagnética.


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