Développement des phtalocyanines pour la thérapie photodynamique du cancer : relation entre la structure chimique des phtalocyanines et leur activité photobiologique

Abstract

La thérapie photodynamique est proposée comme alternative pour traiter certaines tumeurs malignes. Cette modalité thérapeutique induit la nécrose tumorale en tuant directement les cellules néoplasiques (effet direct) ou en détruisant la microvascularisation tumorale (effet indirect). En clinique, la Photofrin II agit essentiellement par effet indirect dont l'inconvénient majeur est de permettre la recroissance tumorale lorsque les vaisseaux sanguins entourant la tumeur ne sont pas complètement détruits. En accentuant à la fois le caractère hydrophobe et amphiphile du photosensibilisateur, l'effet direct sur les cellules néoplasiques devrait être favorisé, ce qui réduirait les probabilités de recroissance tumorale, et améliorerait ainsi l'efficacité de la thérapie photodynamique. Le but de nos travaux est d'étudier la relation entre la structure chimique de divers phtalocyanlnes et leur activité photobiologique à médier l'effet tumoral direct ou indirect. Une meilleure compréhension des paramètres qui influencent la thérapie photodynamique nous permettra d'orienter la synthèse chimique vers des photosensibilisateurs plus efficaces pour éliminer les tumeurs malignes en détruisant directement les cellules néoplasiques. Les phtalocyanlnes étudiées étaient complexées soit avec l'aluminium, le gallium, le silicium ou le zinc puis substituées, à différents degrés, sur les noyaux benzènes en périphérie, soit avec des chlores, des nitros, des phtalimidométhyles, des sulfonates ou des tertio-butyles. Des groupements axiaux hydroxyles ont été aussi ajoutés sur le métal central silicium tandis que les naphtalocyanines et les N, N', N'', N'''-tétraméthyletétrapyridinoporphyrazines étaient complexées avec l'aluminium, le gallixim ou le zinc. L'effet isolé des groupements périphériques et axiaux sur l'efficacité photobiologique des phtalocyanines a été évalué en mesurant au besoin: leur coefficient de partage (n-octanol/tampon Tris); leur constante de dimérisation; leur capacité à générer l'oxygène singulet; leur accumulation cellulaire in vitro et in vivo; la survie cellulaire in vitro des fibroblastes pulmonaires d'hamster chinois (lignée V-79) et des cellules néoplasiques EMT-6 (ex vivo); leur effet sur la vascularisation tumorale; leur capacité à induire la guérison tumorale (élimination de la tumeur) ainsi que leur effet phototoxique sur deux cibles intracellulaires, soit la membrane cytoplasmique et le métabolisme énergétique. Une diminution du nombre des sulfonates et une augmentation des chlores, nitros, phtalimidométhyles ou tertio-butyles augmentaient le caractère hydrophobe des phtalocyanines tout en conservant leur capacité à générer l'oxygène singulet. Ce gain du caractère hydrophobe accentuait l'accumulation cellulaire in vitro ainsi que l'efficacité photocytotoxique des phtalocyanines amphiphiles jusqu'à un niveau optimal obtenu avec le GaOH-PcS2a(t-butyle)2a. En corrigeant le potentiel photocytotoxique (LD9O) en fonction de la quantité de Pc absorbés dans les cellules, on constate que les substituants tertiobutyles et chlores accentuaient aussi l'efficacité photobiologique relative d'un facteur 4.5 et 3.3, respectivement, en comparaison au standard non substitué GaOH-PcS2a. Ces substituants amélioreraient soit la distribution intracellulaires des PcS ou l'interaction entre le Pc et les molécules cibles. Inversement, les phtalocyanines substituées avec soit les nitros ou les hydroxyles axiaux ainsi que les naphtalocyanines et les N, N', N'', N'''- tétraméthyletétra-pyridinoporphyrazines ont démontré un très faible potentiel photocytotoxique dû soit à l'absence du caractère amphiphile, à une répulsion stérique entre le PcS et les molécules cibles, à une mauvaise distribution intracelllulaire ou à un manque de photostabilité. In vivo, le caractère amphiphile des PcS demeure un paramètre important pour médier à la fois la phototoxicité directe et l'effet indirect sur la microvascularisation. Au niveau cellulaire, l'impact du caractère amphiphile était moins important que prévu puisque la différence de potentiel phototoxique entre le Zn-PcS2 et le Zn-PcS4 est passée de 300 in vitro à seulement 3 in vivo. Les phtalocyanines sulfonates complexées avec le zinc ont démontré le meilleur potentiel phototoxique. Le Zn-PcS1 a été le plus efficace pour induire la réponse tumorale (nécrose suivie de l'élimination de la tumeur) suivi du Zn-PcS2 et du Zn-PcS4; cependant, le potentiel phototoxique direct relatif du Zn-PcS4 était 2.7 fois plus élevé que celui du Zn-PcS2 amphiphile. L'absence du caractère amphiphile nuirait à l'accumulation cellulaire in vivo, mais le caractère hydrophile du Zn-PcS4 favoriserait une distribution intracellulaire sur des cibles non lipidiques et plus photosensibles qui pourraient être les protéines de la membrane cytoplasmique. D'un point de vue absolu, l'effet tumoral direct et indirect devrait être accentué en utilisant des phtalocyanines complexées avec le zinc et substitué avec un sulfonate et trois tertio-butyles ou trois phtalimidométhyles. Cependant, en accentuant l'accumulation cellulaire de phtalocyanines hydrophiles, on devrait aussi améliorer l'effet tumoral direct. Le caractère hydrophile pourrait être obtenu en utilisant une phthalocyanine trisulfonate, tandis qu'une substitution sur le benzène libre avec un groupement fortement hydrophobe amènerait le caractère amphiphile.