Các ứng dụng PDT liên quan đến ba thành phần:[2] chất nhạy quang, nguồn sáng và oxy mô. Bước sóng của nguồn sáng cần phải phù hợp để kích thích chất nhạy quang để tạo ra các gốc tự do và/hoặc các loại oxy phản ứng. Đây là các gốc tự do (Loại I) được tạo ra thông qua sự trừu tượng điện tử hoặc chuyển từ một phân tử cơ chất và trạng thái phản ứng cao của oxy được gọi là oxy nhóm đơn (Loại II).

PDT là một quá trình nhiều giai đoạn. Đầu tiên, một chất nhạy cảm ánh sáng với độc tính tối không đáng kể được sử dụng, theo hệ thống hoặc tại chỗ, trong trường hợp không có ánh sáng. Khi một lượng chất nhạy cảm ánh sáng xuất hiện trong mô bệnh, chất nhạy cảm ánh sáng được kích hoạt khi tiếp xúc với ánh sáng trong một khoảng thời gian xác định. Liều ánh sáng cung cấp đủ năng lượng để kích thích chất nhạy cảm ánh sáng, nhưng không đủ để làm hỏng các mô khỏe mạnh lân cận. Oxy phản ứng giết chết các tế bào đích.[5]

Loại oxy phản ứng

Trong không khí và mô, oxy phân tử (O 2) xảy ra ở trạng thái bộ ba, trong khi hầu hết các phân tử khác đều ở trạng thái đơn lẻ. Phản ứng giữa các phân tử triplet và singlet bị cấm bởi cơ học lượng tử, làm cho oxy tương đối không phản ứng ở điều kiện sinh lý. Chất nhạy quang là một hợp chất hóa học có thể được phát huy đến trạng thái kích thích khi hấp thụ ánh sáng và trải qua hệ thống giao thoa (ISC) với oxy để tạo ra oxy nhóm đơn. Loài này có khả năng gây độc tế bào cao, tấn công nhanh chóng bất kỳ hợp chất hữu cơ nào mà nó gặp phải. Nó nhanh chóng bị loại khỏi các tế bào, trong trung bình ba con.[6]

Quá trình quang hóa

Khi một chất nhạy nhạy quang ở trạng thái kích thích (3Psen *), nó có thể tương tác với oxy ba phân tử (3 O2) và tạo ra các gốc và các loại oxy phản ứng (ROS), rất quan trọng đối với cơ chế Loại II. Những loài này bao gồm oxy nhóm đơn (1 O2), gốc hydroxyl (• OH) và ion superoxit (O 2-). Chúng có thể tương tác với các thành phần tế bào bao gồm lipit không bão hòa, dư lượng amino acid và axit nucleic. Nếu đủ thiệt hại oxy hóa xảy ra, điều này sẽ dẫn đến cái chết của tế bào đích (chỉ trong khu vực được chiếu sáng).[5]

Cơ chế quang hóa

Khi một phân tử chromophore, chẳng hạn như phân tử tetrapyrrolic tuần hoàn, hấp thụ một photon, một trong số các electron của nó được đưa vào quỹ đạo năng lượng cao hơn, nâng chất nhiễm sắc từ trạng thái cơ bản (S0) lên trạng thái kích thích điện tử ngắn (S0). S n) bao gồm các cấp phụ rung động (S n). Nhiễm sắc thể bị kích thích có thể mất năng lượng bằng cách phân rã nhanh chóng qua các cấp độ phụ này thông qua chuyển đổi bên trong (IC) để tạo ra trạng thái đơn lẻ bị kích thích đầu tiên (S1), trước khi nhanh chóng thư giãn trở lại trạng thái cơ bản.[5]

Sự phân rã từ trạng thái singlet bị kích thích (S1) sang trạng thái cơ bản (S0) là thông qua huỳnh quang (S1 → S0). Kiếp bang singlet của fluorophore phấn khích rất ngắn (τ fl. = 10-9-10-6 giây) kể từ khi chuyển tiếp giữa các trạng thái spin cùng (S → S hoặc T → T) bảo tồn đa dạng spin của electron và theo Do đó, các quy tắc lựa chọn Spin được coi là chuyển tiếp "được phép". Ngoài ra, một electron trạng thái singlet bị kích thích (S1) có thể trải qua quá trình đảo ngược spin và tạo ra trạng thái bộ ba kích thích đầu tiên có năng lượng thấp hơn (T1) thông qua giao thoa hệ thống giao nhau (ISC); một quá trình cấm spin, vì spin của electron không còn được bảo tồn. Sau đó, electron bị kích thích có thể trải qua quá trình đảo ngược spin thứ hai và làm mất trạng thái bộ ba bị kích thích (T1) bằng cách phân rã về trạng thái cơ bản (S0) thông qua quá trình lân quang (T1 → S0). Do bộ ba bị cấm quay để chuyển tiếp đơn lẻ, thời gian lân quang (τP = 10 3- 1 giây) dài hơn đáng kể so với huỳnh quang.[5]

Quang nhạy cảm và quang hóa

Các chất nhạy cảm ánh sáng Tetrapyrrolic ở trạng thái singlet bị kích thích (1Psen *, S> 0) tương đối hiệu quả trong giao thoa hệ thống và do đó có thể có năng suất lượng tử ba trạng thái cao. Tuổi thọ dài hơn của loài này là đủ để cho phép bộ nhạy quang trạng thái ba kích thích tương tác với các phân tử sinh học xung quanh, bao gồm các thành phần màng tế bào.[5]

Phản ứng quang hóa

Các chất nhạy cảm ánh sáng ba trạng thái kích thích có thể phản ứng thông qua các quá trình Loại I và Loại II. Các quy trình loại I có thể liên quan đến bộ cảm biến quang đơn hoặc bộ ba kích thích (1Psen *, S1; 3Psen *, T1), tuy nhiên do thời gian tồn tại ngắn của trạng thái singlet bị kích thích, bộ cảm biến quang chỉ có thể phản ứng nếu nó liên quan mật thiết với chất nền. Trong cả hai trường hợp, sự tương tác là với các chất dễ bị oxy hóa hoặc có thể khử. Các quy trình loại II liên quan đến sự tương tác trực tiếp của bộ cảm biến quang ba kích thích (3Psen *, T1) với oxy phân tử (3 O2, 3 Σ g).[5]

Quy trình loại I

Các quy trình loại I có thể được chia thành Loại I (i) và Loại I (ii). Loại I (i) liên quan đến việc chuyển một điện tử (oxy hóa) từ phân tử cơ chất sang chất nhạy cảm ánh sáng trạng thái kích thích (Psen *), tạo ra một anion gốc nhạy cảm với ánh sáng (Psen •-) và một cation gốc cơ chất (subs • +). Phần lớn các gốc được tạo ra từ các phản ứng loại I (i) phản ứng tức thời với oxy phân tử (O 2), tạo ra hỗn hợp các chất trung gian oxy. Ví dụ, anion gốc nhạy cảm có thể phản ứng tức thời với oxy phân tử (3 O2) để tạo ra anion gốc superoxit (O 2 •-), có thể tiếp tục tạo ra gốc hydroxyl phản ứng cao (OH •), tạo ra dòng thác của các gốc tự do gây độc tế bào; quá trình này là phổ biến trong thiệt hại oxy hóa của axit béo và các lipit khác.[5]

Quá trình loại I (ii) liên quan đến việc chuyển một nguyên tử hydro (khử) sang chất nhạy quang trạng thái kích thích (Psen *). Điều này tạo ra các gốc tự do có khả năng phản ứng nhanh với oxy phân tử và tạo ra một hỗn hợp phức tạp của các chất trung gian oxy phản ứng, bao gồm các peroxit phản ứng.[5]

Quy trình loại II

Các quá trình loại II liên quan đến sự tương tác trực tiếp của chất nhạy quang trạng thái bộ ba kích thích (3Psen *) với oxy phân tử trạng thái mặt đất (3 O2, 3 Σ g); một spin cho phép chuyển đổi, các chất nhạy quang trạng thái kích thích và oxy phân tử trạng thái mặt đất có cùng trạng thái spin (T).[5]

Khi chất nhạy quang bị kích thích va chạm với oxy phân tử, một quá trình hủy diệt bộ ba- ba xảy ra (3Psen * → 1Psen và 3 O2 → 1 O2). Điều này làm đảo ngược spin của các electron chống tăng dần ngoài cùng của một phân tử oxy (3 O2), tạo ra hai dạng oxy nhóm đơn (1 Δ g và 1 Σ g), đồng thời làm mất trạng thái bộ ba kích thích của bộ cảm biến quang (T1 → S0). Trạng thái oxy nhóm đơn năng lượng cao hơn (1 Σ g, 157kJ mol 1> 3 g) rất ngắn (1 Σ g ≤ 0,33 mili giây (metanol), không thể phát hiện được trong H 2 O/D 2 O) và nhanh chóng thư giãn đến trạng thái kích thích năng lượng thấp hơn (1 Δ g, 94kJ mol 1 > 3 Σ g). Do đó, đây là dạng oxy nhóm đơn năng lượng thấp hơn (1 Δ g) có liên quan đến tổn thương tế bào và chết tế bào.[5]

Các loài oxy nhóm đơn phản ứng cao (1 O2) được tạo ra thông qua quy trình Loại II hoạt động gần với thế hệ của chúng và trong bán kính khoảng 20   nm, với tuổi thọ điển hình khoảng 40 nano giây trong các hệ thống sinh học.[5]

Có thể là (trong khoảng thời gian 6)s) oxy nhóm đơn có thể khuếch tán lên tới xấp xỉ 300   bước sóng in vivo. Về mặt lý thuyết, oxy nhóm chỉ có thể tương tác với các phân tử và cấu trúc gần trong bán kính này. ROS bắt đầu các phản ứng với nhiều phân tử sinh học, bao gồm dư lượng amino acid trong protein, chẳng hạn như tryptophan; lipit không bão hòa như cholesterol và axit nucleic, đặc biệt là các dẫn xuất guanosine và guanine, với cơ sở sau dễ bị nhiễm ROS hơn. Những tương tác này gây ra thiệt hại và khả năng phá hủy màng tế bào và mất hoạt tính enzyme, đỉnh điểm là chết tế bào.[5]

Có thể là do sự hiện diện của oxy phân tử và là kết quả trực tiếp của quá trình quang hóa của phân tử nhạy quang, cả hai con đường loại I và II đều đóng vai trò then chốt trong việc phá vỡ cơ chế tế bào và cấu trúc tế bào. Tuy nhiên, bằng chứng đáng kể cho thấy quá trình oxy hóa hình ảnh loại II chiếm ưu thế trong việc gây tổn thương tế bào, hậu quả của sự tương tác giữa chất nhạy cảm ánh sáng chiếu xạ và oxy phân tử. Các tế bào in vivo có thể được bảo vệ một phần chống lại các tác động của liệu pháp quang động bằng sự hiện diện của các chất tẩy oxy oxy đơn (như histidine). Một số tế bào da có khả năng kháng PDT trong trường hợp không có oxy phân tử; tiếp tục ủng hộ đề xuất rằng quy trình Loại II là trung tâm của cái chết tế bào quang hóa.[5]

Hiệu quả của các quá trình Loại II phụ thuộc vào tuổi thọ của bộ ba τ T và năng suất lượng tử của bộ ba (ΦT) của chất nhạy quang. Cả hai tham số này đều có liên quan đến hiệu quả quang trị liệu; hỗ trợ thêm cho sự khác biệt giữa các cơ chế Loại I và Loại II. Tuy nhiên, sự thành công của máy đo độ nhạy không phụ thuộc hoàn toàn vào quy trình Loại II. Nhiều chất nhạy cảm ánh sáng hiển thị vòng đời ba kích thích quá ngắn để cho phép quá trình Loại II xảy ra. Ví dụ, chất nhạy quang octaethylbenzochlorin được mạ kim loại có tuổi thọ ba lần dưới 20 nano giây và vẫn được coi là một tác nhân quang động hiệu quả.[5]