Techniques for fluorescence detection of protoporphyrin IX in skin cancers associated with photodynamic therapy

Abstract Photodynamic therapy (PDT) is a treatment modality that uses a specific photosensitizing agent, molecular oxygen, and light of a particular wavelength to kill cells targeted by the therapy. Topically administered aminolevulinic acid (ALA) is widely used to effectively treat cancerous and precancerous skin lesions, resulting in targeted tissue damage and little to no scarring. The targeting aspect of the treatment arises from the fact that ALA is preferentially converted into protoporphyrin IX (PpIX) in neoplastic cells. To monitor the amount of PpIX in tissues, techniques have been developed to measure PpIX-specific fluorescence, which provides information useful for monitoring the abundance and location of the photosensitizer before and during the illumination phase of PDT. This review summarizes the current state of these fluorescence detection techniques. Non-invasive devices are available for point measurements, or for wide-field optical imaging, to enable monitoring of PpIX in superficial tissues. To gain access to information at greater tissue depths, multi-modal techniques are being developed which combine fluorescent measurements with ultrasound or optical coherence tomography, or with microscopic techniques such as confocal or multiphoton approaches. The tools available at present, and newer devices under development, offer the promise of better enabling clinicians to inform and guide PDT treatment planning, thereby optimizing therapeutic outcomes for patients. Zusammenfassung Die photodynamische Therapie (PDT) ist eine Behandlungsmethode, die einen bestimmten Photosensibilisator, molekularen Sauerstoff und Licht einer bestimmten Wellenlänge nutzt, um Zellen gezielt zu zerstören. Der Einsatz topisch verabreichter Aminolävulinsäure (ALA) ist weit verbreitet, um präkanzeröse und kanzeröse Hautveränderungen effektiv zu behandeln, indem gezielt Gewebeschäden erzeugt werden – ohne bzw. mit minimaler Narbenbildung. Der zielgerichtete Effekt der Behandlung ergibt sich aus der Tatsache, dass ALA in neoplastischen Zellen vorzugsweise in Protoporphyrin IX (PpIX) umgewandelt wird. Um die Menge an PpIX im Gewebe zu überwachen, wurden Techniken entwickelt, die es erlauben, die PpIX-spezifische Fluoreszenz, welche nützliche Informationen über die Menge und Lage des Photosensibilisators vor und während der Beleuchtungsphase der PDT liefert, zu messen. Der vorliegende Übersichtsartikel fasst den aktuellen Stand dieser Fluoreszenzdetektionstechniken zusammen. Für die PpIX-Überwachung in oberflächlichen Gewebebereichen stehen bereits non-invasive Geräte für Punkt-Messungen oder für die optische Weitwinkel-Bildgebung zur Verfügung. Um den Zugriff auf Informationen aus größeren Tiefen des Gewebes zu erhalten, wurden multimodale Techniken entwickelt, die die Fluoreszenzmessungen mit Ultraschall, optischer Kohärenztomographie oder mit mikroskopischen Techniken (konfokale Laser-Scanning Mikroskopie, Mehrphotonenmikroskopie) kombinieren. Zusammenfassend kann man sagen, dass die derzeit verfügbaren Tools und die neueren Geräte in der Entwicklung eine bessere Information der Kliniker und somit eine verbesserte PDT-Therapieplanung resultierend in einer Optimierung der Behandlungsergebnisse für die Patienten versprechen.