光子醫學治療原理

----光動力治療主要內容光動力治療概念光動力治療發展概況光動力治療的基本原理光敏藥物光動力治療的應用光動力反應的機制光動力治療的評價當前進展及未來方向什么是光動力治療光動力學療法（PhotodynamicTherapy,PDT）:某些外源性的光敏劑也稱生物染料（如血卟啉、丫啶等），能夠被腫瘤或病變組織攝取、并在其中潴留；在特定波長光的照射下，通過O2的參與，能夠發生光敏化反應，從而破壞光敏劑所在的腫瘤或病變組織，這一系列的化學反應過程被稱為光動力學過程，利用這個過程治療疾病，稱為光動力學療法光動力治療過程示意圖光動力治療發展史古中國、埃及、印度人治療白癜風。1898年，Moller報告可見光對某些皮膚病有治療作用1900年，Raad發現用丫啶橙染色以后的草履蟲對光敏感，可導致草履蟲死亡。1904年，Tappeiner進行了大量研究，第一次提出了“光動力學作用（Photodynamic）”這個術語，用來描述生物組織中需要氧氣、光敏劑和光的反應。1909年，Hausman第一個描述了光動力作用，他用光照射注射了卟啉（Hematoporphyrin,HP）的老鼠，發現反應程度直接依賴于光敏劑劑量和光劑量。光動力治療發展史1924年，Policard在紫外光下，他觀測到腫瘤組織發出的橘紅色熒光，第一個認為卟啉在人和動物腫瘤中的診斷價值。1948年，Figger發現外源性血卟啉可迅速聚集在增生或新生的組織中，特別是腫瘤組織，從此首次肯定了血卟啉與腫瘤組織有特別的親和力。1961年，Lipson和Baldes將血卟啉用化學處理制成血卟啉衍生物，進一步提高了腫瘤中的熒光反應和殺傷能力，而且大大減少血卟啉的劑量。每千克體重只用2.5~5.0mg即可達到診斷和治療目的。光動力治療發展史1966年，Lipson報道使用血卟啉衍生物用于發現惡性腫瘤，并且首次用于治療乳腺癌。70年代中期，Dougherty等對血卟啉鈉鹽的生物化學和細胞損傷機制進行了一系列研究，為PDT的臨床應用奠定了基礎。1981年，同仁醫院在國內成功地治療了第一例左下瞼基底下細胞癌的病人，現在已經發展到治療和診斷肺癌、胃癌、腸癌等。在目前的治療病種之多及接受治療者之眾超過了任何一個國家。光動力治療發展史1996年，被美國FDA批準應用于臨床，而且在美國、日本、英國、法國、德國、加拿大等發達國家用于多種腫瘤治療取得很大成功2003年5月，中國SFDA批準這一治療系統進入臨床應用PDT治療過程給藥：皮試、靜脈（5mg/kg體重計算劑量)、或者局部給藥（PDT藥物）選擇性吸收：PDT藥物在腫瘤組織中長時間聚集光照：當血卟啉鈉鹽被激發時，有特征峰630nm,690nm，體表病灶可直接用濾光片觀察，選擇合適波長的光源；光化學反應：PDT藥物在光的誘導下產生單態氧殺死癌細胞藥物清除，降低光敏反應光動力反應破壞細胞的機制PDT藥物吸收光單重態系間轉換三重態I型反應過程Ⅱ型反應過程3P*+H2O*OH或H2O23P*+3O2

1P+1O2*氧化細胞成份細胞產生毒性光動力作用致細胞毒理反應機制PDT藥物吸收光能后被激發到單重態通過系間轉換過渡到壽命較長的三重態，它決定著氧的活性細胞毒理的兩種反應類型I型反應過程：光敏劑與水或生物分子發生的電子（或氫）傳遞反應，產生了自由基、過氧化氫或超氧化氫，從而殺死細胞；Ⅱ型反應過程：光敏劑的三重態與基態分子氧發生能量傳遞產生單重態氧，單重態氧是一種高反應活性的物質，能高效地氧化生物分子，殺死腫瘤細胞。

自由基學說認為激發態血卟啉鈉鹽直接與生物分子作用或將能量轉移給氧和水，使之形成自由基，通過自由基引起生物分子的一系列連鎖反應，造成腫瘤細胞的死亡。單態氧細胞毒理學說1976年，Weishaupt等報導用620~640nm光輻照含有血卟啉鈉鹽的癌組織時，在能量的轉移過程中，由光動力學作用產生單態氧

HPD+hv

1HPD*HPD*

3HPD*3HPD*+3O2

1O2*+HPD

1O2*+腫瘤細胞

氧化反應

1O2*

3O2兩者同存也有人認為兩種機理的作用同時存在，這取決于血卟啉鈉鹽的濃度和聚焦程度，濃度低時以單態氧為主，濃度高時以自由基為主。PDT治療的必備條件光源及光傳輸裝置單色光的選擇性吸收與光纖耦合合適光照劑量表面：25-200J/cm2深部：100-400J/cm2功率：1-2W光敏劑應具備的條件光敏化劑中能夠促使光與組織產生光敏作用的物質，光敏化作用中，其本身起著能量轉化作用而不被消耗選擇性好：選擇性聚集于癌或癌前病變組織兩性分子疏水性：易穿透細胞膜，便于定位親水性：能隨血流擴散波長特異性：最大吸收峰應位于組織穿透深度較大的紅光區域光敏劑應具備的條件光毒性小：對自然光的吸收小，副作用小高量子產率：從激發的單重態向三重態的系間轉換效率高三重態的壽命長可以增強毒理反應的機會非多聚體：多聚體會降低消光系數；多聚體縮短三重態的量子產率與壽命；排泄快：降低毒性、減小PDT治療后光毒性常用光敏藥物第一代光敏藥物----血卟啉衍生物第二代光敏藥物----成分更單一、吸收峰向長波長移動改良卟啉衍生物：苯并卟啉類衍生物與5-氨基乙酰丙酸綠素降解產生衍生物藻膽蛋白竹紅菌素富勒烯五氮齒酞菁染料血卟啉的來源動物（牛或豬）血中的血紅蛋白（HP）

（降解）

氯化血紅素

（溴化）二溴血卟啉

（水解）血卟啉

（成鹽）

血卟啉鈉鹽（HPD）分子量598.7，分子式C34H38O6N4血卟啉鈉鹽的性質血卟啉呈暗紅色，酸堿二性，不溶于水，易溶于酸或堿，也易溶于酸性和堿性有機溶液。血卟啉鹽溶于水。血卟啉鈉鹽由四個大吡咯環連接組成大環，形成一個Pπ共軛體系，因此很容易接受光能而發生電子躍遷，使血卟啉鈉鹽分子由基態變為激發態。當電子從高能級回到低能級時，激發態分子釋放能量回到基態，因此產生熒光。血卟啉鈉鹽的激發與發射譜激發光的峰值405nm熒光光譜的峰值630nm690nm血卟啉鈉鹽在腫瘤組織中濃度較高的原因

在惡性腫瘤和正常組織的吸收比大于10;血卟啉鈉鹽在正常組織中的滯留時間為24~72小時，但皮膚組織中的血卟啉鈉鹽排泄時間較長。一些動物實驗的結果表明血卟啉鈉鹽在肝、腎、脾中的濃度比腫瘤中要高;正是利用血卟啉鈉鹽在正常組織和惡性組織中的分布和潴留時間有明顯差異的特性，利用光動力療法對惡性腫瘤進行選擇性治療;血卟啉衍生物的不足混和物組成比例不穩定排泄緩慢、皮膚光毒性大，需避光4-6周紅光區吸收低，影響治療深度苯并卟啉類衍生物（BPD）組分單一與HPD有相似的母核二氫卟酚相似的紅光區高吸收長波吸收大690nm35000M-1cm-1苯并卟啉衍生物（BPD）單態氧產額高I與II

期臨床表明在腫瘤聚集更迅速皮膚光毒性更小已被允許用于老年斑治療可能應用凈化白血病的骨髓清除血液制品污染的抗病毒試劑5-氨基乙酰丙酸(-ALA)一種自然的卟啉前體,本身并非光敏藥物，外源攝入

一ALA可促進某些類型的細胞組織的內源性原卟啉Ⅸ的生物合成以產生血紅蛋白。癌細胞內酶的變化可促成原卟啉IX的內源性產生并積累到足以成為光敏劑的水平。5-氨基乙酰丙酸特點4-6小時迅速達到治療部位24小時清除體外對皮膚無光毒性每隔24小時可重復治療在體熒光分析可通過局部或全身性臨床應用：光老化治療綠素類與菌綠素綠素類與菌綠素PDT藥物特點其吸收向長波方向移動，在750-800nm仍有吸收光敏劑在體內的滯留時間有限未通過FDA批準腫瘤治療早期小細胞支氣管肺癌、其它支氣管肺癌、肺部間質瘤梗阻性的食道癌早期食道癌皮膚癌乳腺癌腦癌結腸、直腸癌婦科惡性腫瘤光動力治療應用其它疾病治療心血管疾病慢性皮膚疾病（牛皮癬）免疫性疾病（風濕）抗菌（傷口感染、口腔潰瘍）血液制品滅菌疫苗

試管內血卟啉－激光對C6神經膠質瘤細胞（C6gliomacells）的作用

照射以前照射24小時以后（632nm，25J/cm2)右圖可以看見PDT殺滅癌細胞后留下的空洞。腦腫瘤治療PDT治療食管鱗狀癌細胞PDT以前碘染色后PDT治療以后光動力治療機制細胞免疫光動力活化血管定位線粒體細胞凋亡定位質膜壞死血管損傷血管基層爆露、血小板聚集、血流停、血管關閉釋放炎癥因子損傷炎癥細胞免疫抑制PDT作用的部位體外實驗中，發現細胞膜是PDT的主要作用部位，細胞可由于PDT產生膜大泡、膜溶解、酶失活、蛋白變性等。有時在線粒體、溶酶體和細胞核膜上出現改變。體內應用光氧化破壞首先作用部位是毛細胞血管。PDT對細胞靶向性作用

生物膜：如細胞膜和細胞器膜上，特別是線粒體、微粒體、內質網膜、溶酶體及核膜；

DNA：可以引起染色體的斷裂、突變和移位、引起DNA與酶和蛋白質的交聯等；蛋白質：抗原、抗體、細胞內微量元素等，在血卟啉鈉鹽光敏作用下發生異常；PDT對細胞靶向性作用光敏劑在細胞部位產生的單重態氧微秒的壽命僅能在0.02

m產生光損傷定位在線粒體的光敏劑（PHD，ALA產生的原卟啉）導致細胞凋亡定位于細胞膜上的光敏劑（酞菁染料）引起細胞壞死卟吩類衍生物（m-THPC）對人體結腸腺癌細胞的光化學作用PDT對血管的破壞血卟啉鈉鹽誘導的PDT能迅速攻擊血管，并使血流停止、出血，直接或間接致使腫瘤細胞缺氧致死。血管損傷與光敏劑的類型無關，但與光照時光敏劑聚集水平直接相關。血管損傷過程內皮細胞收縮---血管基層爆露---血小板聚集

----血流停止----血管關閉PDT誘導免疫應答免疫應答與光敏劑有關Releaseofinflammatorymediatory（炎癥因子的釋放）Damageofinflammatorycell（炎性細胞損傷）Immunosuperpression（免疫抑制）光動力治療的評價優點：（1）有選擇性地破壞惡性腫瘤的能力，對正常組織有損傷很小，保留重要器官的功能；（2）適用范圍廣，對不同組織的惡性腫瘤都能進行治療；（3）對重要器官無損傷；（4）治療效率高，較小的光輸出功率就具有治療效果；（5）不會產生抗藥性；（6）既能診斷又能進行治療；常規PDT療法的缺點生物體會很強的吸收和散射可見光譜內的光，在距離表皮幾厘米的深度照射光喪失了相當部分能量。因此，很難用常規的PDT療法來治療大型腫瘤或體腔內很深的腫瘤。激光穿透腫瘤周圍的健康組織并且造成傷害。具有光毒性后應，皮膚的光敏反應大，用藥后要避光一段時間。2024/1/3043當前進展及未來方向理想PDT藥物的研發光源：多光子激發具有識別功能的光敏劑特定序列的肽鏈作為側基引入治療藥物分子糖基的修飾的光敏劑光敏劑與寡核苷酸共價偶聯雙光子激發采用近紅外激光穿透腫瘤，對深部組織進行治療。激發比例是一個關于光子濃度平方的函數光子激發要求因為雙光子激發