發(fā)布日期：2019-06-25

　　治療癌癥？你大概會(huì)想到手術(shù)、放療、化療和免疫治療等方法，不過，你知道嗎，“光”也能對(duì)付癌癥！

　　光動(dòng)力療法是一項(xiàng)問世于二十世紀(jì)70年代末，并在近幾年得到迅猛發(fā)展的選擇性治療新技術(shù)。該療法擁有創(chuàng)傷小，選擇性好且毒性低，無耐藥性的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 雙光子動(dòng)力學(xué)療法（圖片來源：上海東方衛(wèi)視）

　　實(shí)現(xiàn)深層腫瘤的光學(xué)成像與診療一直是生物醫(yī)學(xué)和光學(xué)等交叉學(xué)科研究領(lǐng)域科研人員的努力方向。中科院上海光機(jī)所同香港科技大學(xué)合作，近期在雙光子光動(dòng)力治療研究中，利用800nm飛秒激光實(shí)現(xiàn)了小鼠深度腫瘤診療，為深層組織腫瘤治療提供了新的診療方案。相關(guān)論文”AlPcS-loaded gold nanobipyramids with high two-photon efficiency for photodynamic therapy in vivo”發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Nanoscale上（想看論文請(qǐng)戳“閱讀原文”）。

　　三步看懂光動(dòng)力療法

　　光動(dòng)力療法是利用光敏劑、激光和氧分子三種要素治療腫瘤的一種全新方法?？吹竭@里，你腦袋中是不是有一大堆的疑問：雙光子是什么？光敏劑又是什么？它們究竟怎樣治療腫瘤的呢？

　　雙光子：?jiǎn)挝还饷魟┍患す饧ぐl(fā)時(shí)，需要兩個(gè)光子同時(shí)參與反應(yīng)。

　　光敏劑：在光動(dòng)力治療過程中可以吸收光子并把能量傳遞給氧分子的化合物，它相當(dāng)于傳遞能量的中介機(jī)構(gòu)。

　　雙光子動(dòng)力學(xué)療法治療腫瘤主要分為三步（動(dòng)圖由作者繪制）：

　　第一步，精準(zhǔn)識(shí)別腫瘤細(xì)胞。這一步主要由光敏劑與光敏劑遞送載體共同完成。光敏劑遞送載體就像是一輛與光敏劑相匹配的運(yùn)輸車，將光敏劑運(yùn)送到目標(biāo)位置。目前相對(duì)高效準(zhǔn)確的方式是在載體表面或光敏劑上修飾靶向分子，可以與腫瘤細(xì)胞表面的受體進(jìn)行結(jié)合而不會(huì)與正常細(xì)胞結(jié)合，進(jìn)而通過內(nèi)吞功能進(jìn)入腫瘤細(xì)胞。

作者繪制

　　第二步，激光照射標(biāo)記區(qū)。當(dāng)沒有光照射時(shí)，光敏劑具有很好的暗穩(wěn)定性，會(huì)“安靜”的待在腫瘤細(xì)胞內(nèi)部，基本不會(huì)產(chǎn)生毒副作用。而當(dāng)激光照射到腫瘤組織時(shí)，負(fù)載光敏劑的遞送載體會(huì)被兩個(gè)光子所激發(fā)到達(dá)單線態(tài)，通過系間竄躍到達(dá)三線態(tài)，因?yàn)樵谌€態(tài)的壽命較長(zhǎng)，可以與周圍的氧氣、水等發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生單線態(tài)氧、超氧根離子、自由基等活性物質(zhì)，這些活性物質(zhì)具有強(qiáng)氧化性或強(qiáng)還原性。

作者繪制

　　第三步，消滅腫瘤細(xì)胞?；钚匝跸麥绨┘?xì)胞的途徑主要有三種：一種是破壞腫瘤組織附近的微血管，引起病灶血供不足，間接導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞死亡；另一種是可以與細(xì)胞內(nèi)蛋白、DNA、脂質(zhì)等結(jié)合使細(xì)胞失活導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞凋亡、壞死或自體吞噬；還有一種方式是局部誘發(fā)非特異性應(yīng)急炎性反應(yīng)以及后期的一系列免疫反應(yīng)，對(duì)于抑制和破壞腫瘤具有持續(xù)性的系統(tǒng)效應(yīng)。

作者繪制

　　如何解決兩大難題？

　　目前，基于光動(dòng)力學(xué)療法的光敏劑已投入臨床使用。比如：光敏劑苯并卟啉衍生物單酸在 2000 年被美國(guó)食品與藥品監(jiān)督管理局 （FDA） 批準(zhǔn)用于癌癥和視網(wǎng)膜黃斑變性的臨床治療；我國(guó)第二軍醫(yī)大學(xué)研制的血卟啉單甲醚也已經(jīng)上市，被批準(zhǔn)用于鮮紅斑痣的臨床治療。

　　但是，光動(dòng)力療法的臨床應(yīng)用目前局限于皮膚疾病或者淺表腫瘤。該療法存在的不足之處主要是：1。 光敏劑對(duì)腫瘤組織缺乏足夠的靶向性以及光毒性等缺陷；所謂光毒性是指光動(dòng)力治療結(jié)束后，光敏劑無法立即代謝排出體外，當(dāng)病人接觸太陽光、日光燈等光線時(shí)，滯留在正常組織內(nèi)的光敏劑依然可以進(jìn)行光動(dòng)力治療，破壞正常細(xì)胞，產(chǎn)生光毒性；2。 由于光敏劑需要與光發(fā)生反應(yīng)，而光在人體組織的穿透能力較差，所以很難進(jìn)行深層治療。

　　這次，上海光機(jī)所在光動(dòng)力療法研究方面主要解決了光穿透能力差的難題。

　　他們?cè)O(shè)計(jì)并試用了新型金納米雙錐體來負(fù)載光敏劑。

　　金納米雙錐體具有化學(xué)惰性和很小的生物毒性，更強(qiáng)的局部電場(chǎng)增強(qiáng)和極高的雙光子截面作用。其雙光子作用截面比光敏劑本身要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，可以更高效地將能量轉(zhuǎn)移到附著的光敏劑上，間接地使氧分子敏化，產(chǎn)生更多的活性氧。

　　為了能夠使光線到達(dá)更深入的部位，他們采用生物光學(xué)窗口（ 即光在生物組織內(nèi)穿透深度達(dá)到最大值的波長(zhǎng)區(qū)間）的800nm的飛秒脈沖激光照射被標(biāo)記的部位，同時(shí)該波長(zhǎng)的激光對(duì)正常組織和細(xì)胞也具有較小的光毒性。

　　雙光子治癌 效果到底怎么樣？

　　這種療法對(duì)治療深層的癌癥究竟有沒有作用？還是用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來說話吧。

　　實(shí)驗(yàn)人員建立了小鼠腫瘤模型。腫瘤生長(zhǎng)2周，體積達(dá)到約100-150mm3的大小時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員將攜帶腫瘤的小鼠隨機(jī)分成四組，設(shè)置了4組實(shí)驗(yàn)：

　　1。 緩沖溶液（PBS）組；

　　2。 光敏劑：鋁酞菁（AlPcS）組；

　　3。 光敏劑遞送載體：金納米雙錐體（GBP）；

　　4。 光敏劑與遞送載體的復(fù)合物（GBP-AlPcS）。

　　第一組實(shí)驗(yàn)作為對(duì)照組，其他三組作為實(shí)驗(yàn)組。

　　對(duì)四組小鼠分別注射相應(yīng)的藥物，然后在注射后2小時(shí)后，用2.8W/cm2的強(qiáng)度進(jìn)行30分鐘的800nm飛秒激光照射。分別在第1天和第9天給小鼠注射藥物并照射。治療后每?jī)商鞙y(cè)量體重和腫瘤大小，最終在開始治療18天后，取出代表性小鼠的腫瘤組織。對(duì)比療法的腫瘤治療效果以及其對(duì)生物體的毒副作用。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示：

小鼠體重與腫瘤體積隨時(shí)間的變化（圖片來源：論文） 四組實(shí)驗(yàn)后腫瘤的狀態(tài)（圖片來源：論文）

　　結(jié)果表明：第4組存在明顯的腫瘤生長(zhǎng)抑制。圖2-A表明，所有組的體重呈現(xiàn)適度增長(zhǎng)，存活率為100%，說明選用的治療診斷劑沒有明顯的急性毒性。圖2-B趨勢(shì)顯示在800nm fs照射下的GBP-AlPcS對(duì)腫瘤的生長(zhǎng)抑制效果是顯著的。圖3觀察到第4組小鼠腫瘤部位出現(xiàn)明顯的出血性損傷，意味著有效的腫瘤抑制作用。而在研究期間，第1和2組中的腫瘤顯著生長(zhǎng)，表明單獨(dú)的光照射和單獨(dú)的AlPcS注射都不能抑制腫瘤生長(zhǎng)。

　　此實(shí)驗(yàn)表明GBP-AlPcS治療診斷劑沒有明顯的急性毒性，而且能明顯抑制體內(nèi)深部組織腫瘤的生長(zhǎng)。

　　為了進(jìn)一步了解各種方法的治療效果，對(duì)各組被治療小鼠腫瘤組織，以及心臟、肝臟、脾臟、肺、腎臟器官分別進(jìn)行處理觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖4、圖5所示：

各實(shí)驗(yàn)組腫瘤切片的細(xì)胞形態(tài)（上）與細(xì)胞凋亡（下）（圖片來源：論文） 來自實(shí)驗(yàn)小鼠的主要器官的染色圖像（圖片來源：論文）

　　如圖4所示，僅在具有GBP-AlPcS治療的腫瘤中觀察到明顯廣泛的腫瘤壞死。在GBP治療組中，散發(fā)的壞死區(qū)域被惡性細(xì)胞包圍，并伴有核異型。這可能是由于fs激光照射下GBP的光熱效應(yīng)。在PBS-和游離的AlPcS處理組中，H&E和TUNEL染色切片未顯示任何明顯的腫瘤壞死。結(jié)果表明，GBP-AlPcS可用作高效的雙光子動(dòng)力學(xué)治療藥劑。

　未來：穿透力+高精準(zhǔn)度都需要！

　　復(fù)合物GBP-AlPcS具有從概念驗(yàn)證到真實(shí)臨床實(shí)踐的臨床轉(zhuǎn)化的巨大潛力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有改善傳統(tǒng)光動(dòng)力療法的治療深度和精確度。

　　下一步研究計(jì)劃中，研究人員將尋找穿透力更強(qiáng)的光源以及與之匹配的合適的光敏劑，力求在腫瘤治療中同時(shí)實(shí)現(xiàn)穿透力和高精準(zhǔn)度。

　　未來，癌癥可能真的能實(shí)現(xiàn)“一掃而光”！

　　作者單位：中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所

來源：科學(xué)大院