肿瘤光动力治疗技术背景.doc

_ 肿瘤光动力治疗技术背景(photodynamic therapy, PDT ) 肿瘤光动力治疗是上世纪80年代初兴起、并在近年发展起来的一种新的治疗肿瘤的方法，即利用肿瘤组织对特定化学物质的选择性摄入,这些特定的化学物质在一定波长的光作用下产生光动力效应而达到破坏肿瘤组织的目的。1 历史回顾：光动力医学是一门新兴的交叉学科。早在1903年Niels Finsen就因发明紫外线辐射治疗皮肤结核病而获得诺贝尔医学奖。1903年Jesionek和Von Tapperiner发现光动力反应对氧有依赖性，并报道用伊红作为光敏剂治疗皮肤肿瘤、湿疣及狼疮 。此后有不少学者对光动力学反应进行了研究，并提取和纯化了血卟啉及血卟啉衍生物（haematoporphyrin derivative, HPD）等作为光敏剂。1975年，Dougherty等报道用HPD和过虑的可见光治疗动物肿瘤，获得长期存活。1976年Kelly 和Snell应用HPD治疗膀胱肿瘤成功，从而标志现代临床PDT的开始 。目前其临床应用范围已包括肿瘤及其它非肿瘤性疾病(动脉粥样硬化、眼底老年性黄斑变性、类风湿性关节炎、皮肤良性病变)等的诊断与治疗。早在20世纪80年代初，我国学者哈献文、邹进等就将PDT引进国内，并随即在全国范围内开展了协作攻关研究，研究内容涵盖了光敏剂、激光器、临床应用及基础研究等各个方面。短短数年间，我国就研发成功了血卟啉衍生物等光敏剂；成功研制了多种与国际发展同步的激光光源。相关基础理论研究也有许多重要进展。世纪之交，光敏剂photofrin与Diomed半导体激光器获得美国FDA正式批准 。美国以及欧洲、亚洲的十多个国家也先后批准PDT常规用于食管癌、肺癌、膀胱癌、宫颈癌、皮肤癌等肿瘤的治疗。新光敏剂ALA 、mTHPC等已开始用于临床 。另外几种新光敏剂也正在进行临床试用。随着PDT治疗与影像学技术的密切结合，PDT临床应用的范围更扩大到肝癌、胰腺癌、胆管癌、间皮瘤以及胸腹腔广泛种植瘤等肿瘤的治疗。对于许多因患有其它疾病而不能承受外科手术、年老体衰、拒绝外科手术、放疗或化疗后肿瘤复发或残存等情况的肿瘤病人，PDT已经成为一种有效的备选治疗方法。2 作用机制：由于光敏剂(photosensitizer)在各组织中的半衰期不同，经过一定时间后可造成肿瘤组织中光敏剂的浓度高于其周围正常组织，在特定波长的光的辐射下，基态的光敏剂经短暂存在的激发状态的单线态光敏剂转变成激发状态的三线态光敏剂。激发状态的三线态光敏剂一方面作用于组织底物或氢原子或电子，产物与氧作用形成各种氧化物（reactive oxygen species, ROS）;另一方面它直接将能量转移给氧,形成单线态氧(1O2)。单线态氧与氧化物都具有细胞毒作用，尤其单线态氧是光动力作用诱导肿瘤坏死的主要损伤形式，它能破坏癌瘤中的微血管，造成局部缺血和细胞死亡，数日后该部组织将坏死脱落，从而达到局部治癌的目的 。有报道，单线态氧诱导了细胞凋亡(apoptosis)是PDT治疗脑肿瘤的另一个可能的机制 。3 光动力作用发生的条件：光动力作用的发生需要光敏剂、适当波长的光、适当浓度的氧和适当的温度四个条件同时存在。光敏剂能否被激发依赖于激发光的波长。若使PDT达到最佳的治疗效果，最好采用波长位于光敏剂吸收峰附近的光源。所以激发光源的选择原则有二： 是光敏剂所能吸收的频谱， 是要有一定的组织穿透性 。而光线对组织的穿透性在可见光到红外光（波长在400900nm）的范围内是随波长的增加而增加的。波长630nm, 穿透组织的深度小于0.5cm； 700nm：深度就接近0.8cm；800nm的则可达到1cm6,11。目前，临床上普遍使用的光敏剂为：血卟啉(HPD, Photofrin ， Photofrin II , )其荧光光谱吸收峰为630nm, 所以，常用激光光源的波长位于630nm附近。包括：氩离子泵浦染料激光(630nm，脉冲输出)、金蒸气激光(627.8nm，脉冲输出)、铜蒸气激光(578nm，脉冲输出)、倍频YAG泵浦染料激光(630nm)、excimer染料脉冲激光、HeNe激光(630nm，连续输出)等6,11。第二代光敏剂的吸收峰波长较长，所以认为670nm以上的激光更适合新一代的光敏剂，其穿透人体组织的能力更强，具备对更深层组织的治疗作用。PDT治疗的核心是光敏剂。光敏剂的选择原则为：对机体无副作用，安全;肿瘤选择性摄入高，正常组织能够快速排泄;光敏化力强，三线态寿命长而且产量多 。目前，还没有完全满足这些条件的光敏剂。4 主要副作用：光毒作用。光敏剂的最大吸收波长(max)对其光敏化力也有重要影响:max在600800nm的红光区时最易穿过人体组织，并且max越长，光对人体组织的穿透能力越强，对靶组织的穿透深度越大,光敏副作用越小1,4,5,6,11。光敏剂产生光毒副作用的重要因素之一是光敏剂的激活光波长：若激活光波长在可见光区,则患者在接受光动力治疗的全部过程中都必须避免与可见光接触，即只能生活在黑暗中，这无疑是痛苦难熬的。所以，光敏剂的激活光波长偏离可见光区越远，产生这种光毒副作用将会越小。5 目前常见的光敏剂：第一代光敏剂：目前在临床上广泛使用的是血卟啉制剂（haematoporphyrin derivative, HPD），其中Photofrin及Photofrin II是通过PDA认证 的光敏剂。这些光敏剂虽然在肿瘤的临床诊断和治疗中都取得了肯定的疗效，但仍有很多不足之处： 它们都是复杂的卟啉混合物， 组成不定，结构尚有争议；作用光谱也不理想，对630nm红光的吸收较差，而630nm光照对组织的穿透能力也较差（0.5）；给药至光照的时间间隔长；用药前需皮试；皮肤光敏副作用较大，可持续至治疗后六周,甚至更长，最常达18周。价格昂贵 。由于第一代光敏剂的这些本身固有的不足，人们开始了第二代光敏剂的研究。第二代光敏剂：总的来说第二代光敏剂，都是单一组分，明确的分子结构，最大吸收波长红移，具有更好的单线态氧量子产率，在治疗剂量下的副作用也小。这些第二代光敏剂大多为卟啉类化合物的衍生物。如：取代苯基卟吩或二氢卟吩、叶绿素降解衍生物、苯丙卟啉等；其他还有金属酞青、竹红菌素类以及生物体内合成卟啉的起始化合物氨基乙酰丙酸等。这类药物在体内排泄快，光毒反应小，患者用药后仅需避光1到2天。对病人的血、尿常规及肝功能无明显影响。它们的特征吸收峰位于红光区，波长长，穿透深 。常见的有：5.1 外源性卟啉类：5.1.1 血卟啉单甲醚（hematoporphyrin monomethyl ether，HMME）：是我国率先研制的一种纯化的单体卟啉新型光敏剂。波长630nm。与HPD相比，HMME具有光敏化力强，肿瘤选择性摄入率高，光动力效率强，毒性低，无致突变和致畸形作用等明显的优点。5.1.2苯并卟啉衍生物单酸环A：苯并卟啉衍生物单酸环A(Benzoporhpyrin derivative monoacid ring A，BpD-MA) ：1984年由加拿大的Dolphin等利用丁炔二酸二甲酯(DMAD)和原卟啉二甲酯的加成反应所得。目前可以合成高纯度的成品。它的特点是能快速在癌细胞内聚积，并能很快排泄清除，用药和光照的间隔仅大约3h，因此对皮肤的光敏性维持时间很短。对皮肤癌的治疗很有效，并能成功治疗老年人眼睛的黄斑变性和脉络膜黑素瘤，被认为是一种肿瘤PDT较为理想的光敏剂19。5.1.3单天门冬酰基二氢卟酚e6(monoaspartyl chlorin e6，MACE): 二氢卟酚(chlorin)型光敏剂，属于叶绿素降解产物衍生物，是以叶绿素为原料合成的。它是除Photofrin外真正水溶性的PDT药，是最早在文献中报道的，也是第一个上临床的第二代光敏剂。日本石油化学(Nippon Petrochemicals)和Meiji Seika具有它的使用专利权2,4。5.1.4 mTHPC：全称是meso 四(间 羟基苯基)二氢卟酚meso-tetrakis(mhydroxyphenyl)chlorin，temoporfin，FoscanTM它是英国化学家Bonnett教授首先在1989年开发出来的.。它对皮肤的光敏反应较小，可在14天内清除，不象Photofrin需要12个月才能清除15。5.1.5 SnET2：SnET2是红紫素(purpurin)中的一种，称初红紫素锡络合物，(tin ethyletinopurpurin，SnET2，purlytin)。它是由美国Toledo大学的Alan Morgan教授在1987年开发出的。它的光敏效率高于Photofrin,不溶于水,一般可以制成乳液。可以用于治疗前列腺癌和前列腺肥大,对Kaposi肉瘤、基底细胞癌和乳腺癌也有效果20。5.1.6 Lu-Tex：属于卟啉异构体exaphyrins(Taxas卟啉)。由二甲酰基三吡咯和二氨基化合物缩合而成Schiff碱,再经氧化形成Lu-Tex (motexafin lutetium)。它注射3h后就可以光照，对乳腺癌效果尚好。对肿瘤选择性较高，而皮肤的光敏性较低21。5.2 内源性卟啉ALA：90年代以前，光动力疗法领域中所用的各种光敏剂均是由体外直接输入。而卟啉类光敏剂中的一些卟啉衍生物其实是人体血红素代谢中的中间物，比如原卟啉(Protoporphyrin IX， Pp IX)就是一种非常有效的光敏剂。人体合成卟啉，产生血红素，始于体内产生的-氨基乙酰丙酸(- aminolevulinicacid，ALA)。血卟啉的产生受一个反馈机制的控制，血卟啉的浓度可以调制ALA的产生，受血红素的反馈抑制，ALA合成酶成为血红素合成酶体系的限速酶，而血红素又抑制ALA合成酶的合成。如果人为地往体系中加入ALA，在酶的作用下就生成过多原卟啉，本来在亚铁螯合酶的作用下和铁结合可以形成血红素(heme)，但此时没有过多的亚铁螯合酶，原卟啉Pp IX发生积累。在血红素合成系统中另一种活跃的酶是胆色素原脱氨基酶，它可以催化胆色素原生成尿卟啉原。这种酶的活性在一些肿瘤内比铁螯合酶还活跃，这就造成原卟啉(Pp IX)在肿瘤内的选择性积聚。由于Pp IX是一个很好的光敏剂，因此ALA作为光敏剂的前体可用于光动力治疗1,7,8,10,12,13,14,16。实验已证明：从体外引入ALA到肿瘤内16h内部产生的Pp IX浓度就可以达到高峰8,10,12。5.3 金属酞菁类：金属酞菁类光敏剂见于铝酞菁和锌酞菁，前者为铝酞菁的磺化物即三磺酸铝酞菁（aluminum sulphonated phthalocyanine， AISPc）；后者则为锌酞菁与二棕榈酰基磷脂胆碱制成小单室脂质体的生理盐水悬液(Liposome-Zn-Phthalocyanine,L-Zn-Pc)。金属酞菁的理化性质稳定，在红光区的吸收系数较HPD高10倍至50倍。半衰期短，毒副反应小，但仍处于实验阶段，尚有一些不明确的地方，尤其体内实验 。各种光敏剂中，5氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinicacid ，5-ALA）及其脂类衍生物是目前光动力疗法领域中最活跃的光敏剂前体物，它因能够有效地通过外源加入的方式在肿瘤细胞内内源生成进而积聚为原卟啉(PpIX)光敏剂而在光动力疗法领域独树一帜。实验发现由ALA引起的皮肤光致敏作用只需两天就可以被消除掉，而在此以前的第一代光敏剂HPD和photofrin，在皮肤内引起的光致敏作用需要两个月才能消除 ；而且5-ALA价格便宜，能够口服用药，因此，ALA以局部或全身给药的方式被广泛用于治疗皮肤癌 、食道癌 、肺癌 、胃肠道癌症 。PDT治疗具有常规治疗所不具备的优点：它的光化学反应主要作用在癌细胞，而对正常组织无损伤，这是其它治疗肿瘤的方法，包括手术