光动力治疗原理

光子医学治疗原理

----光动力治疗主要内容光动力治疗概念光动力治疗发展概况光动力治疗的基本原理光敏药物光动力治疗的应用光动力反应的机制光动力治疗的评价当前进展及未来方向什么是光动力治疗光动力学疗法（PhotodynamicTherapy,PDT）:某些外源性的光敏剂也称生物染料（如血卟啉、丫啶等），能够被肿瘤或病变组织摄取、并在其中潴留；在特定波长光的照射下，通过O2的参与，能够发生光敏化反应，从而破坏光敏剂所在的肿瘤或病变组织，这一系列的化学反应过程被称为光动力学过程，利用这个过程治疗疾病，称为光动力学疗法光动力治疗过程示意图光动力治疗发展史古中国、埃及、印度人治疗白癜风。1898年，Moller报告可见光对某些皮肤病有治疗作用1900年，Raad发现用丫啶橙染色以后的草履虫对光敏感，可导致草履虫死亡。1904年，Tappeiner进行了大量研究，第一次提出了“光动力学作用（Photodynamic）”这个术语，用来描述生物组织中需要氧气、光敏剂和光的反应。1909年，Hausman第一个描述了光动力作用，他用光照射注射了卟啉（Hematoporphyrin,HP）的老鼠，发现反应程度直接依赖于光敏剂剂量和光剂量。光动力治疗发展史1924年，Policard在紫外光下，他观测到肿瘤组织发出的橘红色荧光，第一个认为卟啉在人和动物肿瘤中的诊断价值。1948年，Figger发现外源性血卟啉可迅速聚集在增生或新生的组织中，特别是肿瘤组织，从此首次肯定了血卟啉与肿瘤组织有特别的亲和力。1961年，Lipson和Baldes将血卟啉用化学处理制成血卟啉衍生物，进一步提高了肿瘤中的荧光反应和杀伤能力，而且大大减少血卟啉的剂量。每千克体重只用2.5~5.0mg即可达到诊断和治疗目的。光动力治疗发展史1966年，Lipson报道使用血卟啉衍生物用于发现恶性肿瘤，并且首次用于治疗乳腺癌。70年代中期，Dougherty等对血卟啉钠盐的生物化学和细胞损伤机制进行了一系列研究，为PDT的临床应用奠定了基础。1981年，同仁医院在国内成功地治疗了第一例左下睑基底下细胞癌的病人，现在已经发展到治疗和诊断肺癌、胃癌、肠癌等。在目前的治疗病种之多及接受治疗者之众超过了任何一个国家。光动力治疗发展史1996年，被美国FDA批准应用于临床，而且在美国、日本、英国、法国、德国、加拿大等发达国家用于多种肿瘤治疗取得很大成功2003年5月，中国SFDA批准这一治疗系统进入临床应用PDT治疗过程给药：皮试、静脉（5mg/kg体重计算剂量)、或者局部给药（PDT药物）选择性吸收：PDT药物在肿瘤组织中长时间聚集光照：当血卟啉钠盐被激发时，有特征峰630nm,690nm，体表病灶可直接用滤光片观察，选择合适波长的光源；光化学反应：PDT药物在光的诱导下产生单态氧杀死癌细胞药物清除，降低光敏反应光动力反应破坏细胞的机制PDT药物吸收光单重态系间转换三重态I型反应过程Ⅱ型反应过程3P*+H2O*OH或H2O23P*+3O2

1P+1O2*氧化细胞成份细胞产生毒性光动力作用致细胞毒理反应机制PDT药物吸收光能后被激发到单重态通过系间转换过渡到寿命较长的三重态，它决定着氧的活性细胞毒理的两种反应类型I型反应过程：光敏剂与水或生物分子发生的电子（或氢）传递反应，产生了自由基、过氧化氢或超氧化氢，从而杀死细胞；Ⅱ型反应过程：光敏剂的三重态与基态分子氧发生能量传递产生单重态氧，单重态氧是一种高反应活性的物质，能高效地氧化生物分子，杀死肿瘤细胞。

自由基学说认为激发态血卟啉钠盐直接与生物分子作用或将能量转移给氧和水，使之形成自由基，通过自由基引起生物分子的一系列连锁反应，造成肿瘤细胞的死亡。单态氧细胞毒理学说1976年，Weishaupt等报导用620~640nm光辐照含有血卟啉钠盐的癌组织时，在能量的转移过程中，由光动力学作用产生单态氧

HPD+hv

1HPD*HPD*

3HPD*3HPD*+3O2

1O2*+HPD

1O2*+肿瘤细胞

氧化反应

1O2*

3O2两者同存也有人认为两种机理的作用同时存在，这取决于血卟啉钠盐的浓度和聚焦程度，浓度低时以单态氧为主，浓度高时以自由基为主。PDT治疗的必备条件光源及光传输装置单色光的选择性吸收与光纤耦合合适光照剂量表面：25-200J/cm2深部：100-400J/cm2功率：1-2W光敏剂应具备的条件光敏化剂中能够促使光与组织产生光敏作用的物质，光敏化作用中，其本身起着能量转化作用而不被消耗选择性好：选择性聚集于癌或癌前病变组织两性分子疏水性：易穿透细胞膜，便于定位亲水性：能随血流扩散波长特异性：最大吸收峰应位于组织穿透深度较大的红光区域光敏剂应具备的条件光毒性小：对自然光的吸收小，副作用小高量子产率：从激发的单重态向三重态的系间转换效率高三重态的寿命长可以增强毒理反应的机会非多聚体：多聚体会降低消光系数；多聚体缩短三重态的量子产率与寿命；排泄快：降低毒性、减小PDT治疗后光毒性常用光敏药物第一代光敏药物----血卟啉衍生物第二代光敏药物----成分更单一、吸收峰向长波长移动改良卟啉衍生物：苯并卟啉类衍生物与5-氨基乙酰丙酸绿素降解产生衍生物藻胆蛋白竹红菌素富勒烯五氮齿酞菁染料血卟啉的来源动物（牛或猪）血中的血红蛋白（HP）

（降解）

氯化血红素

（溴化）二溴血卟啉

（水解）血卟啉

（成盐）

血卟啉钠盐（HPD）分子量598.7，分子式C34H38O6N4血卟啉钠盐的性质血卟啉呈暗红色，酸碱二性，不溶于水，易溶于酸或碱，也易溶于酸性和碱性有机溶液。血卟啉盐溶于水。血卟啉钠盐由四个大吡咯环连接组成大环，形成一个Pπ共轭体系，因此很容易接受光能而发生电子跃迁，使血卟啉钠盐分子由基态变为激发态。当电子从高能级回到低能级时，激发态分子释放能量回到基态，因此产生荧光。血卟啉钠盐的激发与发射谱激发光的峰值405nm荧光光谱的峰值630nm690nm血卟啉钠盐在肿瘤组织中浓度较高的原因

在恶性肿瘤和正常组织的吸收比大于10;血卟啉钠盐在正常组织中的滞留时间为24~72小时，但皮肤组织中的血卟啉钠盐排泄时间较长。一些动物实验的结果表明血卟啉钠盐在肝、肾、脾中的浓度比肿瘤中要高;正是利用血卟啉钠盐在正常组织和恶性组织中的分布和潴留时间有明显差异的特性，利用光动力疗法对恶性肿瘤进行选择性治疗;血卟啉衍生物的不足混和物组成比例不稳定排泄缓慢、皮肤光毒性大，需避光4-6周红光区吸收低，影响治疗深度苯并卟啉类衍生物（BPD）组分单一与HPD有相似的母核二氢卟酚相似的红光区高吸收长波吸收大690nm35000M-1cm-1苯并卟啉衍生物（BPD）单态氧产额高I与II

期临床表明在肿瘤聚集更迅速皮肤光毒性更小已被允许用于老年斑治疗可能应用净化白血病的骨髓清除血液制品污染的抗病毒试剂5-氨基乙酰丙酸(-ALA)一种自然的卟啉前体,本身并非光敏药物，外源摄入

一ALA可促进某些类型的细胞组织的内源性原卟啉Ⅸ的生物合成以产生血红蛋白。癌细胞内酶的变化可促成原卟啉IX的内源性产生并积累到足以成为光敏剂的水平。5-氨基乙酰丙酸特点4-6小时迅速达到治疗部位24小时清除体外对皮肤无光毒性每隔24小时可重复治疗在体荧光分析可通过局部或全身性临床应用：光老化治疗绿素类与菌绿素绿素类与菌绿素PDT药物特点其吸收向长波方向移动，在750-800nm仍有吸收光敏剂在体内的滞留时间有限未通过FDA批准肿瘤治疗早期小细胞支气管肺癌、其它支气管肺癌、肺部间质瘤梗阻性的食道癌早期食道癌皮肤癌乳腺癌脑癌结肠、直肠癌妇科恶性肿瘤光动力治疗应用其它疾病治疗心血管疾病慢性皮肤疾病（牛皮癣）免疫性疾病（风湿）抗菌（伤口感染、口腔溃疡）血液制品灭菌疫苗

试管内血卟啉－激光对C6神经胶质瘤细胞（C6gliomacells）的作用

照射以前照射24小时以后（632nm，25J/cm2)右图可以看见PDT杀灭癌细胞后留下的空洞。脑肿瘤治疗PDT治疗食管鳞状癌细胞PDT以前碘染色后PDT治疗以后光动力治疗机制细胞免疫光动力活化血管定位线粒体细胞凋亡定位质膜坏死血管损伤血管基层爆露、血小板聚集、血流停、血管关闭释放炎症因子损伤炎症细胞免疫抑制PDT作用的部位体外实验中，发现细胞膜是PDT的主要作用部位，细胞可由于PDT产生膜大泡、膜溶解、酶失活、蛋白变性等。有时在线粒体、溶酶体和细胞核膜上出现改变。体内应用光氧化破坏首先作用部位是毛细胞血管。PDT对细胞靶向性作用

生物膜：如细胞膜和细胞器膜上，特别是线粒体、微粒体、内质网膜、溶酶体及核膜；

DNA：可以引起染色体的断裂、突变和移位、引起DNA与酶和蛋白质的交联等；蛋白质：抗原、抗体、细胞内微量元素等，在血卟啉钠盐光敏作用下发生异常；PDT对细胞靶向性作用光敏剂在细胞部位产生的单重态氧微秒的寿命仅能在0.02

m产生光损伤定位在线粒体的光敏剂（PHD，ALA产生的原卟啉）导致细胞凋亡定位于细胞膜上的光敏剂（酞菁染料）引起细胞坏死卟吩类衍生物（m-THPC）对人体结肠腺癌细胞的光化学作用PDT对血管的破坏血卟啉钠盐诱导的PDT能迅速攻击血管，并使血流停止、出血，直接或间接致使肿瘤细胞缺氧致死。血管损伤与光敏剂的类型无关，但与光照时光敏剂聚集水平直接相关。血管损伤过程内皮细胞收缩---血管基层爆露---血小板聚集

----血流停止----血管关闭PDT诱导免疫应答免疫应答与光敏剂有关Releaseofinflammatorymediatory（炎症因子的释放）Damageofinflammatorycell（炎性细胞损伤）Immunosuperpression（免疫抑制）光动力治疗的评价优点：（1）有选择性地破坏恶性肿瘤的能力，对正常组织有损伤很小，保留重要器官的功能；（2）适用范围广，对不同组织的恶性肿瘤都能进行治疗；（3）对重要器官无损伤；（4）治疗效率高，较小的光输出功率就具有治疗效果；（5）不会产生抗药性；（6）既能诊断又能进行治疗；常规PDT疗法的缺点生物体会很强的吸收和散射可见光谱内的光，在距离表皮几厘米的深度照射光丧失了相当部分能量。因此，很难用常规的PDT疗法来治疗大型肿瘤或体腔内很深的肿瘤。激光穿透肿瘤周围的健康组织并且造成伤害。具有光毒性后应，皮肤的光敏反应大，用药后要避光一段时间。2024/1/3043当前进展及未来方向理想PDT药物的研发光源：多光子激发具有识别功能的光敏剂特定序列的肽链作为侧基引入治疗药物分子糖基的修饰的光敏剂光敏剂与寡核苷酸共价偶联双光子激发采用近红外激光穿透肿瘤，对深部组织进行治疗。激发比例是一个关于光子浓度平方的函数光子激发要求因为双光子激发