生物医学光子学

Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity生物医学信息工程教育部重点实验室张镇西生命科学与技术学院生物医学分析技术与仪器研究所TheInstituteofBiomedicalAnalyticalTechnology&InstrumentationTheSchoolofLifeScience&TechnologyXi’anJiaotongUniversity2012年10月8日生物医学光子学BiomedicalPhotonicsXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity【诺贝尔生理学及医学奖得主名录】1903年尼尔斯·吕贝里·芬森芬森（Finsen,NielsRyberg）丹麦医生。1860年12月15日生于弗罗群岛的托尔沙温；1904年9月24日卒于哥本哈根。芬森的父母是冰岛人，他小时对岛的雷克雅未克上学，后来到丹麦去上大学（当时冰岛和费罗群岛都属丹麦）。1890年获哥本哈根大学医学学位。Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity【个人简介】他还是个大学生的时候，就对光的治病效力发生兴趣，因为他自己患有慢性病，觉得日光对他的病很有益处。1893年他宣称红光能够减轻天花的后果，引起了广泛注意。他把病室的窗子挂上红窗帘，让较长的“热波”进入，挡住较短的“化学波”。1896年他在哥本哈根成立了一个光研究所，经费先是由私人筹集，后来由丹麦政府拨款。他在这里研究“化学波”，发现从太阳或从强力聚光电灯得到的短波光能杀死培养基上或皮肤上的细菌。他还指出，这是光本身的作用而不是由于热的作用。特别能用强力短波光照射以治疗由结核菌引起的皮肤病真性狼疮，为此目的他设计了一种大型强力弧光灯，叫做芬森灯。芬森对于光的研究有些是很难以置信的，因而被废弃，如用红色光治疗天花。然而，对于蓝光和紫光（特别是紫外光）对细菌的效果的发现是很有价值的，它为力量更大的X射线和伽马射线用于医疗奠定了基础，伦琴和贝克勒耳在芬森实验他的化学射线的几乎同一时期分别发现了这两种射线。Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity由于芬森在利用光辐射治疗狼疮及其他皮肤方面所做出的贡献，1903年诺贝尔医学与生理学奖授给了芬森，他把奖金的半数赠给光研所。芬森成年后身体一直虚弱多病，在获奖的第二年就死去了。1899年,他写出了大量的论文,出版了《光线治疗》的专著,系统总结了多年来的研究成果。他的一生是与病魔斗争的一生，他是坚韧不拔为人类造福的一生。1899年成为丹麦王国的勋爵,同年获得了银十字勋章和金质勋章。1904年获爱丁堡大学卡麦隆奖。主要著作:《光学光线和天花》(1894);《光线作为刺激物》(1895);《论集中化学光辐射在医学上的应用》(1896)。【我的看法】坚持不懈是真理！Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity第4章2节光动力疗法光动力疗法（PhotodynamicTherapy，PDT），是一种基于光敏剂对肿瘤细胞和正常组织细胞有不同的亲和性，利用适当波长的光及光剂量辐照含有光敏剂的靶向细胞或组织，通过光动力效应，实现光敏剂诱发的光生化反应选择性地在肿瘤细胞或组织内进行,从而实现灭活肿瘤细胞的一种治疗方法。选择合适的光敏剂及作用条件，PDT可以对正常细胞基本不产生或产生较小的影响。利用PDT也可以实现肿瘤的诊断。光动力疗法（PDT）由于具有选择性灭活肿瘤细胞、抗瘤谱广、适应症广、可与其它治疗方法联合使用等诸多优点，近年成为医学界、生物医学工程领域和光生物学领域的一个重要研究方向。Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity4.2.1光动力反应的基本机制光动力反应中的光敏剂吸收特定波长的光后,可由基态（S0）被激发至寿命极短（1ns--1μs）的单重态（S1）,后者或通过辐射荧光释放出能量而返回基态,或经系间跃迁至三重态（S3）。三重态具有较长的寿命（1μs--10s）,从而有机会与周围的分子相互作用。光敏剂的三重态可经Ⅰ型反应,即与底物分子间直接发生电子转移或抽氢作用，产生底物和光敏剂的自由基或自由基离子，并进一步与周围的氧反应生成氧化产物；或经Ⅱ型反应与基态氧分子之间发生能量传递，产生单重态氧（1O2）。单重态氧是一种高反应活性的物质，它具有亲电子性，能高效氧化生物分子，与不饱和脂肪酸、蛋白质、核酸等反应而产生损伤效应，并最终导致细胞死亡。Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity光动力反应基本机制示意图hv1hv2hv3SH*--光敏剂自由基；S*－--光敏剂自由基阴离子；S*＋--光敏剂自由基阳离子；Rox--氧化性组织底物；Rred--还原性组织底物；R*--组织自由基；R*－--组织自由基阴离子；R*＋--组织自由基阳离子；1O2--单态氧分子；O2－--超氧阴离子自由基；3O2--基本态氧分子S0--基态光敏剂；S1--激发单重态光敏剂；S3--激发三重态光敏剂；102--单态氧分子；O2－--超氧阴离子自由基；3O2--基本态氧分子；hν1--激发光；hν2--荧光发射；hν3--磷光发射；氧化性组织底物还原性组织底物基态光敏剂光敏剂自由基阳离子Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity4.2.2影响光动力效果的主要因素1光源光动力学疗法中，光照条件是否得当，对于疗效的影响至关重要。在临床治疗中，通常通过照射光的功率来推算出它的功率密度，由于光照射到生物组织会发生反射、折射、透射和吸收等现象，因此被照射组织吸收的光能通常只能估算。在实际工作中，常常通过调整照射光的功率，照射的时间以及照射光斑的大小三个参数来调控照射光的功率密度。Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity4.2.2影响光动力效果的主要因素作为光动力疗法的光源，在肿瘤治疗中应用较多的激光器有：氮离子泵浦染料激光器（发光波长630nm），铜蒸汽泵浦染料激光器（发光波长630nm），金蒸汽泵浦染料激光器（发光波长627.8nm），氦氖激光器（发光波长632.8nm），KTP倍频的Nd：YAG激光器（发光波长532nm）和氩离子激光器（发光波长488nm，514nm）等。事实上，光源的选择与光敏剂的吸收特性密切相关。近年由于新光敏剂的出现，也有利用半导体激光器或半导体发光二极管作为光源的报道，半导体光源效率高，性能稳定，但普通的半导体光源功率较小，少数国家也能够生产功率足够大的半导体激光器（2000-3000mW）供光动力学治疗之用，但价格较昂贵。Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity4.2.2影响光动力效果的主要因素2光敏剂光敏剂是光动力学治疗的最基本的要素之一。在杀伤肿瘤细胞的过程中,光敏剂作为能量的载体和反应的桥梁起着决定性的作用。研究发现,一些亲脂性的光敏剂易于附着在低密度脂蛋白上,而肿瘤细胞比正常细胞具有更多的低密度脂蛋白受体（lowdensitylipoproteinreceptor,LDLR）,所以此类光敏剂容易在肿瘤组织上聚集,从而直接杀伤肿瘤细胞。而亲水性的光敏剂则更多地通过白蛋白和血清蛋白的运输,聚集在肿瘤的间质和血管组织，破坏肿瘤的血管，切断肿瘤的氧和营养物质的供应，起到杀伤肿瘤的作用。Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity4.2.2影响光动力效果的主要因素PDT光敏剂的研究经历了逐步发展的过程，至今已较成熟的有以HpD（hematoporphyrinderivative简称HpD）为代表的第一代光敏剂以及以ALA（5-aminolaevulinicacid，简称ALA）为代表的第二代光敏剂或光敏剂前体物。实践表明第二代光敏剂比第一代光敏剂性能有所提高，例如以ALA作为光敏剂前体物的PDT，克服了基于第一代光敏剂（HpD）实施PDT后需要患者避光4-8周等缺点，外加光辐照后，灭活肿瘤细胞的效率也较高。但第二代光敏剂也还存在一些不足，如吸收光谱较窄，不利于吸收更多的外来辐照光能增强PDT疗效；发射光谱太弱，不利于探测分析PDT过程。以光敏剂前体物ALA为例，其激发光波段很窄，只在几个有限的峰值处有较强的吸收，且其发生光敏作用的主要激发光波长在405nm处，正好落在生物组织的高漫反射和散射区，不利于把外加的光辐照能量尽可能多地传递给光敏剂，因而影响对靶向肿瘤细胞能产生灭活作用的单态氧的产出，不利于提高对靶向肿瘤细胞的灭活效率。其次，以ALA作为光敏剂前体物在细胞内内源生成的光敏剂卟啉IX（protoporphyrinIX，简称PpIX）的荧光辐射强度较弱，不利于作为示踪观察病灶等。Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity4.2.2影响光动力效果的主要因素对新的光敏剂的寻求及设法提高现有光敏剂的效能仍然是相当长时间内，光动力疗法研究领域的一个重要研究方向。临床上比较理想的光敏剂应当具备或基本满足的要求：①化学结构明确的单一物质，在水溶液中能较好地保持单体状态而很少聚合；②单线态氧量子产率高，三线态寿命长；③性质稳定，不易发生淬灭；④光对组织的穿透深度大，光的吸收峰位于波长偏长的红光或近红外区；⑤肿瘤组织的选择性吸收好，滞留时间长；但在体内存留时间短，代谢清除快；⑥使用安全，毒性低微，副作用少，无致癌、致突变、致畸作用；⑦稳定性好，便于长期保存；⑧制备工艺简单，生产成本低廉。Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity4.2.2影响光动力效果的主要因素3氧浓度目前，在光动力疗法研究中所指的氧浓度通常包含两层意思，一是指作用环境中的氧浓度，另一是指在靶向细胞中产生的单态氧浓度。研究发现，PDT在缺氧区不易达到理想的治疗效果。有学者将这种光动力疗法的细胞杀伤效应随介质中氧浓度降低而减弱的现象称为氧效应。以氧浓度为横坐标,以光敏剂的细胞杀伤率为纵坐标绘制的曲线，称为光敏剂的氧效应曲线。氧效应曲线是一种双相曲线，其特点是当氧分压从0上升至10%左右时，光敏剂的细胞杀伤率很快增高，而氧分压进一步增至20%以上时，细胞杀伤率增高却十分缓慢，基本处于坪值。各种光敏剂的氧效应曲线的形态有所不同，反映了光敏剂杀伤效应对氧的依赖程度。光敏剂的氧增强比（oxygenenhancementratio，OER）是指在缺氧条件下光敏剂的细胞半数致死量与在有氧条件下光敏剂的细胞半数致死量的比值,用以衡量光敏剂氧效应的大小。Xi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversityXi’anJiaotongUniversity4.2.2影响光动力效果的主要因素如果光敏剂主要是通过Ⅱ型机制发挥作用,则