發(fā)布日期：2019-06-25
治療癌癥？你大概會想到手術、放療、化療和免疫治療等方法，不過，你知道嗎，“光”也能對付癌癥！
光動力療法是一項問世于二十世紀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。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。
圖1 雙光子動力學療法（圖片來源：上海東方衛(wèi)視）實現(xiàn)深層腫瘤的光學成像與診療一直是生物醫(yī)學和光學等交叉學科研究領域科研人員的努力方向。中科院上海光機所同香港科技大學合作，近期在雙光子光動力治療研究中，利用800nm飛秒激光實現(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。相關論文”AlPcS-loaded gold nanobipyramids with high two-photon efficiency for photodynamic therapy in vivo”發(fā)表在學術期刊Nanoscale上（想看論文請戳“閱讀原文”）。
三步看懂光動力療法
光動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。看到這里，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：單位光敏劑被激光激發(fā)時，需要兩個光子同時參與反應。
光敏劑：在光動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，它相當于傳遞能量的中介機構。
雙光子動力學療法治療腫瘤主要分為三步（動圖由作者繪制）：
第一步，精準識別腫瘤細胞。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輸車，將光敏劑運送到目標位置。目前相對高效準確的方式是在載體表面或光敏劑上修飾靶向分子，可以與腫瘤細胞表面的受體進行結合而不會與正常細胞結合，進而通過內吞功能進入腫瘤細胞。
作者繪制第二步，激光照射標記區(qū)。當沒有光照射時，光敏劑具有很好的暗穩(wěn)定性，會“安靜”的待在腫瘤細胞內部，基本不會產生毒副作用。而當激光照射到腫瘤組織時，負載光敏劑的遞送載體會被兩個光子所激發(fā)到達單線態(tài)，通過系間竄躍到達三線態(tài)，因為在三線態(tài)的壽命較長，可以與周圍的氧氣、水等發(fā)生反應產生單線態(tài)氧、超氧根離子、自由基等活性物質，這些活性物質具有強氧化性或強還原性。
作者繪制第三步，消滅腫瘤細胞。活性氧消滅癌細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，間接導致腫瘤細胞死亡；另一種是可以與細胞內蛋白、DNA、脂質等結合使細胞失活導致腫瘤細胞凋亡、壞死或自體吞噬；還有一種方式是局部誘發(fā)非特異性應急炎性反應以及后期的一系列免疫反應，對于抑制和破壞腫瘤具有持續(xù)性的系統(tǒng)效應。
作者繪制如何解決兩大難題？
目前，基于光動力學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 年被美國食品與藥品監(jiān)督管理局 （FDA） 批準用于癌癥和視網膜黃斑變性的臨床治療；我國第二軍醫(yī)大學研制的血卟啉單甲醚也已經上市，被批準用于鮮紅斑痣的臨床治療。
但是，光動力療法的臨床應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力治療結束后，光敏劑無法立即代謝排出體外，當病人接觸太陽光、日光燈等光線時，滯留在正常組織內的光敏劑依然可以進行光動力治療，破壞正常細胞，產生光毒性；2。 由于光敏劑需要與光發(fā)生反應，而光在人體組織的穿透能力較差，所以很難進行深層治療。
這次，上海光機所在光動力療法研究方面主要解決了光穿透能力差的難題。
他們設計并試用了新型金納米雙錐體來負載光敏劑。
金納米雙錐體具有化學惰性和很小的生物毒性，更強的局部電場增強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數(shù)量級，可以更高效地將能量轉移到附著的光敏劑上，間接地使氧分子敏化，產生更多的活性氧。
為了能夠使光線到達更深入的部位，他們采用生物光學窗口（ 即光在生物組織內穿透深度達到最大值的波長區(qū)間）的800nm的飛秒脈沖激光照射被標記的部位，同時該波長的激光對正常組織和細胞也具有較小的光毒性。
雙光子治癌 效果到底怎么樣？
這種療法對治療深層的癌癥究竟有沒有作用？還是用實驗數(shù)據(jù)來說話吧。
實驗人員建立了小鼠腫瘤模型。腫瘤生長2周，體積達到約100-150mm3的大小時，實驗人員將攜帶腫瘤的小鼠隨機分成四組，設置了4組實驗：
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合物（GBP-AlPcS）。
第一組實驗作為對照組，其他三組作為實驗組。
對四組小鼠分別注射相應的藥物，然后在注射后2小時后，用2.8W/cm2的強度進行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。治療后每兩天測量體重和腫瘤大小，最終在開始治療18天后，取出代表性小鼠的腫瘤組織。對比療法的腫瘤治療效果以及其對生物體的毒副作用。
實驗結果如下圖所示：
小鼠體重與腫瘤體積隨時間的變化（圖片來源：論文） 四組實驗后腫瘤的狀態(tài)（圖片來源：論文）結果表明：第4組存在明顯的腫瘤生長抑制。圖2-A表明，所有組的體重呈現(xiàn)適度增長，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趨勢顯示在800nm fs照射下的GBP-AlPcS對腫瘤的生長抑制效果是顯著的。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，表明單獨的光照射和單獨的AlPcS注射都不能抑制腫瘤生長。
此實驗表明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深部組織腫瘤的生長。
為了進一步了解各種方法的治療效果，對各組被治療小鼠腫瘤組織，以及心臟、肝臟、脾臟、肺、腎臟器官分別進行處理觀察，實驗結果分別如圖4、圖5所示：
各實驗組腫瘤切片的細胞形態(tài)（上）與細胞凋亡（下）（圖片來源：論文） 來自實驗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。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。結果表明，GBP-AlPcS可用作高效的雙光子動力學治療藥劑。
未來：穿透力+高精準度都需要！
復合物GBP-AlPcS具有從概念驗證到真實臨床實踐的臨床轉化的巨大潛力，實驗結果表明該系統(tǒng)具有改善傳統(tǒng)光動力療法的治療深度和精確度。
下一步研究計劃中，研究人員將尋找穿透力更強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實現(xiàn)穿透力和高精準度。
未來，癌癥可能真的能實現(xiàn)“一掃而光”！
作者單位：中國科學院上海光學精密機械研究所
來源：科學大院
