光動(dòng)力療法治療腫瘤的生物學(xué)效應(yīng)機(jī)制及其發(fā)展

1、 光動(dòng)力療法治療腫瘤的生物學(xué)效應(yīng)機(jī)制及其發(fā)展摘要：癌癥是威脅人類生命的一大疾病，也是醫(yī)學(xué)上的一大難題。光動(dòng)力治療法在治療癌癥中已展現(xiàn)出一系列的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了PDT的原理及作用機(jī)制，分析了其生物學(xué)效應(yīng)機(jī)制，并對(duì)PDT中關(guān)鍵的技術(shù)一一光敏劑和激光器目前的應(yīng)用做了較詳細(xì)的介紹，分析了目前的最新發(fā)展并對(duì)PDT未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：癌癥PDT激光器光敏劑引言目前癌癥已成為嚴(yán)重威脅人類健康的主要疾病之一。近年來(lái)，全球癌癥患者人數(shù)不斷攀升全球惡性腫瘤新發(fā)病例數(shù)從2002年的1090萬(wàn)上升到2008年的1270萬(wàn)，死亡人數(shù)從670萬(wàn)上升到760萬(wàn)。我國(guó)2002年的統(tǒng)計(jì)資料顯示，有癌癥患者300多

2、萬(wàn)，且以每年3的速度遞增，癌癥死亡率也呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)，全國(guó)每年死于癌癥的人為150萬(wàn)，占全球的24%。世界衛(wèi)生組織預(yù)測(cè)，到2020年，每年新發(fā)癌癥病人數(shù)將達(dá)到1500萬(wàn)，癌癥將成為新世紀(jì)人類的第一殺手。因此癌癥的控制是世界各國(guó)政府的衛(wèi)生戰(zhàn)略重點(diǎn)，癌癥的綜合治療成為世界所關(guān)注的研究課題。在癌癥治療的眾多方法中，光動(dòng)力療法(PhotodynamicTherapy,PDT)以其有效、安全、副作用小、可協(xié)同性、可重復(fù)性和相對(duì)成本低等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，并且在腫瘤的治療中顯示出很強(qiáng)的生命力，為中晚期癌癥患者，特別是無(wú)法采用傳統(tǒng)療法治療的癌癥患者提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，增加了一種治療手段。與腫瘤傳統(tǒng)手術(shù)、化療和放療方

3、法相比，PDT的優(yōu)點(diǎn)是能選擇性地消滅局部的原發(fā)和復(fù)發(fā)腫瘤，而不傷及正常組織;可與化療和放療同時(shí)進(jìn)行，且均具有一定的協(xié)同作用；可縮小手術(shù)的范圍和改善患者愈后的身體狀況。幾十年來(lái)，PDT已成為腫瘤防治研究中的一個(gè)十分活躍的領(lǐng)域。很多國(guó)家都開展了腫瘤PDT的研究，并使成千上萬(wàn)的不同癌癥患者受惠于這一療法，迄今為止已有數(shù)千例的治療報(bào)道，治療的范圍包括：腦瘤、頭頸部腫瘤、眼部腫瘤咽癌、肺癌、胸壁腫瘤、食管癌、直腸癌、腹腔肉瘤、膀胱癌、乳腺癌和婦科腫瘤等。近年來(lái)美國(guó)的FDA、日本、荷蘭和加拿大等國(guó)的衛(wèi)生部門已相繼確認(rèn)了這一腫瘤新療法的治療標(biāo)準(zhǔn)，PDT結(jié)合食管癌支架的療法已被美國(guó)綜合癌癥網(wǎng)絡(luò)(NCCN)作為

4、晚期食管癌的首選方法，近年來(lái),在國(guó)內(nèi)也逐漸成為新的研究熱點(diǎn)1、2。1PDT的基本原理PDT的作用機(jī)制是由于光敏劑在各組織中的半衰期不同，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后可造成腫瘤組織中光敏劑的濃度高于其周圍正常組織，在特定波長(zhǎng)的光的輻射下，基態(tài)的光敏劑經(jīng)短暫存在的激發(fā)狀態(tài)的單線態(tài)光敏劑轉(zhuǎn)變成激發(fā)狀態(tài)的三線態(tài)光敏劑。激發(fā)狀態(tài)的三線態(tài)光敏劑一方面作用于組織底物或氫原子或電子，產(chǎn)物與氧作用形成各種氧化物；另一方面它直接將能量轉(zhuǎn)移給氧，形成單線態(tài)氧。單線態(tài)氧與氧化物都具有細(xì)胞毒作用，尤其單線態(tài)氧是光動(dòng)力作用誘導(dǎo)腫瘤壞死的主要損傷形式，它能破壞癌瘤中的微血管，造成局部缺血和細(xì)胞死亡，數(shù)日后該部組織將壞死脫落，從而達(dá)到局部

5、治癌的目的3。光動(dòng)力作用的原發(fā)機(jī)制光敏分子與光相互作用引發(fā)光動(dòng)力效應(yīng)。在沒(méi)有光照條件下，光敏分子處于基態(tài)S0。當(dāng)吸收了光子后，光敏分子首先躍遷到能量更高的激發(fā)態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぐl(fā)的單態(tài)(S)。接著會(huì)出現(xiàn)3種可能的衰變途徑，即非輻射性的和輻射性的單態(tài)衰變?yōu)榛鶓B(tài)，還有發(fā)生系間竄躍衰變到最低的三線激發(fā)態(tài)(T)。處于三線激發(fā)態(tài)的光敏分子衰變回基態(tài)之前會(huì)與其它分子相互作用，除主要通過(guò)自由基氧化還原反應(yīng)或能量傳遞過(guò)程與周圍分子發(fā)生作用外，三線態(tài)敏化分子還可1.2兩種效應(yīng)機(jī)制圈丨典型丸敏和附能級(jí)越遷圖其相關(guān)化合物是光動(dòng)力療法中經(jīng)常應(yīng)用的敏化劑。它廣泛存在于生命體系，如葉綠W及細(xì)胞色素中。不論在均相或液相細(xì)胞體系

6、中卟啉的三線激發(fā)態(tài)(3P)都可以使電過(guò)程稱為E卟啉及其素、血紅素子轉(zhuǎn)移到底物D，或從底物D中使電子轉(zhuǎn)移出來(lái)生成自由基或離子化的活性基團(tuán)，這種自由及氧化還原反應(yīng)過(guò)程稱為I型光動(dòng)力效應(yīng)機(jī)制；此此外：，生物體系中的卟啉參與的敏化光反應(yīng)通過(guò)其三線態(tài)(3P)引發(fā)，在有空氣存在的介質(zhì)中，三線態(tài)卟啉被基態(tài)02所淬滅，并借助電子的轉(zhuǎn)移生成高活性的單線態(tài)氧(102)或三線態(tài)卟啉與氧化作用生成單線態(tài)氧以外的其它活性氧物質(zhì)，這一能量轉(zhuǎn)移過(guò)程為II型光動(dòng)力效應(yīng)機(jī)制3、4。2PDT生物學(xué)效應(yīng)的機(jī)制直接殺滅腫瘤細(xì)胞光化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生了一些對(duì)生物體有害的活性氧物質(zhì)(R0S)，如單線態(tài)氧、超氧陰離子、經(jīng)自由基及過(guò)氧化氫等等。

7、這些分子能損傷蛋白質(zhì)的羥基和氨基等基團(tuán)而使蛋白質(zhì)發(fā)生變性、交聯(lián)以至結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、酶的活性喪失等；還能攻擊多聚不飽和脂肪酸引起脂質(zhì)過(guò)氧化，導(dǎo)致生物無(wú)機(jī)課程論文 生物膜結(jié)構(gòu)和功能的改變和破壞；另外還能損傷DNA的分子結(jié)構(gòu)。通過(guò)這些作用使腫瘤細(xì)胞受到嚴(yán)重影響直至死亡。誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡誘發(fā)凋亡的多樣性光敏劑導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的亞細(xì)胞定位極重要地決定了初始損害的位置，光敏劑理化性質(zhì)的不同其亞細(xì)胞定位亦不同。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光敏劑在細(xì)胞內(nèi)的不同亞細(xì)胞定位所誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡發(fā)生的時(shí)間和形態(tài)均不相同，兩種親脂性高的光敏劑3-羥苯基卟吩和光卟啉定位于細(xì)胞內(nèi)的膜系統(tǒng)，包括線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及高爾基體等，經(jīng)光照后引起細(xì)胞快速凋亡，能檢測(cè)到典

8、型的DNA梯型，但凋亡小體形成不明顯（而另外兩種磺化作用中位的四苯基卟啉磺酸鹽光敏劑（TPPS2a和TPPS4）由于親脂性差，貝U通過(guò)細(xì)胞的內(nèi)吞作用先進(jìn)人溶酶體，光照后引起細(xì)胞慢速凋亡，并形成廣泛的凋亡小體。這表明PDT誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的途徑并不相同，不僅如此，同一種光敏劑也可因劑量的不同而通過(guò)不同的途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。2.2.2細(xì)胞凋亡的啟動(dòng)當(dāng)PDT明確成為治療癌癥的方法后，人們研究發(fā)現(xiàn)在光動(dòng)力作用腫瘤細(xì)胞死亡中線粒體扮演了重要的角色。不同凋亡途徑激活的終末效應(yīng)子與線粒體膜上的受體或某些結(jié)構(gòu)相互作用導(dǎo)致線粒體膜的結(jié)構(gòu)破壞或通透性增加、膜電位的消失，從而使位于線粒體內(nèi)膜或膜間隙的一些分子釋放到細(xì)

9、胞質(zhì)內(nèi)，包括前半胱天冬酶、細(xì)胞色素C、促凋亡蛋白和凋亡誘導(dǎo)因子，它們?cè)偌せ頲aspase（半胱天冬酶）家族，導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生凋亡。2.2.3Ca2+的參與目前光動(dòng)力作用引起的胞內(nèi)鈣離子濃度升高的確切原因尚未清楚，但它的升高對(duì)細(xì)胞多方面的損害起到關(guān)鍵作用，如抑制細(xì)胞能量的代謝、激活細(xì)胞內(nèi)多種酶系統(tǒng)以及氧自由基生成的增多等，誘使腫瘤細(xì)胞大量凋亡和死亡。并且這種對(duì)細(xì)胞的破壞力在一定范圍內(nèi)隨著光敏劑濃度和激光劑量的增加而加大，Ca2+作為第二信使對(duì)很多刺激發(fā)生反應(yīng)，且可能與磷脂酶C、磷脂酶a2的活化存在內(nèi)在聯(lián)系，而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磷脂酶a2參與凋亡的誘導(dǎo)。2.2.4蛋白質(zhì)及相關(guān)酶的調(diào)節(jié)光動(dòng)力作用于腫瘤導(dǎo)致相關(guān)蛋白

10、表達(dá)的改變，PDT產(chǎn)生的氧化應(yīng)激可誘導(dǎo)基因表達(dá)發(fā)生改變，一些有害物質(zhì)（如過(guò)氧化氫脂質(zhì)）的分解酶不能順利合成這些有害物質(zhì)聚集導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，同時(shí)PDT還促使一些細(xì)胞毒性物質(zhì)（如心磷脂的過(guò)氧化物型），加快了細(xì)胞的凋亡。2.2.5基因的改變隨著PDT基礎(chǔ)研究的進(jìn)一步深人，PDT基因方面也取得了重大突破。PDT強(qiáng)烈誘導(dǎo)各種基因的轉(zhuǎn)錄激活包括屬于葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白家族的應(yīng)激反應(yīng)基因，氧化應(yīng)激和低氧能夠激活葡萄搪調(diào)節(jié)蛋白-78,在PDT療后可導(dǎo)致生理上的損傷。局部血管閉塞導(dǎo)致繼發(fā)性細(xì)胞死亡作用于腫瘤血管是其另一機(jī)制，實(shí)驗(yàn)證明PDT作用于移植瘤后出現(xiàn)血管內(nèi)皮損傷，血液淤滯、出血、血栓形成、血管密度減小，血流量下降

11、乃至停止等漸進(jìn)性變化。經(jīng)MV6401的PDT治療導(dǎo)致一個(gè)劑量依賴性的雙相性，PDT治療后的即可反應(yīng):急性的血管反應(yīng)以血管收縮為特征，但無(wú)血栓形成;長(zhǎng)期反應(yīng):血栓形成而使得血管閉塞。試驗(yàn)證明PDT改變內(nèi)皮細(xì)胞凝血過(guò)程中血栓調(diào)節(jié)蛋白和組織因子這兩個(gè)重要調(diào)節(jié)因子的活性，PDT作用按光劑量依賴方式使中血栓調(diào)節(jié)蛋白的表達(dá)降低，功能性組織因子的表達(dá)增高，從而改變內(nèi)皮細(xì)胞的致血栓狀態(tài)。還發(fā)現(xiàn)PDT可以明顯地抑制腫瘤生長(zhǎng)時(shí)期的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的表達(dá)水平，有效地抑制腫瘤血管的發(fā)生5。2.4增強(qiáng)免疫功能如PDT鼠肺癌后，光鏡觀察，除癌細(xì)胞壞死之外，間質(zhì)內(nèi)大量淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)，呈大片狀，尤以壞死的邊緣為甚，吞噬細(xì)胞數(shù)量

12、也較多。此外，PDT能明顯提高胸腺和脾的淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化率，提高CD4+/CD8+比值，增強(qiáng)脾細(xì)胞NK活性及LAK活性。光敏劑的發(fā)展上世紀(jì)60年代初，為提高藥物對(duì)腫瘤的選擇性攝入率使用了一種組成不定的復(fù)雜卟啉混合物血卟啉衍生物(hematoporphyrinderivative，HPD)。70年代初開始應(yīng)用于腫瘤的光動(dòng)力治療并成為第一代光敏劑。第一代光敏劑存在著選擇性不高、導(dǎo)致皮膚光敏化、化學(xué)活性成分及性質(zhì)均不明確等缺點(diǎn)，因而在用藥劑量與治療效果之間的聯(lián)系沒(méi)有充分的理論實(shí)踐依據(jù)。80年代初，Dougherty等用凝膠色譜從HPD中分離得到其有效集團(tuán)組分HPDA，把它稱為二血卟啉醚類(dihemat

13、oporphyrinethers，DHE)，或光敏素II(PhotofrinII)，它的出現(xiàn)減少了HPD中對(duì)腫瘤無(wú)定位作用的無(wú)效組分。這類藥物在臨床已有較多應(yīng)用7。其間，還發(fā)現(xiàn)了諸如金屬酞菁癌光啉等新型光敏劑。近幾年，人們又逐步開發(fā)更有效的第三代光敏劑近紅外類光敏劑。它在近紅外區(qū)(7502500nm)范圍內(nèi)有強(qiáng)烈吸收，近紅外光對(duì)生物組織有較強(qiáng)穿透能力。酞菁類、葉綠素類化合物將有希望成為第三代光敏劑。此外，Corrole是類卟啉化合物，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有較強(qiáng)的熒光量子產(chǎn)率，還具有在紅光區(qū)具有強(qiáng)的吸收，而且在人體內(nèi)代謝快等優(yōu)點(diǎn)，這些特征預(yù)示著Corrole在PDT方面可能是很有潛力的診斷和治療癌癥

14、的藥物。敏銳的科研工作者發(fā)現(xiàn)了這一具有重大意義的課題并做了大量研究取得了一系列成果。張啟光等對(duì)鼻咽癌(NPC)細(xì)胞進(jìn)行了體外PDT試驗(yàn)，在NPC細(xì)胞中加入細(xì)胞核的熒光探針，對(duì)細(xì)胞核形態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果證實(shí)了利用光敏劑進(jìn)行PDT實(shí)驗(yàn)后，NPC細(xì)胞通過(guò)凋亡的途徑被破壞了，單羥基Corrole衍生物表現(xiàn)出良好的PDT活性。同年，劉海洋等9報(bào)道了Corrole光敏劑在光動(dòng)力治療中的重原子效應(yīng)。PDT的光源PDT技術(shù)應(yīng)用的光源大致可分為普通光源和激光光源兩類。普通光源為非相干光源，包括太陽(yáng)光、白熾燈、鹵素?zé)舻?，再加上特定的濾光玻璃片及冷卻系統(tǒng)。這類光源由于是非相干光所以方向性差、單色性差、強(qiáng)度低，且與光纖

15、耦合有一定難度，所以僅限于體表使用，不能借助內(nèi)窺鏡進(jìn)入腔內(nèi)器官。而激光光源具有單色性好，方向性強(qiáng)，能量高和通過(guò)光纖耦合傳輸可進(jìn)入體內(nèi)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于PDT治療中。在光動(dòng)力作用中，光敏劑能否被激發(fā)依賴于激發(fā)光的波長(zhǎng)。若使PDT取得最佳的治療效果，最好采用激發(fā)光波長(zhǎng)在光敏劑吸收峰附近的光源。生物無(wú)機(jī)課程論文因此選擇PDT激發(fā)光源，一是根據(jù)光敏劑的吸收光譜，二是要求其對(duì)組織有一定的穿透能力。以往PDT臨床治療常用的激光器，如Nd：YAG泵浦的染料激光器(630nm,脈沖輸出)、Ar+激光泵浦的染料激光器(630nm，脈沖輸出)等，存在著體積龐大、設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格高，使用范圍限制性大等不利因素，因而

16、在某種程度上影響了PDT技術(shù)的療效及推廣。隨著導(dǎo)體激光器的發(fā)展，英國(guó)DIOMED公司率先制造了全球第一臺(tái)PDT半導(dǎo)體激光治療儀(630nm),功率可達(dá)2W。在獲美國(guó)FDA、德國(guó)GSZ批準(zhǔn)之后，在全球幾十個(gè)國(guó)家得到應(yīng)用，普遍受到醫(yī)生和患者的好評(píng)。另外，對(duì)于當(dāng)前新一代光敏劑的研究而言，若能配上與其吸收波長(zhǎng)相匹配的激光光源，則可以很好的發(fā)揮新一代光敏劑PDT的臨床效果。而半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)范圍較寬(630690nm),因此能適應(yīng)新一代光敏劑波長(zhǎng)的需要10。隨著國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體激光治療儀的相繼問(wèn)世，標(biāo)志著PDT光源的開發(fā)呈現(xiàn)出新的局面。5展望PDT對(duì)腫瘤診斷及治療的臨床應(yīng)用及試驗(yàn)開展二十多年來(lái)，光動(dòng)力療法的

17、基礎(chǔ)研究已取得較大進(jìn)展，目前已初步了解了光敏化作用的原發(fā)機(jī)制和由此引發(fā)的分子生物學(xué)變化及細(xì)胞損傷，這些研究結(jié)果均是以混和卟啉化合物作為研究對(duì)象，而光敏劑的有效成份沒(méi)有明確結(jié)論，所以選用理想的光敏劑對(duì)PDT顯得尤為重要。臨床應(yīng)用的光敏藥物要盡可能消除它帶來(lái)的危害，光敏劑應(yīng)盡量選擇長(zhǎng)波長(zhǎng)的光進(jìn)行激活，光敏作用中產(chǎn)生短壽命的活化物，殘留毒性物質(zhì)能夠迅速排除體外，以減輕對(duì)人體的毒副作用。腫瘤光動(dòng)力療法具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使之成為各國(guó)醫(yī)療、科研工作者研究的熱點(diǎn)，光動(dòng)力療法中存在的不足，將會(huì)隨醫(yī)學(xué)及物理光學(xué)、光化學(xué)、光生物學(xué)等相關(guān)科學(xué)的發(fā)展取得重大突破，成為繼手術(shù)、放療、化療之后一種更有特色，更有效的腫瘤新療法。

18、參考文獻(xiàn)：沈彬，劉樑，趙承梅，等腫瘤光動(dòng)力療法研究進(jìn)展J.繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育,2005,19(6):42.高社干，魏洛霞,王立東，等.腫瘤光動(dòng)力治療的研究現(xiàn)狀與展望J.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào),2008,43(3):405.王瑞平，李迎新.光動(dòng)力療法在腫瘤治療中的應(yīng)用J.國(guó)外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程分,1999,22(6):355.肖竦，劉懷志.腫瘤光動(dòng)力療法J.實(shí)用癌癥雜志,2005,20(2):214.周忠曉，蔡君，等.光動(dòng)力治療腫瘤的生物學(xué)效應(yīng)機(jī)制的研究進(jìn)展J.中國(guó)醫(yī)學(xué)文摘腫瘤學(xué)2006,20(3)：264-265.羅榮輝，陳香才,劉婉華，等光動(dòng)力療法對(duì)Louis肺癌鼠的殺傷及免疫效應(yīng)J.中國(guó)激光,2002,29(8):763-765.HendersonBW,DoughertyTJ.BasicPrinciplesandClinicalApplicationM.OfPhotodynamicTherapy,MarcelDekkerPress,NewYork,1992:6572.ZhangQG.,JiangPR.,LiuHY.,etal.Synthesisandphotodynami