生物医学光子学

光热治疗技术及其在生物医学中的应用,管慧文1015061409,目录,背景癌症传统治疗方法新的治疗方法光热治疗简介原理光热试剂诊断治疗一体化案例,背景,癌症对人类健康和生命都有巨大的威胁，是人类死亡的主要原因之一。,传统治疗方法,癌症的传统治疗方法包括手术切除、化学治疗、放射线治疗等。手术切除在理论上可以通过完全移除肿瘤细胞而将癌症治愈，但外科手术无法切除已经转移到其他部位的癌细胞，同时也无法精确切除所有癌变细胞而有可能导致癌症复发。更为重要的是，对于年老体弱的患者来说，外科手术这种创伤性极大的治疗方法有可能带来比癌症本身更大的危险。,化学治疗（或化疗）使用可以杀死癌细胞的药物进行癌症的治疗。由于癌细胞相比正常细胞具有快速分裂和生长的特性，所以化疗用药的作用原理通常是借由干扰细胞分裂的机制来抑制癌细胞的生长。因此，大多数化疗药物都没有对于癌细胞的特异性，会在杀伤癌细胞的同时也影响正常细胞，具有较大的副作用。放射线治疗（或放疗）是通过放射性辐射杀死癌细胞。放疗使用放射源发出的辐射线破坏细胞的遗传物质，阻止细胞生长或分裂，以此杀死癌细胞。然而放疗的效果仅局限与辐射区域内，同时放疗也不具有选择性，会导致正常细胞和组织的损失，造成较大的副作用。,癌症治疗的新方法,近年来兴起了一系列癌症治疗的新方法，包括光热治疗、基因治疗、免疫治疗、光动力治疗等等，这些方法无一例外的都属于无创性或者低创伤性治疗，可以有效减轻患者的痛苦，同时都具有一定的靶向治疗特性，可以定点杀伤癌细胞而对正常细胞带来很少的伤害。这些新的治疗方法大都处于研究阶段或者临床试验阶段，因此，通过不断的优化调整，这些新兴的癌症治疗方法都具有很大的临床应用潜力,光热治疗,光热治疗（PTT）通常是通过激光照射给肿瘤组织加热，一般照射时间为几分钟到几十分钟，使肿瘤组织温度升高。在这样的温度下，由于肿瘤细胞对热的耐受性较低，肿瘤细胞被选择性地破坏。光热治疗产生的热量，往往使肿瘤细胞发生不可逆的损伤，主要表现为线粒体膨胀、蛋白质失活、双折射性的丢失、水肿和组织坏死、细胞膜松散及膜蛋白的变性等。光热治疗使用的激光波长多为7001000 nm，电磁波的这一波长区域被认为是人体组织的光学窗口。也就是说，波长为7001000 nm 光对人体组织的穿透性最好，实验证明此区域内的光可以穿透约1 cm 厚度的组织而不对其产生明显的破坏作用。因此，使用近红外激光可以实现穿透皮肤和组织，在不破坏正常细胞的情况下，实现对于深层肿瘤组织的有效热杀伤。,治疗原理,光热杀死肿瘤细胞的原理主要包括三个方面：（1）间接杀死肿瘤细胞：肿瘤组织的毛细血管在发育上和功能上都比正常血管差，肿瘤组织的毛细血管缺乏弹性，导致肿瘤组织内血流缓慢，易形成栓塞，且不容易散热，在光热治疗条件下，肿瘤组织的温度与正常组织的温差可达 510 C，可以利用这个温差来杀死肿瘤细胞而又不损伤正常组织的细胞。另一方面，肿瘤组织血流不通畅会导致肿瘤内部缺氧，加热会加剧这一过程，使得肿瘤细胞更容易被杀死。,（2）直接杀死肿瘤细胞：加热会使肿瘤细胞细胞膜上磷脂的状态发生改变，从而引起细胞膜的流动性和通透性发生改变，导致膜蛋白发生功能的丧失，甚至导致蛋白质变性。此外，加热还会改变细胞骨架，从而改变细胞的形态，进一步改变细胞的代谢及功能。（3）诱导细胞凋亡：很多研究表明，加热会引起细胞内凋亡促进基因（包括野生型 p53 等）和凋亡抑制基因（bcl-2，突变型p53 等）的表达改变，从而引发细胞发生凋亡。,光热试剂,人体中固有的光吸收剂包括水、血红蛋白、氧和血红蛋白和黑色素等。这些物质吸收光能后，会引发一定程度的组织温度升高，但是由于生物体对可见光较强的散射和吸收，使得可见光对组织的穿透深度不够，产生的热量不足以杀伤肿瘤细胞。同时，这些光吸收剂是人体本身固有的，在全身都有分布，因此，以这些物质作为光吸收剂，很难分辨出正常组织和肿瘤组织，从而引起对正常组织的热损伤。为了提高激光诱导的光热治疗的效率和肿瘤选择性，通常会将具有光吸收性能的光热治疗剂导入肿瘤部位，使得肿瘤组织温度迅速升高，同时不会引起周围正常组织温度的明显升高。,光热试剂的要求与分类,首先，最重要的就是具有良好的光热转换效率其次，应该无毒或只有较低的生物毒性第三，材料应该是易功能化的，可以在其表面修饰其他分子，如药物分子，光敏剂等。,金纳米材料,诊断治疗一体化,从发现疾病到恢复健康，一般需要经过诊断和治疗两个阶段。疾病的诊断和治疗在传统的临床应用中是两个相对独立的过程，所以诊断用造影剂和治疗试剂也需要分别使用。两次医疗过程间隔较长，容易贻误最佳的治疗时机，同时两次注射药物所带来的副作用叠加效应也会增加患者的痛苦和风险。于是，一种全新的医疗处理方式诊断治疗一体化逐渐发展起来,诊断治疗一体化将诊断和治疗两个过程合二为一，在得到诊断结果的同时，立即基于诊断结果进行对症治疗。它将诊断用造影剂和治疗用试剂结合为一体，得到可同时应用于医学成像诊断和治疗的多功能试剂，即诊断治疗一体化试剂造影剂可以显著提高医学图像的对比度和分辨率，帮助临床医师对疾病进行更为快速准确的诊断，是各种医学成像诊断中不可或缺的辅助试剂。受益于纳米技术的发展，我们现在可以有目的的设计和构建一系列具有多种功能复合于一体、靶向性较好、无毒副作用的多功能造影剂，其中研究最多的就是多模式造影剂和诊断治疗一体化试剂可同时进行多种模式医学成像诊断和治疗的多功能纳米材料的研究不仅代表了纳米科技发展的尖端水平，同时具有巨大的经济价值和市场潜力。,具有超声成像和光热治疗功能的金纳米棒微胶囊的研究-金纳米棒聚乳酸微胶囊,体外/体内超声造影成像效果在体外用乳胶管模拟人体血管进行超声造影成像。在乳胶管中充满脱气生理盐水时，无论PIHI 造影模式还是普通B 模式，在其截面只能看到管壁出现高亮的强回声，管内完全没有回声增强(a)。注入GNR-MCs 多功能微胶囊后，在PIHI 造影模式下，管腔内出现了明显的回声增强，同时B 模式下也有一定程度的增强效果(b),应用新西兰大白兔作为动物模型，对兔肾脏进行扫查,进行了体内进行的造影成像。可以看到兔肾脏在两种模式下几乎都看不到回声增强信号（a）。通过耳缘静脉通道注射GNR-MCs 悬液，并推注生理盐水以保证所有造影剂进入循环系统。静脉团注后数秒钟，即可在超声仪监视器上看到PIHI 模式下的兔肾脏呈现较强回声，并且可以动态观察到肾脏血流从皮质到髓质的整个充盈过程（b）,体外光热升温效果为了验证制备的GNR-MCs 复合物的光热治疗效果，用功率2 W 的808nm 半导体激光器对水、空白聚乳酸微胶囊MCs（1 mg/mL）和复合微胶囊GNR-MCs（1 mg/mL）在同样条件下进行了辐照，并监测了照射过程中温度的变化说明金纳米棒的加入显著的增强了聚乳酸微胶囊对于近红外辐照的光热转换效率，GNR-MCs 复合物可以用于近红外光热治疗。,对癌细胞的光热杀伤效果通过对体外培养细胞应用GNR-MCs 造影剂（浓度1 mg/mL）和近红外激光辐照（中心波长808 nm，能量密度10 W/cm2，照射时间10 min）的不同组合，来评价GNR-MCs 的光热治疗效果。使用钙黄绿素乙酰甲酯（calcein AM）进行细胞染色。a) 无处理b) 仅激光辐照c) 仅加入GNR-MCsd) 加入GNR-MCs 用激光进行照射,在一次用药的前提下实现超声造影成像诊断和光热治疗的同时进行。这样即可以避免诊断治疗的多次用药对于人体血液循环系统和血液清除机制带来巨大压力，同时也缩短了诊断和治疗的间隔时间，对于一些发展快速疾病的治疗有很重要的意义。金纳米材料和超声造影剂的成功结合，验证了超声造影成像联合近红外光热治疗的诊断治疗一体化的可行性，对提高诊断和治疗效率的探索可能具有一定的积极影响。,集超声/CT 成像和光热治疗于一体的金纳米壳纳米胶囊的研究-金纳米壳液态氟碳纳米胶囊,体外双模式成像表征(1)使用PGsP NCs 造影剂进行的体外超声造影成像a) 乳胶管中充满生理盐水，无造影剂b) 乳胶管中充满造影剂结果表明PGsP NCs 悬液具备良好的超声造影增强功能，可以用于增强超声成像的对比度。,(2)不同浓度的PGsP NCs 悬液的体外CT 造影成像图使用小动物microCT 对于不同浓度的PGsP NCs 悬液进行了CT 造影成像，结果如图所示。随着浓度从样品5 至样品0 的逐渐降低(40.4，20.2，10.1，4.04，2.02，0 mgAu/mL)，样品悬液的亮度也逐渐降低表明CT 增强效果随浓度减小而呈下降趋势。,光热转换性能评价不同浓度的PGsP NCs （0.005，0.01，0.025，0.05，0.1 mg/mL）在相同近红外激光（中心波长808 nm，辐射功率2 W）辐照下的升温情况证明了PGsP NCs 可以高效的将近红外激光辐照转变为热能，实现良好的光热治疗效果。,细胞毒性研究采用MTT 法测试了PGsP NCs 悬液在不同浓度时对正常细胞人脐静脉内皮细胞HUVECs 的细胞活力的影响说明制备得到的纳米胶囊对正常细胞没有明显的毒性，具有较好的生物相容性，可以应用于动物体内实验。,体内双模式成像性能(1)使用PGsP NCs 造影剂进行的兔肾脏超声造影成像a) 注射PGsP NCs 前 b) 注射PGsP NCs 后实验结果表明PGsP NCs 可以在动物体内呈现出良好的造影增强效果，具有作为超声造影剂辅助超声诊断的潜力。,(2)使用PGsP NCs 对鼠进行肌肉注射前后的CT 造影图（箭头显示增强效果）使用PGsP NCs 对鼠进行尾静脉注射前和注射100 min 后的CT 造影图（箭头显示增强效果）,肿瘤光热治疗效果在证实了PGsP NCs 可以成功进行动物体内超声和CT 造影成像，使用荷瘤裸鼠动物模型来进行移植瘤的光热消融治疗实验使用U-87 MG 癌细胞移植瘤荷瘤裸鼠共32 只，随机平均分为4 组：对照组、试剂组、光照组和治疗组在进行不同治疗处理后，各组荷瘤鼠的移植瘤在16 天内的生长曲线如图所示。,体外细胞毒性实验证实了PGsP NCs 良好的生物相容性之后，通过体内外超声/CT 造影成像评价证明金纳米壳液态氟碳纳米胶囊不仅保持了原来液态氟碳纳米胶囊良好的超声造影特性，同时可以成功实现体内血液循环，得到对比增强的CT 成像效果，此外光热升温和光热癌细胞杀伤实验都表明PGsP NCs可以在近红外光照辐射下有效杀伤肿瘤细胞，这样金纳米壳纳米胶囊就成为了一种新型的同时具备超声/CT 双模式造影成像功能和光热治疗功能的诊疗一体化试剂这种纳米诊疗一体化试剂介导的肿瘤诊断和治疗的新模式，可能会对以后癌症的诊疗方式产生积极的影响。,用于超声/MRI 成像引导下光热治疗的金纳米壳磁性纳米胶囊-金纳米壳磁性液态氟碳纳米胶囊,体外超声/MRI 双模式造影成像性能评价(1)使用PGS-SP NCs 造影剂进行的体外超声造影成像a) 乳胶管中充满生理盐水，无造影剂 b) 乳胶管中充满造影剂,(2)不同浓度的PGS-SP NCs 悬液的MRI 造影效果PGS-SP NCs 悬液在磁铁旁放置10 min 前后的照片(左)未经吸附的纳米胶囊呈均匀散布的黑色悬液(右)磁性纳米胶囊完全被吸附于靠近磁铁的一侧表明纳米胶囊在磁场中具有顺磁性响应。,(3)PGS-SP NCs 悬液的MRI 造影效果将6 个浓度梯度的PGS-SP NCs 悬液样品置于Bruker 7 T 小动物MRI仪器中进行扫描（从0 到5 的Fe 浓度依次升高：0，4.97，9.93，19.9，39.7，9.93 M），可以看到随着悬液浓度的升高，在T2 加权的MRI 造影图中成像逐渐变暗的趋势(a)， 在对应的1/T2 强度图中呈现逐渐增强的趋势(b)表明PGS-SP NCs 的T2 加权的MRI 造影增强效果是具有浓度依赖性的，随着浓度增加，“负对比”的效果越好,体外光热升温效果评价不同浓度的PGS-SP NCs （0，0.01，0.05，0.1，0.5 mg/mL）在相同近红外激光（中心波长808 nm，辐射功率2 W）辐照下的升温情况PGS-SPNCs 可以在一个相对较低的浓度下，通过近红外激光辐照将肿瘤细胞从37 C加热到4243 C，实现对肿瘤细胞的有效光热杀伤,对正常细胞的毒性研究通过MTT 法测试不同浓度PGS-SP NCs 对正常细胞HUVECs 的细胞毒性，可以对金纳米壳磁性纳米胶囊的生物相容性进行评价浓度高达0.5 mg/mL 的纳米胶囊处理之后的细胞活力仍保持在90%以上，同时浓度从0 mg/mL 到0.5 mg/mL 的纳米胶囊几乎都未对HUVECs 的细胞活力产生影响证明了PGS-SP NCs良好的生物相容性，可以应用于动物体内实验。,动物体内超声造影成像效果使用PGS-SP NCs 造影剂进行的兔肾脏超声造影成像a) 注射PGS-SP NCs 前 b) 注射PGS-SP NCs 后实验结果表明PGS-SP NCs 具有良好的超声造影增强效果，具有作为超声造影剂辅助超声诊断的潜力。,移植瘤裸鼠模型的建立使用人纤维肉瘤细胞HT-1080 荷瘤裸鼠作为肿瘤动物模型。在接种15 天后，当移植瘤平均体积达到729 mm3 开始进行实验将24 只荷瘤鼠分为4 组：对照组（只静脉注射生理盐水，不进行激光照射）、试剂组（只静脉注射PGS-SP NCs 悬液，不进行激光照射）、光照组（静脉注射生理盐水后进行激光照射）治疗组（静脉注射PGS-SP NCs 悬液后进行激光照射）,瘤内注射后的肿瘤超声造影成像实时超声成像引导下的PGS-SP NCs 悬液的瘤内注射（T 表示移植瘤）a) 注射前 b) 注射中 c) 注射后说明通过超声实时造影成像成功的监测和引导了瘤内造影剂的注射过