光学创新系列讲座1

激光光谱技术在医疗领域的应用光学创新系列讲座,2,研究背景,光子学 利用光子代替电子进行信息的传输、处理和存储，使信息技术中的容量和速度有了质的飞跃。生物光子学 讨论光与生物之间的相互作用，融合了生物学和光子学，是光子学的延伸。,3,光子技术应用于生物学生物成像/生物传感光学诊断基于光的治疗组织工程学细胞的光操作,生物医学应用光子学技术激光介质光通信通道光信号处理高容量数据存储,光 子 学,生 物 光 子 学,生 物 医 学,推动,医学中的激光诊断和治疗,医用激光治疗,组织激光激光加热,（激光手术刀）,光动力学治疗,激光治疗,医用激光治疗的特点,可减少输血,不易感染,减少正常组织损伤,无法引入细菌和造成对组织的机械损伤,凝血,消毒,不与组织接触,有选择性,光与组织相互作用,共振作用： 激光的分子吸收 激光诱导组织加热 激光诱导光化学 激光诱导荧光非共振作用： 弹性散射 Raman散射,组 织,组织分子的吸收对光传播的影响,入射,反射,激光,透射,吸收,散射,激光,组 织,吸收系数小大,透射,特征分子和生物组织的吸收,生物组织分子的吸收特点,组织中，吸收系数和散射系数与光波长等有关。吸收越强，穿透深度越小。水在UV和IR有两个吸收带，在UV蛋白质和核酸有强吸收，血色素在600nm以上吸收很弱，表皮中的黑色素在IR波段吸收较弱。4. 在6001300nm，组织有较好的组织穿透性质，波长越大，穿透越深，在1000nm处，近似透明。,温度与组织的关系及作用,3744C，细胞中酶和电活性将遭到破坏； 60 C，蛋白质变性； 100 C，细胞由于细胞液的沸腾而破裂； 200 C，将发生炭化反应。,炭化反应：止血及组织外科手术 用于胸外，皮肤手术及一般手术。,用于激光外科的激光器特点及比较,激光器 使用波长 功率 吸收介质 穿透深度CO2激光器 10.6m 2040W 水和蛋白质 0.1mmAr离子激光器 488nm 520W 黑色素 1mm 515nmNd:YAG激光器 1.06 m 20-100W 4mm准分子激光器 UV 水,激光诱导组织加热激光外科,激光诱导组织加热：电磁辐射能量对热能的转化,核间距R,激光激发,无辐射跃迁,激光,利用激光外科治疗的病症,角膜外科手术近似眼和远视眼血管肉瘤视网膜焊接先天性胎痔痦子直肠息肉痔疮瘤子人体上突出病变,直接治疗,准分子激光,Ar离子激光,CO2激光器Nd:YAG激光器,光动力治疗恶性肿瘤,国家：加拿大、美国、日本、荷兰、德国、法国、英国、芬兰、冰岛、丹麦、意大利 肿瘤：膀胱癌、肺癌、食管癌、胃癌、宫颈癌 (各国批准应用的肿瘤种类或病期有所不同）,光动力作用的基本要素,光敏剂激发光分子氧,肿瘤光动力疗法(PDT),基本方法与结果,静脉注射光敏剂2448小时后对肿瘤部位进行照光光照射后12日内肿瘤出现坏死、出血等杀伤效果，深度约数毫米PDT治疗后数周内缺损部位逐渐愈合,临床上通用的光敏剂,血卟啉衍生物Hematoporphyrin Derivative，HpD商品名：光卟啉 Photofrin（Porfimer sodium),血红素，去掉中央的铁原子就成了血卟啉,修饰不同的侧链，形成血卟啉衍生物。,新光敏剂举例,卟啉类:BPD-A (加、美)，HMME (中) Photogem (扶特健，俄）叶绿素类:MACE (NP-e6) (美、日) CPD4 (从蚕砂制备，中)二氢卟吩类：m-THPC (瑞士)红紫素类：SnET2 (美) 酞菁类：CGP 55647 (意、瑞士）竹红菌素类：hypocrelline A、hypocrelline B（中）-氨基酮戊酸（ALA)（美、欧等）其他： Lutetium Texaphyrin等,可见光,紫外光,红外光,临床光动力治疗的光源,非激光灯光、阳光、发光二极管激光氩离子泵浦染料激光、铜蒸汽泵浦染料激光金蒸汽激光氦氖激光准分子激光泵浦染料激光固体激光：Nd:YAG倍频激光、钛蓝宝石激光、紫翠玉激光半导体激光,利用内窥镜的光动力学治疗,光动力反应,光子 光敏剂 氧 单态氧、其它活性氧分子、自由基 单态氧 攻击生物大分子 细胞与组织的损伤死亡,单态氧,化学性质非常活泼寿命极短：细胞内常以纳秒计扩散距离：0.1m,单态氧作用的靶分子,氨基酸（蛋白）色氨酸 tryptophan苯丙氨酸 phenylalanine组氨酸 histidine蛋氨酸 methionine半胱氨酸 cysteine不饱和脂肪酸核酸 (DNA, RNA)鸟嘌呤 guanine,光动力杀伤肿瘤的体内作用机理,直接杀伤肿瘤细胞破坏微血管、局部微循环障碍（血管内皮细胞、血小板）局部与全身免疫反应，强化对肿瘤细胞的杀伤作用，维持长期效应，减少复发机会,光动力治疗的临床应用,各种组织学类型的恶性肿瘤鳞癌腺癌移行细胞癌基底细胞癌软组织肉瘤(深色的黑色素瘤),光纤,早期癌,光动力治疗的临床应用,早期癌与癌前病变可获得根治,晚期癌,光动力治疗进展期癌,解除或缓解梗阻其他治疗后的复发或残留缩小肿瘤，赢得手术机会改善生存质量、延长生命,PDT的临床应用,呼吸道 喉癌、气管癌、支气管（肺）癌（非小细胞肺癌）、鼻咽癌、副鼻窦癌消化道食管癌、贲门癌、胃癌、结肠癌、直肠癌、胆道癌、肝癌、胰腺癌泌尿道膀胱癌、尿道癌生殖道 宫颈癌、宫内膜癌、阴道癌、外阴癌阴茎癌、前列腺癌脑肿瘤眼肿瘤胸膜、腹膜肿瘤皮肤肿瘤,胆总管癌,十二指肠壶腹癌,胰头癌,肝癌,肝癌,球状光纤全膀胱照射,癌的胸膜播散,癌的腹膜播散,利用新药ALA进行的激光诱导荧光治疗,利用二极管激光（635纳米）进行光动力学治疗,ALA-PDT ALA-PDT ALA-PDT ALA-PDT 治疗前 刚治疗完 治疗后一周 治疗后8个月,利用新药ALA的PDT治疗病例,78岁，男性，胳膊上基细胞癌,38岁，男性，Gorlin综合症,利用新药ALA的PDT治疗病例,治疗前,治疗后10个月,皮肤T细胞淋巴瘤,治疗前 PDT一周后 治疗后9个月,利用新药ALA诊断的病例,典型的基细胞癌,治疗前治疗后,利用新药ALA进行PDT治疗效果,基细胞癌, I:35mm, II:21mm, III:25mm, IV:15mm图片为治疗前和治疗后一年.,间质激光动力学治疗,小白鼠体内肿瘤的激光动力学治疗图片,50,牙周病是世界上发病率最高的人体感染性疾病之一。此病侵犯各个年龄段的人群，主要是由于长期细菌感染而产生慢性的炎症，发展过程如下：,图1-1 牙周病的发展过程,51,收集细菌,培养基孵育（24小时）,测量OD系数（细菌浓度108 个/ml),分装,加入光敏剂孵育,光照,培养基(LB),稀释计数,光动力治疗牙周病的实验流程,52,光动力灭菌效果研究,53,光强度对杀伤效果的影响,54,光剂量对光动力治疗效果的影响,55,光敏剂浓度对治疗效果的影响,56,用635nm激光和光敏剂甲苯胺蓝能有效杀灭口腔细菌；治疗效果受光强、光敏剂浓度、光剂量的影响；最好的杀伤效果组合为：1mg/ml+ 12 J/cm2+159 mW/cm2 ；杀灭菌群所需的光敏剂浓度和光剂量远大于单株菌；不同病人之间杀灭效果起伏较大，这可能与不同病人口腔细菌的种类、生长期的差异有关，在实际治疗中可能需要多次治疗或几种光敏剂的混合使用。,57,光动力安全性研究,光动力安全实验不同组的实验条件,58,光动力安全性研究,a 光动力组b 光对照组c 光敏剂对照组d 对照组,59,研究表明甲苯胺蓝诱发的光动力反应能杀灭口腔细菌的同时不损伤正常的口腔细胞；虽然Soukos 于1996年报道了甲苯胺蓝诱发的光动力反应能有效杀灭口腔中Streptococcus sanguis 细菌，且不损伤正常组织，但是他所用的光剂量、光敏剂量都远小于本实验中的剂量；phthalocyanine 、hematoporphyrin 则被证明对正常组织有损伤作用。,60,光动力治疗和传统治疗老鼠龈炎的比较,将16只小白鼠分成两组,诱发牙龈炎,传统治疗、光动力治疗,细菌计数,外科诊断,病理切片,图5-13 治疗流程,（2月）,（1月）,61,光动力和传统方法灭菌效果的对比,62,不同治疗方法的治疗效果的外科观察（A）光动力治疗参考组，（B）光动力治疗后，（c） 洁治参考组，（D）洁治后,63,两种方法治疗效果的病理观察（A） 对照组，（B） 光动力组，（C） 洁治组,64,光动力能有效杀灭口腔细菌，减少炎症细胞，且对正常组织没有损伤；与传统治疗方法相比，光动力治疗能有效治疗牙周病；不容易引起细菌的耐药性、能有效治疗牙周病深层感染，是常规手段的有效补充。,光动力治疗肿瘤的特点,学术意义：全身各部位、各种类型的恶性肿瘤早期癌可获得根治、中晚期癌可获得姑息效果安全、痛苦少、毒副作用少而轻，病人易接受无耐药性、可重复使用消除隐性癌灶、保护容貌、保存重要器官与功能可结合其他治疗手段开展综合治疗社会意义：治疗技术、仪器设备、人员培训都比较简单部分病人可以门诊治疗有望降低成本，有利于基层推广应用,PDT的综合治疗,热疗化疗放疗外科手术治疗免疫治疗激光治疗,肿瘤防治的关键 三早,三早 早期发现、早期诊断、早期治疗瓶颈 早期发现,早期癌,晚期癌,食管癌的五年治愈率,早期癌 ： 都可以切除 五年治愈率90% 十年治愈率80%中晚期癌：约一半病例可以切除 五年治愈率1535%,肺癌的五年治愈率,早期癌： 都可以切除 五年治愈率80%中晚期癌：约1/3的病例可以切除 五年治愈率30%40%,癌症早期发现很困难,病人 缺乏明显和特异的症状和体征医生 缺乏高度灵敏和特异的检测手段,光学生物诊断技术,早期的光学生物诊断技术： X射线照像术 核磁共振成像 超声成像 正电子断层摄影术 目前增加的光学生物诊断技术： 激光诱导荧光诊断 激光诱导荧光寿命诊断 激光光动力学诊断,医用激光组织诊断的特点,无侵入的光学组织诊断无离化辐射的使用实时的数据表述分析中激光光谱学技术的分子识别点监测和成像,集成的激光诊断和治疗,激光诱导荧光及光谱特点,（1） 激光激发，从低能态到高能态， 高能态退激发射荧光。（2） 对原子离子，荧光谱是线状的， 对小分子，光谱通常是一系列谱线（带）（3） 对大的生物分子，荧光发射无结构特 征，但荧光形状包含了组织信息。（4） 荧光波长通常比激发光波长长， 红移，Stokes Shift。,肿瘤荧光光谱学诊断的方法,利用自体荧光（自发荧光）利用光敏剂产生荧光,肿瘤,微小癌灶,荧光,肿瘤,肿瘤的自发荧光,激发光,荧光,肿瘤,肿瘤的光敏剂荧光,激发光,肿瘤,采取活检标本,送病理检查,81,荧光诊断原理,光与单个生物分子的相互作用,82,荧光产生原理,83,图4-4 组织荧光,84,若为收集效率，探测效率,荧光诊断的原理,(1),(2),肿瘤的荧光光谱学诊断的特点,快速（实时）灵敏无创可记录可重复客观可结合图像进行病变定位,自体荧光检测法,国内：肺、胃、大肠、肝、宫颈、乳腺、脑喉、皮肤等京、沪、津、鄂、湘、闽、皖、川等国外：涉及的肿瘤类型更多研究者来自世界各国效果：可以区分正常组织与肿瘤组织研究重点在于发现早期病变已经初步进入临床试用,自体荧光法,直接、无创、无毒副作用、经济产生荧光的物质不明确、干扰因素较多、特异性不够强，判断比较困难,光敏剂荧光法,采用的光敏剂：HpD、酞菁、CPD4等国内：食管、肺、胃、宫颈、大肠、喉、脑、肝、骨、乳腺等京、沪、闽、辽、吉、渝、黑、鲁、新、苏等国外：动物与人体肿瘤、许多器官效果：正常与肿瘤组织的差异显著已经初步进入临床试用,光敏剂荧光法,多一项操作、可能有毒副作用、费用增加光敏剂的性质明确、产生的荧光比较强、方法确切,肿瘤光活检,发现可疑的微小癌或癌前病变手术中帮助确定切除范围和切除是否彻底手术中检测其它部位是否有微小病变提前发现肿瘤、提高治疗的彻底性和疗效,激光诱导荧光实验,动脉粥状硬化的激光诱导荧光实验装置,人体组织中一些色团的光谱,胶原质, 弹性蛋白, 血红素等分子的荧光光谱,激光诱导荧光实验结果,激光诱导荧光光谱诊断,主要的光敏感剂的激光诱导荧光光谱,血普林,光普林, 复血普林, 本普林和脂普林,HPDPDT原理和肿瘤荧光探测图,HPDPDT原理和肿瘤荧光探测示意图,利用激光诱导光化学方法的激光光谱学诊断,激光激发诱导荧光光谱装置图,利用新药ALA进行的激光诱导荧光诊断,激光光谱学在医疗领域的应用,利用新药ALA进行的激光诱导荧光诊断,鼠脑肿瘤诊断，利用A/B比率可以有效的确定发病区域,利用新药ALA进行的激光诱导荧光诊断,涂药6小时后,治疗前治疗后,利用新药ALA进行的激光诱导荧光诊断,眼皮上的包囊基细胞癌，涂药4小时和治疗后不同位置的激光诱导荧光诊断。治疗光用量为60J/cm*2。,ALA-PDT ALA-PDT ALA-PDT ALA-PDT 治疗前 刚治疗完 治疗后一周 治疗后8个月,利用新药ALA的PDT治疗病例,78岁，男性，胳膊上基细胞癌,102,(A) White light colour image of BCC lesion prior to ALA application. (B) Scaled pseudo-colour fluorescence ratio imageof 5(A) after ALA application showing higher ratio in the tumour