光动力疗法治疗肿瘤的生物学效应机制及其发展

1、 光动力疗法治疗肿瘤的生物学效应机制及其发展摘要：癌症是威胁人类生命的一大疾病，也是医学上的一大难题。光动力治疗法在治疗癌症中已展现出一系列的优点。本文介绍了PDT的原理及作用机制，分析了其生物学效应机制，并对PDT中关键的技术一一光敏剂和激光器目前的应用做了较详细的介绍，分析了目前的最新发展并对PDT未来的发展趋势进行了展望。关键词：癌症PDT激光器光敏剂引言目前癌症已成为严重威胁人类健康的主要疾病之一。近年来，全球癌症患者人数不断攀升全球恶性肿瘤新发病例数从2002年的1090万上升到2008年的1270万，死亡人数从670万上升到760万。我国2002年的统计资料显示，有癌症患者300多

2、万，且以每年3的速度递增，癌症死亡率也呈现持续上升趋势，全国每年死于癌症的人为150万，占全球的24%。世界卫生组织预测，到2020年，每年新发癌症病人数将达到1500万，癌症将成为新世纪人类的第一杀手。因此癌症的控制是世界各国政府的卫生战略重点，癌症的综合治疗成为世界所关注的研究课题。在癌症治疗的众多方法中，光动力疗法(PhotodynamicTherapy,PDT)以其有效、安全、副作用小、可协同性、可重复性和相对成本低等优点脱颖而出，并且在肿瘤的治疗中显示出很强的生命力，为中晚期癌症患者，特别是无法采用传统疗法治疗的癌症患者提供了一个机会，增加了一种治疗手段。与肿瘤传统手术、化疗和放疗方

3、法相比，PDT的优点是能选择性地消灭局部的原发和复发肿瘤，而不伤及正常组织;可与化疗和放疗同时进行，且均具有一定的协同作用；可缩小手术的范围和改善患者愈后的身体状况。几十年来，PDT已成为肿瘤防治研究中的一个十分活跃的领域。很多国家都开展了肿瘤PDT的研究，并使成千上万的不同癌症患者受惠于这一疗法，迄今为止已有数千例的治疗报道，治疗的范围包括：脑瘤、头颈部肿瘤、眼部肿瘤咽癌、肺癌、胸壁肿瘤、食管癌、直肠癌、腹腔肉瘤、膀胱癌、乳腺癌和妇科肿瘤等。近年来美国的FDA、日本、荷兰和加拿大等国的卫生部门已相继确认了这一肿瘤新疗法的治疗标准，PDT结合食管癌支架的疗法已被美国综合癌症网络(NCCN)作为

4、晚期食管癌的首选方法，近年来,在国内也逐渐成为新的研究热点1、2。1PDT的基本原理PDT的作用机制是由于光敏剂在各组织中的半衰期不同，经过一定时间后可造成肿瘤组织中光敏剂的浓度高于其周围正常组织，在特定波长的光的辐射下，基态的光敏剂经短暂存在的激发状态的单线态光敏剂转变成激发状态的三线态光敏剂。激发状态的三线态光敏剂一方面作用于组织底物或氢原子或电子，产物与氧作用形成各种氧化物；另一方面它直接将能量转移给氧，形成单线态氧。单线态氧与氧化物都具有细胞毒作用，尤其单线态氧是光动力作用诱导肿瘤坏死的主要损伤形式，它能破坏癌瘤中的微血管，造成局部缺血和细胞死亡，数日后该部组织将坏死脱落，从而达到局部

5、治癌的目的3。光动力作用的原发机制光敏分子与光相互作用引发光动力效应。在没有光照条件下，光敏分子处于基态S0。当吸收了光子后，光敏分子首先跃迁到能量更高的激发态，转变为受激发的单态(S)。接着会出现3种可能的衰变途径，即非辐射性的和辐射性的单态衰变为基态，还有发生系间窜跃衰变到最低的三线激发态(T)。处于三线激发态的光敏分子衰变回基态之前会与其它分子相互作用，除主要通过自由基氧化还原反应或能量传递过程与周围分子发生作用外，三线态敏化分子还可1.2两种效应机制圈丨典型丸敏和附能级越迁图其相关化合物是光动力疗法中经常应用的敏化剂。它广泛存在于生命体系，如叶绿W及细胞色素中。不论在均相或液相细胞体系

6、中卟啉的三线激发态(3P)都可以使电过程称为E卟啉及其素、血红素子转移到底物D，或从底物D中使电子转移出来生成自由基或离子化的活性基团，这种自由及氧化还原反应过程称为I型光动力效应机制；此此外：，生物体系中的卟啉参与的敏化光反应通过其三线态(3P)引发，在有空气存在的介质中，三线态卟啉被基态02所淬灭，并借助电子的转移生成高活性的单线态氧(102)或三线态卟啉与氧化作用生成单线态氧以外的其它活性氧物质，这一能量转移过程为II型光动力效应机制3、4。2PDT生物学效应的机制直接杀灭肿瘤细胞光化反应过程中产生了一些对生物体有害的活性氧物质(R0S)，如单线态氧、超氧阴离子、经自由基及过氧化氢等等。

7、这些分子能损伤蛋白质的羟基和氨基等基团而使蛋白质发生变性、交联以至结构发生改变、酶的活性丧失等；还能攻击多聚不饱和脂肪酸引起脂质过氧化，导致生物无机课程论文 生物膜结构和功能的改变和破坏；另外还能损伤DNA的分子结构。通过这些作用使肿瘤细胞受到严重影响直至死亡。诱导细胞凋亡诱发凋亡的多样性光敏剂导致肿瘤细胞的亚细胞定位极重要地决定了初始损害的位置，光敏剂理化性质的不同其亚细胞定位亦不同。实验发现光敏剂在细胞内的不同亚细胞定位所诱导细胞凋亡发生的时间和形态均不相同，两种亲脂性高的光敏剂3-羟苯基卟吩和光卟啉定位于细胞内的膜系统，包括线粒体、内质网及高尔基体等，经光照后引起细胞快速凋亡，能检测到典

8、型的DNA梯型，但凋亡小体形成不明显（而另外两种磺化作用中位的四苯基卟啉磺酸盐光敏剂（TPPS2a和TPPS4）由于亲脂性差，贝U通过细胞的内吞作用先进人溶酶体，光照后引起细胞慢速凋亡，并形成广泛的凋亡小体。这表明PDT诱导肿瘤细胞凋亡的途径并不相同，不仅如此，同一种光敏剂也可因剂量的不同而通过不同的途径诱导细胞凋亡。2.2.2细胞凋亡的启动当PDT明确成为治疗癌症的方法后，人们研究发现在光动力作用肿瘤细胞死亡中线粒体扮演了重要的角色。不同凋亡途径激活的终末效应子与线粒体膜上的受体或某些结构相互作用导致线粒体膜的结构破坏或通透性增加、膜电位的消失，从而使位于线粒体内膜或膜间隙的一些分子释放到细

9、胞质内，包括前半胱天冬酶、细胞色素C、促凋亡蛋白和凋亡诱导因子，它们再激活caspase（半胱天冬酶）家族，导致细胞发生凋亡。2.2.3Ca2+的参与目前光动力作用引起的胞内钙离子浓度升高的确切原因尚未清楚，但它的升高对细胞多方面的损害起到关键作用，如抑制细胞能量的代谢、激活细胞内多种酶系统以及氧自由基生成的增多等，诱使肿瘤细胞大量凋亡和死亡。并且这种对细胞的破坏力在一定范围内随着光敏剂浓度和激光剂量的增加而加大，Ca2+作为第二信使对很多刺激发生反应，且可能与磷脂酶C、磷脂酶a2的活化存在内在联系，而实验发现磷脂酶a2参与凋亡的诱导。2.2.4蛋白质及相关酶的调节光动力作用于肿瘤导致相关蛋白

10、表达的改变，PDT产生的氧化应激可诱导基因表达发生改变，一些有害物质（如过氧化氢脂质）的分解酶不能顺利合成这些有害物质聚集导致细胞凋亡，同时PDT还促使一些细胞毒性物质（如心磷脂的过氧化物型），加快了细胞的凋亡。2.2.5基因的改变随着PDT基础研究的进一步深人，PDT基因方面也取得了重大突破。PDT强烈诱导各种基因的转录激活包括属于葡萄糖调节蛋白家族的应激反应基因，氧化应激和低氧能够激活葡萄搪调节蛋白-78,在PDT疗后可导致生理上的损伤。局部血管闭塞导致继发性细胞死亡作用于肿瘤血管是其另一机制，实验证明PDT作用于移植瘤后出现血管内皮损伤，血液淤滞、出血、血栓形成、血管密度减小，血流量下降

11、乃至停止等渐进性变化。经MV6401的PDT治疗导致一个剂量依赖性的双相性，PDT治疗后的即可反应:急性的血管反应以血管收缩为特征，但无血栓形成;长期反应:血栓形成而使得血管闭塞。试验证明PDT改变内皮细胞凝血过程中血栓调节蛋白和组织因子这两个重要调节因子的活性，PDT作用按光剂量依赖方式使中血栓调节蛋白的表达降低，功能性组织因子的表达增高，从而改变内皮细胞的致血栓状态。还发现PDT可以明显地抑制肿瘤生长时期的血管内皮生长因子的表达水平，有效地抑制肿瘤血管的发生5。2.4增强免疫功能如PDT鼠肺癌后，光镜观察，除癌细胞坏死之外，间质内大量淋巴细胞浸润，呈大片状，尤以坏死的边缘为甚，吞噬细胞数量

12、也较多。此外，PDT能明显提高胸腺和脾的淋巴细胞转化率，提高CD4+/CD8+比值，增强脾细胞NK活性及LAK活性。光敏剂的发展上世纪60年代初，为提高药物对肿瘤的选择性摄入率使用了一种组成不定的复杂卟啉混合物血卟啉衍生物(hematoporphyrinderivative，HPD)。70年代初开始应用于肿瘤的光动力治疗并成为第一代光敏剂。第一代光敏剂存在着选择性不高、导致皮肤光敏化、化学活性成分及性质均不明确等缺点，因而在用药剂量与治疗效果之间的联系没有充分的理论实践依据。80年代初，Dougherty等用凝胶色谱从HPD中分离得到其有效集团组分HPDA，把它称为二血卟啉醚类(dihemat

13、oporphyrinethers，DHE)，或光敏素II(PhotofrinII)，它的出现减少了HPD中对肿瘤无定位作用的无效组分。这类药物在临床已有较多应用7。其间，还发现了诸如金属酞菁癌光啉等新型光敏剂。近几年，人们又逐步开发更有效的第三代光敏剂近红外类光敏剂。它在近红外区(7502500nm)范围内有强烈吸收，近红外光对生物组织有较强穿透能力。酞菁类、叶绿素类化合物将有希望成为第三代光敏剂。此外，Corrole是类卟啉化合物，其结构特点使其具有较强的荧光量子产率，还具有在红光区具有强的吸收，而且在人体内代谢快等优点，这些特征预示着Corrole在PDT方面可能是很有潜力的诊断和治疗癌症

14、的药物。敏锐的科研工作者发现了这一具有重大意义的课题并做了大量研究取得了一系列成果。张启光等对鼻咽癌(NPC)细胞进行了体外PDT试验，在NPC细胞中加入细胞核的荧光探针，对细胞核形态进行分析，结果证实了利用光敏剂进行PDT实验后，NPC细胞通过凋亡的途径被破坏了，单羟基Corrole衍生物表现出良好的PDT活性。同年，刘海洋等9报道了Corrole光敏剂在光动力治疗中的重原子效应。PDT的光源PDT技术应用的光源大致可分为普通光源和激光光源两类。普通光源为非相干光源，包括太阳光、白炽灯、卤素灯等，再加上特定的滤光玻璃片及冷却系统。这类光源由于是非相干光所以方向性差、单色性差、强度低，且与光纤

15、耦合有一定难度，所以仅限于体表使用，不能借助内窥镜进入腔内器官。而激光光源具有单色性好，方向性强，能量高和通过光纤耦合传输可进入体内等优点，被广泛应用于PDT治疗中。在光动力作用中，光敏剂能否被激发依赖于激发光的波长。若使PDT取得最佳的治疗效果，最好采用激发光波长在光敏剂吸收峰附近的光源。生物无机课程论文因此选择PDT激发光源，一是根据光敏剂的吸收光谱，二是要求其对组织有一定的穿透能力。以往PDT临床治疗常用的激光器，如Nd：YAG泵浦的染料激光器(630nm,脉冲输出)、Ar+激光泵浦的染料激光器(630nm，脉冲输出)等，存在着体积庞大、设备复杂、价格高，使用范围限制性大等不利因素，因而

16、在某种程度上影响了PDT技术的疗效及推广。随着导体激光器的发展，英国DIOMED公司率先制造了全球第一台PDT半导体激光治疗仪(630nm),功率可达2W。在获美国FDA、德国GSZ批准之后，在全球几十个国家得到应用，普遍受到医生和患者的好评。另外，对于当前新一代光敏剂的研究而言，若能配上与其吸收波长相匹配的激光光源，则可以很好的发挥新一代光敏剂PDT的临床效果。而半导体激光器波长范围较宽(630690nm),因此能适应新一代光敏剂波长的需要10。随着国内外半导体激光治疗仪的相继问世，标志着PDT光源的开发呈现出新的局面。5展望PDT对肿瘤诊断及治疗的临床应用及试验开展二十多年来，光动力疗法的

17、基础研究已取得较大进展，目前已初步了解了光敏化作用的原发机制和由此引发的分子生物学变化及细胞损伤，这些研究结果均是以混和卟啉化合物作为研究对象，而光敏剂的有效成份没有明确结论，所以选用理想的光敏剂对PDT显得尤为重要。临床应用的光敏药物要尽可能消除它带来的危害，光敏剂应尽量选择长波长的光进行激活，光敏作用中产生短寿命的活化物，残留毒性物质能够迅速排除体外，以减轻对人体的毒副作用。肿瘤光动力疗法具有独特优点使之成为各国医疗、科研工作者研究的热点，光动力疗法中存在的不足，将会随医学及物理光学、光化学、光生物学等相关科学的发展取得重大突破，成为继手术、放疗、化疗之后一种更有特色，更有效的肿瘤新疗法。

18、参考文献：沈彬，刘樑，赵承梅，等肿瘤光动力疗法研究进展J.继续医学教育,2005,19(6):42.高社干，魏洛霞,王立东，等.肿瘤光动力治疗的研究现状与展望J.郑州大学学报,2008,43(3):405.王瑞平，李迎新.光动力疗法在肿瘤治疗中的应用J.国外医学生物医学工程分,1999,22(6):355.肖竦，刘怀志.肿瘤光动力疗法J.实用癌症杂志,2005,20(2):214.周忠晓，蔡君，等.光动力治疗肿瘤的生物学效应机制的研究进展J.中国医学文摘肿瘤学2006,20(3)：264-265.罗荣辉，陈香才,刘婉华，等光动力疗法对Louis肺癌鼠的杀伤及免疫效应J.中国激光,2002,29(8):763-765.HendersonBW,DoughertyTJ.BasicPrinciplesandClinicalApplicationM.OfPhotodynamicTherapy,MarcelDekkerPress,NewYork,1992:6572.ZhangQG.,JiangPR.,LiuHY.,etal.Synthesisandphotodynami