生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)

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目錄背景癌癥傳統(tǒng)治療方法新的治療方法光熱治療簡(jiǎn)介原理光熱試劑診斷治療一體化案例

1背景癌癥對(duì)人類健康和生命都有巨大的威脅，是人類死亡的主要原因之一。

2傳統(tǒng)治療方法癌癥的傳統(tǒng)治療方法包括手術(shù)切除、化學(xué)治療、放射線治療等。手術(shù)切除在理論上可以通過完全移除腫瘤細(xì)胞而將癌癥治愈，但外科手術(shù)無法切除已經(jīng)轉(zhuǎn)移到其他部位的癌細(xì)胞，同時(shí)也無法精確切除所有癌變細(xì)胞而有可能導(dǎo)致癌癥復(fù)發(fā)。更為重要的是，對(duì)于年老體弱的患者來說，外科手術(shù)這種創(chuàng)傷性極大的治療方法有可能帶來比癌癥本身更大的危險(xiǎn)。

3化學(xué)治療（或化療）使用可以殺死癌細(xì)胞的藥物進(jìn)行癌癥的治療。由于癌細(xì)胞相比正常細(xì)胞具有快速分裂和生長(zhǎng)的特性，所以化療用藥的作用原理通常是借由干擾細(xì)胞分裂的機(jī)制來抑制癌細(xì)胞的生長(zhǎng)。因此，大多數(shù)化療藥物都沒有對(duì)于癌細(xì)胞的特異性，會(huì)在殺傷癌細(xì)胞的同時(shí)也影響正常細(xì)胞，具有較大的副作用。放射線治療（或放療）是通過放射性輻射殺死癌細(xì)胞。放療使用放射源發(fā)出的輻射線破壞細(xì)胞的遺傳物質(zhì)，阻止細(xì)胞生長(zhǎng)或分裂，以此殺死癌細(xì)胞。然而放療的效果僅局限與輻射區(qū)域內(nèi)，同時(shí)放療也不具有選擇性，會(huì)導(dǎo)致正常細(xì)胞和組織的損失，造成較大的副作用。

4癌癥治療的新方法近年來興起了一系列癌癥治療的新方法，包括光熱治療、基因治療、免疫治療、光動(dòng)力治療等等，這些方法無一例外的都屬于無創(chuàng)性或者低創(chuàng)傷性治療，可以有效減輕患者的痛苦，同時(shí)都具有一定的靶向治療特性，可以定點(diǎn)殺傷癌細(xì)胞而對(duì)正常細(xì)胞帶來很少的傷害。這些新的治療方法大都處于研究階段或者臨床試驗(yàn)階段，因此，通過不斷的優(yōu)化調(diào)整，這些新興的癌癥治療方法都具有很大的臨床應(yīng)用潛力

5光熱治療光熱治療（PTT）通常是通過激光照射給腫瘤組織加熱，一般照射時(shí)間為幾分鐘到幾十分鐘，使腫瘤組織溫度升高。在這樣的溫度下，由于腫瘤細(xì)胞對(duì)熱的耐受性較低，腫瘤細(xì)胞被選擇性地破壞。光熱治療產(chǎn)生的熱量，往往使腫瘤細(xì)胞發(fā)生不可逆的損傷，主要表現(xiàn)為線粒體膨脹、蛋白質(zhì)失活、雙折射性的丟失、水腫和組織壞死、細(xì)胞膜松散及膜蛋白的變性等。光熱治療使用的激光波長(zhǎng)多為700~1000nm，電磁波的這一波長(zhǎng)區(qū)域被認(rèn)為是人體組織的光學(xué)窗口。也就是說，波長(zhǎng)為700~1000nm光對(duì)人體組織的穿透性最好，實(shí)驗(yàn)證明此區(qū)域內(nèi)的光可以穿透約1cm厚度的組織而不對(duì)其產(chǎn)生明顯的破壞作用。因此，使用近紅外激光可以實(shí)現(xiàn)穿透皮膚和組織，在不破壞正常細(xì)胞的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)于深層腫瘤組織的有效熱殺傷。

6治療原理光熱殺死腫瘤細(xì)胞的原理主要包括三個(gè)方面：（1）間接殺死腫瘤細(xì)胞：腫瘤組織的毛細(xì)血管在發(fā)育上和功能上都比正常血管差，腫瘤組織的毛細(xì)血管缺乏彈性，導(dǎo)致腫瘤組織內(nèi)血流緩慢，易形成栓塞，且不容易散熱，在光熱治療條件下，腫瘤組織的溫度與正常組織的溫差可達(dá)5~10°C，可以利用這個(gè)溫差來殺死腫瘤細(xì)胞而又不損傷正常組織的細(xì)胞。另一方面，腫瘤組織血流不通暢會(huì)導(dǎo)致腫瘤內(nèi)部缺氧，加熱會(huì)加劇這一過程，使得腫瘤細(xì)胞更容易被殺死。

7（2）直接殺死腫瘤細(xì)胞：加熱會(huì)使腫瘤細(xì)胞細(xì)胞膜上磷脂的狀態(tài)發(fā)生改變，從而引起細(xì)胞膜的流動(dòng)性和通透性發(fā)生改變，導(dǎo)致膜蛋白發(fā)生功能的喪失，甚至導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性。此外，加熱還會(huì)改變細(xì)胞骨架，從而改變細(xì)胞的形態(tài)，進(jìn)一步改變細(xì)胞的代謝及功能。（3）誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡：很多研究表明，加熱會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)凋亡促進(jìn)基因（包括野生型p53等）和凋亡抑制基因（bcl-2，突變型p53等）的表達(dá)改變，從而引發(fā)細(xì)胞發(fā)生凋亡。

8光熱試劑人體中固有的光吸收劑包括水、血紅蛋白、氧和血紅蛋白和黑色素等。這些物質(zhì)吸收光能后，會(huì)引發(fā)一定程度的組織溫度升高，但是由于生物體對(duì)可見光較強(qiáng)的散射和吸收，使得可見光對(duì)組織的穿透深度不夠，產(chǎn)生的熱量不足以殺傷腫瘤細(xì)胞。同時(shí)，這些光吸收劑是人體本身固有的，在全身都有分布，因此，以這些物質(zhì)作為光吸收劑，很難分辨出正常組織和腫瘤組織，從而引起對(duì)正常組織的熱損傷。為了提高激光誘導(dǎo)的光熱治療的效率和腫瘤選擇性，通常會(huì)將具有光吸收性能的光熱治療劑導(dǎo)入腫瘤部位，使得腫瘤組織溫度迅速升高，同時(shí)不會(huì)引起周圍正常組織溫度的明顯升高。

9光熱試劑的要求與分類首先，最重要的就是具有良好的光熱轉(zhuǎn)換效率其次，應(yīng)該無毒或只有較低的生物毒性第三，材料應(yīng)該是易功能化的，可以在其表面修飾其他分子，如藥物分子，光敏劑等。材料類型代表優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)第一代貴金屬納米顆粒Au、Ag、Pt光熱轉(zhuǎn)換效率較高價(jià)格昂貴第二代碳類材料石墨烯、碳納米棒較大的光熱轉(zhuǎn)換面積近紅外區(qū)吸收能力差第三代金屬與非金屬化合物CuS、ZnS處于研究的熱潮第四代有機(jī)染料物質(zhì)吲哚菁綠、普魯士藍(lán)處于研究的熱潮

10金納米材料

11診斷治療一體化從發(fā)現(xiàn)疾病到恢復(fù)健康，一般需要經(jīng)過診斷和治療兩個(gè)階段。疾病的診斷和治療在傳統(tǒng)的臨床應(yīng)用中是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過程，所以診斷用造影劑和治療試劑也需要分別使用。兩次醫(yī)療過程間隔較長(zhǎng)，容易貽誤最佳的治療時(shí)機(jī)，同時(shí)兩次注射藥物所帶來的副作用疊加效應(yīng)也會(huì)增加患者的痛苦和風(fēng)險(xiǎn)。于是，一種全新的醫(yī)療處理方式——診斷治療一體化逐漸發(fā)展起來

12診斷治療一體化將診斷和治療兩個(gè)過程合二為一，在得到診斷結(jié)果的同時(shí)，立即基于診斷結(jié)果進(jìn)行對(duì)癥治療。它將診斷用造影劑和治療用試劑結(jié)合為一體，得到可同時(shí)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像診斷和治療的多功能試劑，即診斷治療一體化試劑造影劑可以顯著提高醫(yī)學(xué)圖像的對(duì)比度和分辨率，幫助臨床醫(yī)師對(duì)疾病進(jìn)行更為快速準(zhǔn)確的診斷，是各種醫(yī)學(xué)成像診斷中不可或缺的輔助試劑。受益于納米技術(shù)的發(fā)展，我們現(xiàn)在可以有目的的設(shè)計(jì)和構(gòu)建一系列具有多種功能復(fù)合于一體、靶向性較好、無毒副作用的多功能造影劑，其中研究最多的就是多模式造影劑和診斷治療一體化試劑可同時(shí)進(jìn)行多種模式醫(yī)學(xué)成像診斷和治療的多功能納米材料的研究不僅代表了納米科技發(fā)展的尖端水平，同時(shí)具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和市場(chǎng)潛力。

13具有超聲成像和光熱治療功能的金納米棒微膠囊的研究-金納米棒聚乳酸微膠囊體外/體內(nèi)超聲造影成像效果在體外用乳膠管模擬人體血管進(jìn)行超聲造影成像。在乳膠管中充滿脫氣生理鹽水時(shí)，無論P(yáng)IHI造影模式還是普通B模式，在其截面只能看到管壁出現(xiàn)高亮的強(qiáng)回聲，管內(nèi)完全沒有回聲增強(qiáng)(a)。注入GNR-MCs多功能微膠囊后，在PIHI造影模式下，管腔內(nèi)出現(xiàn)了明顯的回聲增強(qiáng)，同時(shí)B模式下也有一定程度的增強(qiáng)效果(b)

14應(yīng)用新西蘭大白兔作為動(dòng)物模型，對(duì)兔腎臟進(jìn)行掃查,進(jìn)行了體內(nèi)進(jìn)行的造影成像。可以看到兔腎臟在兩種模式下幾乎都看不到回聲增強(qiáng)信號(hào)（a）。通過耳緣靜脈通道注射GNR-MCs懸液，并推注生理鹽水以保證所有造影劑進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。靜脈團(tuán)注后數(shù)秒鐘，即可在超聲儀監(jiān)視器上看到PIHI模式下的兔腎臟呈現(xiàn)較強(qiáng)回聲，并且可以動(dòng)態(tài)觀察到腎臟血流從皮質(zhì)到髓質(zhì)的整個(gè)充盈過程（b）

15體外光熱升溫效果為了驗(yàn)證制備的GNR-MCs復(fù)合物的光熱治療效果，用功率2W的808nm半導(dǎo)體激光器對(duì)水、空白聚乳酸微膠囊MCs（1mg/mL）和復(fù)合微膠囊GNR-MCs（1mg/mL）在同樣條件下進(jìn)行了輻照，并監(jiān)測(cè)了照射過程中溫度的變化說明金納米棒的加入顯著的增強(qiáng)了聚乳酸微膠囊對(duì)于近紅外輻照的光熱轉(zhuǎn)換效率，GNR-MCs復(fù)合物可以用于近紅外光熱治療。

16對(duì)癌細(xì)胞的光熱殺傷效果通過對(duì)體外培養(yǎng)細(xì)胞應(yīng)用GNR-MCs造影劑（濃度1mg/mL）和近紅外激光輻照（中心波長(zhǎng)808nm，能量密度10W/cm2，照射時(shí)間10min）的不同組合，來評(píng)價(jià)GNR-MCs的光熱治療效果。使用鈣黃綠素乙酰甲酯（calceinAM）進(jìn)行細(xì)胞染色。a)無處理b)僅激光輻照c)僅加入GNR-MCsd)加入GNR-MCs用激光進(jìn)行照射

17在一次用藥的前提下實(shí)現(xiàn)超聲造影成像診斷和光熱治療的同時(shí)進(jìn)行。這樣即可以避免診斷治療的多次用藥對(duì)于人體血液循環(huán)系統(tǒng)和血液清除機(jī)制帶來巨大壓力，同時(shí)也縮短了診斷和治療的間隔時(shí)間，對(duì)于一些發(fā)展快速疾病的治療有很重要的意義。金納米材料和超聲造影劑的成功結(jié)合，驗(yàn)證了超聲造影成像聯(lián)合近紅外光熱治療的診斷治療一體化的可行性，對(duì)提高診斷和治療效率的探索可能具有一定的積極影響。

18集超聲/CT成像和光熱治療于一體的金納米殼納米膠囊的研究-金納米殼液態(tài)氟碳納米膠囊體外雙模式成像表征(1)使用PGsPNCs造影劑進(jìn)行的體外超聲造影成像a)乳膠管中充滿生理鹽水，無造影劑b)乳膠管中充滿造影劑結(jié)果表明PGsPNCs懸液具備良好的超聲造影增強(qiáng)功能，可以用于增強(qiáng)超聲成像的對(duì)比度。

19(2)不同濃度的PGsPNCs懸液的體外CT造影成像圖使用小動(dòng)物microCT對(duì)于不同濃度的PGsPNCs懸液進(jìn)行了CT造影成像，結(jié)果如圖所示。隨著濃度從樣品5至樣品0的逐漸降低(40.4，20.2，10.1，4.04，2.02，0mgAu/mL)，樣品懸液的亮度也逐漸降低表明CT增強(qiáng)效果隨濃度減小而呈下降趨勢(shì)。

20光熱轉(zhuǎn)換性能評(píng)價(jià)不同濃度的PGsPNCs（0.005，0.01，0.025，0.05，0.1mg/mL）在相同近紅外激光（中心波長(zhǎng)808nm，輻射功率2W）輻照下的升溫情況證明了PGsPNCs可以高效的將近紅外激光輻照轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?shí)現(xiàn)良好的光熱治療效果。

21細(xì)胞毒性研究采用MTT法測(cè)試了PGsPNCs懸液在不同濃度時(shí)對(duì)正常細(xì)胞人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞HUVECs的細(xì)胞活力的影響說明制備得到的納米膠囊對(duì)正常細(xì)胞沒有明顯的毒性，具有較好的生物相容性，可以應(yīng)用于動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

22體內(nèi)雙模式成像性能(1)使用PGsPNCs造影劑進(jìn)行的兔腎臟超聲造影成像a)注射PGsPNCs前b)注射PGsPNCs后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PGsPNCs可以在動(dòng)物體內(nèi)呈現(xiàn)出良好的造影增強(qiáng)效果，具有作為超聲造影劑輔助超聲診斷的潛力。

23(2)使用PGsPNCs對(duì)鼠進(jìn)行肌肉注射前后的CT造影圖（箭頭顯示增強(qiáng)效果）使用PGsPNCs對(duì)鼠進(jìn)行尾靜脈注射前和注射100min后的CT造影圖（箭頭顯示增強(qiáng)效果）

24腫瘤光熱治療效果在證實(shí)了PGsPNCs可以成功進(jìn)行動(dòng)物體內(nèi)超聲和CT造影成像，使用荷瘤裸鼠動(dòng)物模型來進(jìn)行移植瘤的光熱消融治療實(shí)驗(yàn)使用U-87MG癌細(xì)胞移植瘤荷瘤裸鼠共32只，隨機(jī)平均分為4組：對(duì)照組、試劑組、光照組和治療組在進(jìn)行不同治療處理后，各組荷瘤鼠的移植瘤在16天內(nèi)的生長(zhǎng)曲線如圖所示。

25體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)證實(shí)了PGsPNCs良好的生物相容性之后，通過體內(nèi)外超聲/CT造影成像評(píng)價(jià)證明金納米殼液態(tài)氟碳納米膠囊不僅保持了原來液態(tài)氟碳納米膠囊良好的超聲造影特性，同時(shí)可以成功實(shí)現(xiàn)體內(nèi)血液循環(huán)，得到對(duì)比增強(qiáng)的CT成像效果，此外光熱升溫和光熱癌細(xì)胞殺傷實(shí)驗(yàn)都表明PGsPNCs可以在近紅外光照輻射下有效殺傷腫瘤細(xì)胞，這樣金納米殼納米膠囊就成為了一種新型的同時(shí)具備超聲/CT雙模式造影成像功能和光熱治療功能的診療一體化試劑這種納米診療一體化試劑介導(dǎo)的腫瘤診斷和治療的新模式，可能會(huì)對(duì)以后癌癥的診療方式產(chǎn)生積極的影響。

26用于超聲/MRI成像引導(dǎo)下光熱治療的金納米殼磁性納米膠囊-金納米殼磁性液態(tài)氟碳納米膠囊體外超聲/MRI雙模式造影成像性能評(píng)價(jià)(1)使用PGS-SPNCs造影劑進(jìn)行的體外超聲造影成像a)乳膠管中充滿生理鹽水，無造影劑b)乳膠管中充滿造影劑

27(2)不同濃度的PGS-SPNCs懸液的MRI造影效果PGS-SPNCs懸液在磁鐵旁放置10min前后的照片(左)未經(jīng)吸附的納米膠囊呈均勻散布的黑色懸液(右)磁性納米膠囊完全被吸附于靠近磁鐵的一側(cè)表明納米膠囊在磁場(chǎng)中具有順磁性響應(yīng)。

28(3)PGS-SPNCs懸液的MRI造影效果將6個(gè)濃度梯度的PGS-SPNCs懸液樣品置于Bruker7T小動(dòng)物MRI儀器中進(jìn)行掃描（從0到5的Fe濃度依次升高：0，4.97，9.93，19.9，39.7，9.93μM），可以看到隨著懸液濃度的升高，在T2加權(quán)的MRI造影圖中成像逐漸變暗的趨勢(shì)(a)，在對(duì)應(yīng)的1/T2強(qiáng)度圖中呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)(b)表明PGS-SPNCs的T2加權(quán)的MRI造影增強(qiáng)效果是具有濃度依賴性的，隨著濃度增加，“負(fù)對(duì)比”的效果越好

29體外光熱升溫效果評(píng)價(jià)不同濃度的PGS-SPNCs（0，0.01，0.05，0.1，0.5mg/mL）在相同近紅外激光（中心波長(zhǎng)808nm，輻射功率2W）輻照下的升溫情況PGS-SPNCs可以在一個(gè)相對(duì)較低的濃度下，通過近紅外激光輻照將腫瘤細(xì)胞從37°C加熱到42~43°C，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤細(xì)胞的有效光熱殺傷

30對(duì)正常細(xì)胞的毒性研究通過MTT法測(cè)試不同濃度PGS-SPNCs對(duì)正常細(xì)胞HUVECs的細(xì)胞毒性，可以對(duì)金納米殼磁性納米膠囊的生物相容性進(jìn)行評(píng)價(jià)濃度高達(dá)0.5mg/mL的納米膠囊處理之后的細(xì)胞活力仍保持在90%以上，同時(shí)濃度從0mg/mL到0.5mg/mL的納米膠囊?guī)缀醵嘉磳?duì)HUVECs的細(xì)胞活力產(chǎn)生影響證明了PGS-SPNCs良好的生物相容性，可以應(yīng)用于動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

31動(dòng)物體內(nèi)超聲造影成像效果使用PGS-SPNCs造影劑進(jìn)行的兔腎臟超聲造影成像a)注射PGS-SPNCs前b)注射PGS-SPNCs后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PGS-SPNCs具有良好的超聲造影增強(qiáng)效果，具有作為超聲造影劑輔助超聲診斷的潛力。

32移植瘤裸鼠模型的建立使用人纖維肉瘤細(xì)胞HT-1080荷瘤裸鼠作為腫瘤動(dòng)物模型。在接種15天后，當(dāng)移植瘤平均體積達(dá)到729mm3開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)將24只荷瘤鼠分為4組：對(duì)照組（只靜脈注射生理鹽水，不進(jìn)行激光照射）、試劑組（只靜脈注射PGS-SPNCs懸液，不進(jìn)行激光照射）、光照組（靜脈注射生理鹽水后進(jìn)行激光照射）治療組（靜脈注射PGS-SPNCs懸液后進(jìn)行激光照射）

33瘤內(nèi)注射后的腫瘤超聲造影成像實(shí)時(shí)超聲成像引導(dǎo)下的PGS-SPNCs懸液的瘤內(nèi)注射（T表示移植瘤）a)注射前b)注射中c)注射后說明通過超聲實(shí)時(shí)造影成像成功的監(jiān)測(cè)和引導(dǎo)了瘤內(nèi)造影劑的注射過程。

34靜脈注射后的腫瘤MRI造影成像治療組荷瘤鼠麻醉后，通過尾靜脈注射將PGS-SPNCs懸液（0.15mL，2mg/mL）注射入小鼠體內(nèi)，使用Bruker7T小動(dòng)物MRI成像儀對(duì)靜脈注射后的小鼠移植瘤的橫截面每隔一段時(shí)間進(jìn)行掃描，記錄MRI成像結(jié)果

35荷瘤鼠移植瘤內(nèi)的磁共振圖像強(qiáng)度平均值隨時(shí)間的變化靜脈注射后腫瘤的MRI造影圖像表明，PGS-SPNCs在注射后0.5~2h內(nèi)均可以有效聚集并停留于腫瘤部位，所以我們選擇注射后1h進(jìn)行近紅外激光輻照介導(dǎo)的光熱消融治療。

36靜脈注射后腫瘤的光熱治療效果在第0天和第4天時(shí)對(duì)各組荷瘤鼠進(jìn)行了兩次不同處理的治療，并通過腫瘤生長(zhǎng)曲線來評(píng)價(jià)不同治療方式的療效說明PGS-SPNCs介導(dǎo)的光熱治療成功抑制了腫瘤生長(zhǎng)

37通過體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)證實(shí)PGS-SPNCs良好的生物相容性后，應(yīng)用體內(nèi)外超聲造影成像證明金納米殼磁性納米膠囊保持了原來液態(tài)氟碳納米膠囊良好的超聲造影特性，同時(shí)通過體外MRI造影成像證明納米膠囊具有非常好的T2加權(quán)的MRI造影增強(qiáng)特性，最后進(jìn)行的光熱癌細(xì)胞殺傷實(shí)驗(yàn)表明PGS-SPNCs可以在近紅外光輻照下有效殺傷腫瘤細(xì)胞，這樣這種金納米殼磁性納米膠囊就同時(shí)具備超聲/MRI雙模式造影成像功能和光熱治療功能，是一種具有臨床應(yīng)用潛力的診療一體化試劑，這種超聲和MRI雙重介導(dǎo)下的光熱腫瘤消融治療方案，將可能會(huì)對(duì)未來癌癥的診斷治療提供積極的借鑒意義以及深遠(yuǎn)的影響。

38謝謝