光动力疗法治疗恶性肿瘤

北京军区总医院肿瘤科 刘端祺 刘慧龙

　一、光动力疗法的机制

　　光动力疗法是一种光激发的化学疗法。光敏剂吸收光子的能量跃迁到激发态，受激发的光敏剂将能量传递给氧，产生一些活性氧分子（ROS）。ROS通过氧化作用来攻击细胞结构。这种损伤可能是细胞膜或蛋白质的氧化损伤。当氧化损伤的积累超过一定的阈值时，细胞便开始死亡。 光动力治疗的化学机制主要包括Ⅰ型反应、Ⅱ型反应两种机制。

　　Ⅰ型反应机制是光敏剂的三重态与底物发生电子转移或抽氢作用，产生底物或光敏剂的自由基或自由基离子，它们可进一步与周围的氧反应生成氧化物。
    Ⅱ型反应机制是光敏剂的三重态与基态分子氧发生能量传递产生单重态氧。单重态氧是一种高反应活性的物质，它具有亲电性，能高效地氧化生物分子。

    在光动力治疗中，这两种类型的反应可能同时出现，这两种机制贡献的相对大小取决于底物和光敏剂的特性和浓度，氧的浓度及光敏剂与底物间的键合作用。光动力效应与氧密切相关，有许多证据表明，大多数光敏剂的光疗效果取决于单重态氧。也就是说，在大多数情况下Ⅱ型反应起主导作用。然而，其他活性物质，如超氧阴离子自由基、羟基自由基等也参与了光动力损伤的某些过程。

    光动力治疗的生物机制是以其化学机制为基础的。研究表明，光动力治疗对肿瘤的作用主要体现在两个方面：

    一是对肿瘤细胞的直接杀伤作用；
    二是通过作用于肿瘤组织的微血管造成血管完全封闭，使肿瘤组织缺氧和营养枯竭，从而导致肿瘤组织坏死。

　　两种作用中何种作用为主，依不同光敏剂而异。对于光敏素而言，第2种作用尤为重要，造成血管血流郁滞，血管完全闭合，导致肿瘤组织坏死。此外，对光动力治疗生物机制的研究还表明，光动力治疗杀死肿瘤组织的能力还包括免疫系统的参与。

    研究发现，一般光敏剂有在增殖活跃的细胞中优先聚集的特性。

　　新生细胞的细胞膜上表达大量的低密度脂蛋白受体（LDLR），肿瘤细胞作为一种可以快速分裂的细胞，具有比静止细胞更多的接受低密度脂蛋白的受体。而实际上一些亲脂性光敏剂，易于附着在低密度脂蛋白上，因而造成此类化合物在肿瘤组织上聚集，从而直接杀伤肿瘤细胞。而亲水性光敏剂则更多地通过白蛋白和血清蛋白的运输，聚集在肿瘤的间质和血管组织，破坏肿瘤的血管，切断肿瘤的氧和营养物质的供应，起到杀伤肿瘤细胞的作用。

    光动力疗法发展至今，已经在许多国家得到批准，加拿大、美国、法国、荷兰、德国和日本等国家先后批准光动力疗法用于一些恶性肿瘤的治疗。进入21世纪，人们对光动力疗法的理解也会更加深入，而有关光动力疗法的应用前景也将更为广阔。图1　光动力疗法治疗梗阻性食管癌，更多……

    图1. 光动力疗法治疗梗阻性食管癌。治疗前完全梗阻，不能进食，治疗后基本恢复正常饮食。  

    自20世纪70年代末，光动力疗法开始在临床试用以来，人们对光动力疗法表现出极大的兴趣和热情。在一段时间里，光动力疗法成为医学界的一个热点研究项目，有很多的科研人员和专业实验室涉足光动力疗法的研究。随着对光动力疗法认识的进一步深入，人们逐渐将注意力放在了光动力疗法的核心—光敏剂和激光器的研制开发上面。

   二、光敏剂的研究和发展情况

    光敏现象的发现及光敏剂的研究已有了一个世纪的历史，上个世纪初，Raab首次用曙红（Eosin）和吖啶（Acridine）作光敏剂，配合日光治疗皮肤癌。60年代初Lipson在Schwartz指导下，发现HpD可以在鼠和兔的癌细胞上选择性富集，Lipson随后在动物身上进行了一系列的光动力治疗的实验。之后，Dougherty用超滤的方法提纯HpD，得到了photofrinⅡ。80年代QLT Photo Therapeutics 和American Cyanamid 合作用低压升华干燥的方法进一步提纯photofrinⅡ，得到了今天用于临床上的光疗药物photofrin。到目前为止photofrin已经被美国、日本、加拿大和很多欧洲国家的卫生主管部门批准用于临床，目前仍然是应用最为广泛的光敏剂。

图6. 国内生产的HpD的基本化学结构图，国外生产的第一代光敏剂，包括photofrin，也是基于此结构的一类化合物的混合物。

    光动力疗法的成功与否很大程度上依赖于光敏剂的进展。虽然第一代光敏剂在临床上取得了肯定的疗效，但仍有很多不足之处，如成分复杂、组分不定、皮肤光敏副作用大等缺点。目前，人们都在积极进行第二代光敏剂的研制开发。第二代光敏剂的要求：①组分单一，结构明确。②方便给药，缩短给药到治疗的时间。③排泄快，毒副作用小，避光时间短。④有足够的杀伤效率。⑤在病变组织上选择吸收，健康组织少吸收或不吸收。⑥与相应治疗的疾病有匹配的作用波长。⑦发展多种光敏剂适应临床的不同用途。国内的第二代光敏剂血啉甲醚已进入了最后的开发申报阶段，并在鲜红斑痣的治疗中显示出良好的疗效。国外的苯并卟啉衍生物单酸环A，（已经被美国FDA批准治疗老年黄斑变性）、5-氨基乙酰丙酸,（ALA）及金属酞菁类光敏剂等第二代光敏剂也分别进入了临床各期研究，其中一些已经有些国家的卫生部门批准，正式应用于临床。

图7. 第二代光敏剂ALA是原卟啉Ⅸ的前体，在体内代谢后合成原卟啉Ⅸ，从而进一步发挥光敏作用。

图8.国产第二代光敏剂代表，血啉甲醚（HMME）在治疗鲜红斑痣中取得了良好的疗效。

    光敏剂的开发研究是制约PDT发展的关键。近年来，国外光动力疗法的研究和应用随着第二代光敏剂的陆续研发成功，进入了高速发展阶段。我国在光敏剂开发研究方面差距很大，国外已趋于淘汰的第一代光敏剂HpD在临床中仍未完全得到广泛应用。随着我国加入WTO，加快研制开发具有独立知识产权的新型光敏剂已刻不容缓。

    三、组织氧浓度在光动力治疗中的作用

    氧是光动力作用的3个要素之一，是参与光动力作用的重要反应物，组织中氧的浓度对光动力治疗的效果起着很重要的作用。

    在光动力疗法的研究中人们发现组织中氧消耗的速率如果大于6μMs^-1，组织就不能从循环系统及时补足氧，使组织中的氧浓度持续下降，这样就使单态氧的产率下降，光敏剂的杀伤效率就会降低。图9为不同条件下，组织中氧浓度的变化曲线。

    在光动力治疗中发现肿瘤在相同的光能量密度和光敏剂剂量，而不同的功率密度情况下，疗效差异很大。在能量密度同为360J/cm²而功率密度分别为50mW/cm²和200mW/cm²的治疗中，前者的疗效要优于后者。另外在实验中还发现，照光30s，然后间断30s接着照光的疗效要明显优于连续照光组。这可能是因为当功率密度大时，氧耗非常迅速，而毛细血管的氧运输来不及补充耗去的氧，所以杀伤效应和杀伤半径都较低功率密度的治疗组要差。再看间断照光组，由于组织有时间补充耗竭的氧，而增强了杀伤效果。此外当PDT杀死一部分细胞后，那么整个组织的氧耗必然降低，从而提高了其他细胞的氧浓度，结果增强了杀伤效应。

图9 不同条件下组织中氧浓度变化曲线

△代表组织的单纯氧耗曲线，●代表50mW/cm² 光照射下组织的氧耗曲线，○代表200mW/cm² 光照射下组织的氧耗曲线

　　在研究光动力对肿瘤细胞的杀伤效应时，人们发现肿瘤血管的破坏是光动力治疗很重要的效应之一。不难想象血管中的氧浓度要远远高于肿瘤组织中氧的浓度，这可能是氧在光动力治疗中起重要作用的有力佐证。当然一旦肿瘤组织的血管被破坏，血供即停止，氧的补充也就停止了。

　　应该注意的是光敏素Ⅱ对氧的依赖性要强一些，别的光敏剂可能与此有所不同，例如，多数的酞菁类光敏剂对氧的依赖性并不大。

    四、光源

　　合适的光源是光动力治疗不可或缺的条件。各种适用于不同治疗目的之激光器纷纷面世。但是，激光的波长、输出功率必须满足临床要求。例如，激光器的输出功率至少要大到瓦(W)级以上才能达到治疗效果。

　　在光动力治疗中，激光的波长、功率密度和能量密度对治疗的效果有很大的影响。不同的波长对组织有不同的穿透深度，所以在光敏剂的研制过程中人们总是追求吸收光谱的红移，以期增加治疗的深度，彻底杀伤肿瘤细胞。

     由于生物体内红细胞的存在和光散射等原因，不同波长的光对组织的穿透深度是不同的。

　　总的来说，波长越长对组织的穿透越深，比如光敏素治疗肿瘤时最适宜波长为630nm，在此波长的光照射下，药物可以被活化，而这一波长的光穿透组织的深度﹤0.5cm。如果波长是700nm穿透深度就接近0.8cm，波长800nm的光穿透可达1cm。光对组织的穿透深度在肿瘤的治疗中有重要意义，因为此时的光动力效应的深浅主要取决于光的穿透深度。但是，对于同一种光敏剂而言随着波长的红移，光子的能量降低，ROS的产率也降低了许多，影响了治疗效果。因此，使PDT治疗肿瘤方面遇到了一个很大的困难，困扰着人们对光动力疗法的进一步应用和研究。目前，人们都在试图寻找一种治疗波长能更大程度红移的光敏剂来满足临床的要求，这方面的工作的确也做了很多，可能会在未来的几年有所突破。

    鉴于波长630nm的红光对组织的穿透深度有限，影响了PDT的治疗效果。早在1989年Arnfield就提出是否可以设计一种多头的光纤分别均匀地插入到组织中去进行光动力治疗,并率先进行了研究，即所谓的间质光动力疗法 (IPDT)。后来Marijnissen（1993）、Fenning（1994）先后作了这方面的工作。结果表明，这样使所有的肿瘤组织一次就得到完全治疗，从而大大提高了疗效。我国厦门大学抗癌研究中心采用点阵插入组织间照射法治疗大范围肿瘤，通过插入多根光纤并合理安排光纤的密度和布局，30例患者中，治疗直径在7～10cm者13例，直径在10～16cm者17例，近期疗效显著。

     激光光源因其良好的光学特性，被人们认为是最适合光动力治疗的光源系统。但并不是所有的光动力治疗必须应用激光作为治疗光源才能完成。例如，在体表肿瘤的治疗中，如果应用得法，应用钨灯、氙灯等光源，也可以达到良好的治疗效果。但是在腔道肿瘤的治疗中激光以其亮度高、单色性好、方向性好、可控性高仍然是最好的治疗光源。

    最早的应用的各种激光器，种类很多，有泵浦染料激光，氩离子激光，倍频YAG激光，金、铜蒸汽激光，氦氖激光等。但是这些激光器不是体积庞大、造价昂贵，就是输出功率不足、波长不甚匹配，而且操作复杂，需要专门的技术人员维护，这给临床工作造成了很大的不便。

     新一代光动力治疗仪——半导体激光器的出现，是光动力疗法发展过程中的一次具有里程碑意义的事件。新型的半导体激光器，不但以其体积小、重量轻、易于携带、便于操作，更重要的是输出功率和波长都能很好的满足临床的要求而迅速被临床工作人员所接受。

图 10. 国外生产的两种半导体激光器，终端输出功率均能达到2瓦左右，满足了临床治疗的要求，同时操作也非常方便。

   目前在临床工作中可以选择的光敏剂及匹配的激光器种类有限，临床医生不能根据疾病及患者的个体情况进行相应的选择，只能通过调整光敏剂及激光器的各项治疗参数来达到较好的治疗效果，显而易见这是不合理的。随着新型光敏剂及激光器的出现，这种情况一定会得到根本的改观，临床工作人员可以根据疾病的种类，病情的不同而从容的选择适合的光敏剂及激光器。