光动力学疗法光敏剂光学特性的实验研究（已处理）

光动力学疗法光敏剂光学特性的实验研究（已处理） 福建师范大学 硕士学位 光动力学疗法光敏剂光学特性的实验研究 姓名:郑卫峰 申请学位级别:硕士 专业:光学 指导教师:谢树森;周川钊 2003.4.1 内容廷要 、本学位论文依托课题组承担的福建省教育厅重点项目 JA01014 和国 家自然科学基金资助项目 60178022 开展光动力学疗法光敏剂光学特性的 实验研究。本文第一部分首先概述了光动力疗法的作用机理，并指出光敏 剂 在光动力疗法中的重要作用。接着回顾国内外研究光敏剂的历史和现状，通 过对第一代光敏剂和第二代光敏剂的比较研究，可见第二代光敏剂在临床试 验中具有很好的发展前景。研究表明，掌握光敏剂的光学特性是建立光动力 诊断和治疗实验装置的必要依据。第二部分阐述了研究光敏剂特性的主要理 论问题:浓度、荧光产额、光谱特性、光漂白特性等。由光敏剂的光谱特 性可确定对早期肿瘤光活检系统中采用的最佳激发光源分别是Kr+、Ar+ 激光等。光敏剂的光漂白是利用光动力诊治肿瘤时必须考虑的另一个重 要问题，因为光漂白的存在降低了光活检系统的灵敏度和对比度。第三 部分对二代光敏剂光学特性进行实验研究。跚邑过对5种光敏剂的光谱测 表明:光敏剂的光漂白时间随浓度的增加而增大，随光功率的增强而减 小;对波长514nm在辐照功率1 5mW和光敏剂浓度3肛g,ml时，HpD的 约240秒。、n(， + ，。 关键词:光动力学疗法 光敏剂光谱特性光漂白特性肿瘤 -――_h―一,一‘,„„ JI Abstract This was in the and Science study supportedpartby key Technology ProvincialEducationBureauunder in ofFujian JA01014，and project grant part theNationalNaturalSeieneeFoundationofChinaunder 60178022( by grant The isdevotedto workinthisthesis onthe major experimental study optical characterization for ofphotosensitizersphotodynamic therapy( of mechanism andthe Firstly,the photodynamic therapy developmental and situations were recent history present ofphotosensitizers presented(Inyears， a numberof havebeen to second―generationphotosensitizers developed overcomethe of have shortcomingsfirst―generationphotosensitizers，which inthe clinical manypreferredadvantage preliminaryapplication(The ofthe characterizationof was investigation the optical photosensitizers fundamentalbasicforthe development ofopticalbiopsysystem( the of of Secondly,the study propertiesphotosensitizers，whichmainly the fluorescence including yield，spectral of were carriedout(The and propertiesphotosensitizers excitation optimal detection of Canbedetermined tothe Wavelength photosensitizers according fluorescence emission excitationand of spectra photosensitizersrespectively Furthermore，the of werestudiedin photobleachingpropertiesphotosensitizers detailinthis alsoshould chapter,which be,takenintoaccountinclinical and with diagnosis therapyphotosensitizer( been have to and Thirdly,experimentsperformed studyspectrum ofnew andthe photobleaching photosensitizers properties first―generation resultsshowthat theimum photosensitizers(Experimenttal absorption for at679nmandfor at for peaksZnPcS2P2 439nm，however appear BpD―MA at andHMME400nm(Thereare HpD、PsD??007 fluorescence at appear peaks 630nmor690nnl influorescenceemissionfor five spectra photosensitizers( 111 about for andHMME properties ExperimentsphotobleachingHpD、PsD一007 the of the show time increasedwhen photosensitizers photobleaching inthe concentrationofDhotosensitizerssolutionincreased(Onthe the contrary timeof whenthe of decreased photosensitizers power photobleaching irradiationlaser andP 15mW:the increased(At^。514nm、C。399,ml for is of isshortestabout190 PsD一 007 time seconds，then photobleachingHpD about205secondsandforHMMEiS240seconds( Key properties， words:photodynamic photobleaching，cancer V Y 5028(18 致 谢 最诚挚地感谢我的导师谢树森教授。 作者在参加研究生课程进修班及撰写学位论文期间得到谢老师悉心的 指导和无 微不至的关怀，不甚感激。本论文从选题到论文章节的安排。从实验到论 文的定稿， 每一个字都凝聚着他的智慧和心血:谢老师渊博的知识、活跃的学术思想、敏锐的洞 察力、严谨的治学态度、无私的敬业精神和忘我工作的献身精神时刻感染着我，教育 我，将使我终身受益。他的谆谆教诲和殷切期望，学生时刻铭记在心。 周川钊高级i:程师对本论文的完成给予了极大的支持和帮助，感谢周老师高腥建 瓴且具体的指导和关怀。周老师渊博的专业知识、深厚的理论素养、丰富的实践l:作 经验和一丝不苟的工作作风给我留下印象，深受教益。李步洪博士在实验中给了我精 心的指导和帮助，在此谨向李步洪老师致以深深的谢意。 感谢吕团孙教授、陈荣教授、邱怡申教授、李晖博士、杨文琴高工等课 任老师的 教培。 感谢学院领导关心和支持。 感谢实验物理组全体老师在本人学习期间工作上的支持和帮助。 感谢张晓东老师和李德平老师平时的支持和帮助。感谢全体研究生平时有益的探 讨、交流和帮助。 饮水思源。 滴水之恩，当涌泉相报。作者所获得的培育、磨砺和微薄的能力，将终身受川， ’ 并回报社会。 第一章综述 第一章 综述 effect 的概念，到上世 1904年Tappeine首次提出光动力作用 Photodynamic 纪50年代人们开始将光动力反应应用于肿瘤的早期诊断。称之为肿瘤荧光定位诊 derivative，HpD 治疗一些肿瘤患者，此后光动力疗法 Hematoporphyrin 敏剂是光动力作_耳j的核心。90年代以来加拿大、萄兰、美国和日本等国家先后将 光动力学疗法有限制地批准其用于临床肿瘤治疗，但它还远未达到成熟和完善的 程度。我国在80年代初组织了全国有关单位对这一肿瘤新疗法系统进行合作研究。 在不到十年的时间里，成功地发展了一系列PDT光源和光敏剂，并在实践中较快 地积累了PDT的临床经验(使我国在较短时间内赶上这,研究领域的国际水平。 目前临床光动力治癌用的药物，在国外还是80年代初研制的PhotofrinII 商品名 Porfimer Sodium 和60年代初研制的HpD。PhotofrinII于1993年由加拿大QLT 光药物公司 Quadra 至1997美国、加拿大、法国、日本、荷兰、意大利、西班牙和德国己先后注册上 市。国内在80年代先后有HpD、PsD(007平?YhpD二种混合卟啉制剂过度临床试 用，其中HpD已获得国家新药试验批准文号。随着光动力学疗法临床治疗的深入， 人们发现目前临床使用的光敏药物如:血卟啉衍生物、光敏素II等存在严重不足: 组成复杂、光毒反应强、治疗效果欠佳等。因此，近年来重点研究发展了组成单 一、结构明确、对肿瘤选择性摄入率高、光动力效应强及毒性低的第二代光敏荆。 ?1(1光动力学诊断和光动力学治疗作用机理及其医学应用 ?1(1(1光动力学诊断作用机理 光动力学诊断 PhotodynamicDiagnosis，PDD 是指光敏剂对肿瘤组织具 有特异亲和力，在肌体中注射一定浓度的光敏荆后，在特定波长激光的激发 F 肿瘤组织可检测到特征荧光(而正常组织无或很弱，两类组织体中所激发出的 荧光光谱不同，从而达到鉴别、诊断早期肿瘤的目的【2l【3II”。F面以HpD为例， 说明光敏剂在特定波长的光激发下，因吸收光子成为不稳定的高能态，其中一 第一章综述 部分很快恢复到低能态，同时发出特征性荧光。HpD分子受激吸收和荧光辐射 的原理如图1(1[41。 如图I(】所示，HpD分子受一定波K的光照射后，HpD分子将吸收光子能量 与其两能级差相应的光子即 AE E。一Eo hv 血是HpD基态最低振动能级与激发态某振动能级之筹(h是磐朗克常数，U 是所吸收光子的频率。 吸收了光子的基态HpD分子可能跃迁到第一激发态的四个振动能级和第__ - ? I L ; :J ,y V VJ‘LV S JL U、 ? a o j ? ? 暑 j 1r r 630rim 690nm 幽1(I HpD受激吸收和荧光辐射原理幽 2 第一章综述 630nm。受激发的HpD分子很不稳定，它与周围分子不断碰撞，通过内转换以热 能的形式消耗一部分能量，从激发态下降到第一电子激发态的最低振动能级，而 后将多余的能量以光量子形式辐射出去。发出的光就是荧光，波长为630nm和 690hm。由于荧光光量子的能量小于所吸收的入射光量子的能量，所以荧光的波长 总大于入射激发光的波长。 因此，静脉注射一定剂量的HpD进入体内后数小时至几天，如果用一定波跃 的HpD浓度较高将发出红色荧光，而正常组织部位由丁基本不含HpD而观察不到 红色荧光(通过观察荧光所成的像或定量检测荧光强度就可以诊断雨J定位 恶性肿 瘤。 ?1(1(2光动力学治疗作用机理 传统的癌症治疗方法如:外科手术、放射疗法、化学疗法等，常冈无法严格 区别病变组织和正常组织使得在治疗过程中一些正常组织的功能遭到破坏，引起 严重的边界效应口I。因此发展一种能更有效的选择出病变组织的新的治疗是非 常重要。光动力学疗法 photodynamictherapy，PDT 就是一种有发展前景新的 治疗癌症的方案。 光动力学疗法是指某些生物染料 即光敏剂如血卟啉、吖啶橙等 能被恶 性肿瘤组织摄取和潴留 正常组织细胞对光敏剂则吸收很少且迅速排除 (在特 定波长光的照射下，通过02的参与，引起光敏化作_E|j，破坏敏化剂所在的肿瘤 组织。光动力作用的基本因素为:光敏剂、光源、基质和分子氧，其中光和光 敏荆两个要素本身并无毒性，但当二者与氧结合在一起时，能产生出使癌细胞 失去活性的致命的毒性物质。这种对病变组织有更好的选择表现为只有吸收了 光敏剂的细胞，且有光和氧时才会产生毒性效应。PDT的这种双重选择使得吸 收光敏剂的病变组织，和对病变组织部位限制光照射来达到把光敏剂的活性限 制在病变组织上。这样PDT就可有选择地破坏癌组织，而对正常组织则无损 害。 PDT的光化学和光物理原理曾被广泛进行研究九6I。简单的讲，当光照时 光敏剂从基态 S。 被激发到第一激发单态 S1 ，接着通过一个系统的相互 第一章综述 作用过程转变为三重态 Z 。三重态寿命长，使的被激发的光敏剂与周围分子 相互作用。一般认为PDT过程中，光毒性物质的产生是发生在这个阶段。 被激发的三重态通常被认为由以下2种途径进行反应，分别被定义为类型 I和类型IIt”。类型I反应机制是光敏剂的三重态与基质发生电子转移或抽氢作 用，产生基质和光敏剂的自由基或自由基离子。基质可以是生物体、溶剂或其 他的敏化剂。这些自由基通常活性高，能迅速与氧分子相互作用，产生活性氧 物质如:超氧化负离子、氢氧根或能引起不可恢复的生物损伤的其他物质。 相反，对于类型II，能量是在三态光敏剂与基态氧分子之间转移，产生第 一激发态氧一一单态氧。单态氧活性强，能与大量的生物基质相互作用，诱发 氧化破坏，最终导致细胞死亡。一般认为类型lI过程在PDT中占优势，单态氧 是主要破坏的物质。类型I反应主要指在低氧浓度或高极化的环境。2种类型机 制归结如下: 光敏剂―4争单态光敏剂+ 单态光敏剂??―――》三态光敏剂+ 类型I机制 三态光敏剂??+三态光敏剂L―― 光敏剂正离子??+光敏剂负离子?? 三态光敏剂??+基质―――》基质正离子??+光敏剂负离子?? 光敏剂负离子??+02 3?:‘ ―――?光敏剂+02 基质正离子??+02 3?; ―― 氧化破坏 基质+02一――?氧化破坏 类型II机制 三态光敏剂++02 3? ――?光敏剂+02 1?。 4 第一章综述 0: 1?。 +基质―专氧化破环 说明:+:激发态;??:自由基 ?1(1(3光动力学疗法的医学应用 尽管早在4000年前中国、古埃及和印度均有人将含光敏剂的植物提取液涂在 皮肤的白色斑块 白癜风 上。用太阳光曝晒，使局部皮肤黑色素沉着，米达到 治疗的目的，但有关光动力疗法的科学探索却始于二十世纪初。经过一个世纪的 发展光动力疗法正以其独特的优点:组织选择性好、作用表浅、对微血管组织的 损伤作用强、全身副作用小、抗瘤谱广，成为激光医学中最受各国学者关注的重 大课题。光动力疗法在医学上的应用大致经历以下几个阶段: 现象探索阶段:二十世纪的前40多年中，人们通过某些染料 吖啶橙、伊红 等 和粗品血卟啉的研究，发现了光动力反应，为现代光动力疗法奠定了基础。 肿瘤诊断阶段:二十世纪五、六十年代，人们开始将光动力反应用于肿瘤的 法开始进入临床实用阶段。 肿瘤治疗阶段:1960年世界第一台红宝石激光器问世，到70年代已有多种激 光器用于临床医疗中。由于激光的单色性好、功率大。故可以更有效地激发光动 力反应。激光器的出现不仅改善了光动力治疗的效果，同时也极大地激发起人们 对光动力疗法的研究热情，以至于70年代末到S0年代形成了肿瘤光动力疗 法的 研究高潮，使光动力疗法成为继手术、放射疗法和化学疗法后治疗肿瘤的又一重 要手段。 临床应用拓展阶段:90年代以来，PDT的临床应用不断得到拓展，世界上不 少国家先后批准用PDT来治疗一些肿瘤如，1993年4月加拿大健康保护局 The ProtectionBureau Health ofCanada 宣布，批准光敏素II商品化，用于治疗膀胱癌。 1994年lO月日本政府正式批准PDT治疗，使PDT成为日本一种公认的肿瘤治疗 方法。国内1991年顾瑛等建立一种全新的治疗鲜红斑痣的PDT方案，用于 临床 治疗获得成功，并于1997年获得中国国家发明奖。由于PDT能在光照区域内特 第一章综述 异地作用靶组织，且作用浅表，因此常用于治疗如:膀胱癌、胃癌和一些靶组织 为“薄层”结构的疾病，如皮肤、粘膜的浅表肿瘤、鲜红斑痣、视网膜黄斑变性 AMD 、动脉粥样硬化和牛皮癣等疾病。总之，无论是未分化癌或高分化癌，腺 癌或鳞状细胞癌，用PDT治疗都有不同程度的疗效。PDT治疗恶性肿瘤早期可争 取根治，晚期癌症可得到症状缓解的姑息性治疗。 ?1(2光敏剂发展的历史和现状 ?1(2(1光敏剂发展的历史 光敏剂是PDD、PDT的核心物质，它是一种混合物能选择地浓集丁作删的 靶组织或靶细胞，在特定波氏光的激发F将发生光动力反应破坏靶组织。有上白_ 种天然的或合成的染料可作为PDT的光敏剂，其可以是植物提取液或复杂的人 工合成大环。对任何一种光敏剂，其关键的特征是能在病变组织中理想的积累， 并产生细胞毒性(诱发有效的生物效应。光敏剂的发展大致经历以下几个阶段【8】: 本世纪初到20年代，发现了某些染料和粗品血卟啉的光动力损伤作H』。 20年代到40年代，发现粗品血卟琳在新生组织中的动态浓集和在一定波长 光作用下产生桔红色特征发射荧光。 50年代开始，在临床上应用粗品血卟啉对恶性肿瘤作荧光定位诊断 Tumor―photolocalization a ‘ 60年代初，为提高粗品血卟啉对肿瘤定位作用，研制成功了血卟啉衍生物 Hematoporphyrin 诊断。 60年代中，首次观察到HpD对人癌的光动力损伤作用。 70年代，完成了HpD光动力治癌的动物试验和临床过渡。 80年代在探索改革和推广HpD肿瘤荧光定位诊断和光动力治疗的同时，初 步研究阐明HpD的化学组成和肿瘤光生物活形成分。国外光敏素II问世， 我国 研制成功相当于HpD和光敏素II的两种组成不同HpDllol ‘”，并独立研制成功新 6 第一章综述 型血卟啉光敏剂癌光啉 PsD(007 七m1。 80年代中期以来(鉴于HpD等混合卟啉制剂的化学组成及肿瘤光生物活性 成分研究进展缓慢，并考虑到卟啉衍生物的作用光谱不理想。人们把发展光动力 治癌新药的重点转向了中介 取代芳基 卟吩或二氢卟吩【23】、水溶性金属酞菁 级的单体四吡咯化合物。 ?1(2(1光敏剂发展的现状 迄今为lE临床光动力治癌用的药物，还是80年代初研制的光敏素II Photofrin Photo PhotofrinII于1993年由加拿大QLT光药物公司 QuadraLogicTechnologies lnc ,E式投产。 Therapeutics 血卟啉衍生物 Haematoporphyrinderivative简称HpD 是第一代光敏剂。 HpD是HD与含5,硫酸的乙酸溶液在室温下合成的。HpD原料是由9种不同卧 啉组成的混合制剂 其分子结构见图1(2 ，其注射剂则因其中的5种酯在 配制中 p、Pp和HVD均无 体。Kessel等在研究HpD各成分的肿瘤定位作(I_fj时发现，H 后研究证明HpD肿瘤光生物活性成分或借非选择性肿瘤定位作用米解释HpD的 肿瘤光动力治疗作用。鉴于Hp、HVD、Pp等不仅光敏化力较强，生物半排期亦 较K，故在使用中正常组织会发生持久的光毒反应。 liquid chormatography 分离结合 Dougherty等借HPLC high??performace 对各分离组分的肿瘤光生物活性测定HpD中有8种组分，其中分别占总量 41(7, 和34(1,的H口和HVD以及4(6,的未知卟啉均无肿瘤光生物活性。占总量19(04, 的其它5种未知卟啉的肿瘤光生物活性均较HpD高。经生物凝胶过滤法将HpD 则无肿瘤光生物活性 表1 。他认为HpDA化学结构为二血卟啉醚类 ethers DHE 。市售的卟非姆钠 PorfimerSodium 主要成分就是 dihematoporphrin 7 第一章综述 HpDA。 Rl R2 COoH C00H 图12 HpD分子结构图 Morris等对合成得到DHE进行了肿瘤光生物活性测定，结果表明，DHE可 因醚键的连接方式不同而呈不同的肿瘤光生物活性，与光敏素II活性相当DHE 只是其中的微量组分。ayrne等在光敏素JI中分离得的一种借C C烈键连接的 卟啉二聚体及其相应的三聚体具有与HpD相当的肿瘤光生物活性。但以酯键连 接的二聚体则无肿瘤光生物活性。由上可知，与HpD相比i光敏素II或卟非姆 钠的主要特点是对肿瘤无定位作用的光敏化含量相对较低。 80年代我国先后有三种临床试用的混合口 琳制剂。即癌卧琳 HpD，北京 、 癌光啉 PsD(007，上海 和光卟啉 HpD，扬州 ，其中北京HpD已获国家新 药实验批准文号，商品名为血卟啉钠。国产HpD制剂中DHE等有效成分的含譬 在25,左右。癌光啉制剂中光敏活性成分的含量在80,以上，不低丁卟1E姆钠而 明显高于HpD，对正常组织的光毒反应则远低于后两者。 光敏素已被多个国家采用作为临床PDT怡疗的光敏刘，用于治疗:早期或 晚期肺癌、膀胱癌、浅表或早期胃癌、早期的颈癌和颈部发育不良 癌症前兆 。 S 第一章综述 表1:HpD的分离组分及其肿瘤光生物活性 肿瘤光生物性 分离组分 含量 , 初步鉴定 分离方法 TCso，mg,kg HpD 100(0 混合卟啉 HPLC 7(5 1 41(7 Hp HPLC 7(5 2 4(6 HPLC 3 34(1 HVD HPLC 7(5 4 2(7 HPLC 3(75 5 2(7 HPLC 3(75 6 0，9 HPLC 3(75 7 1(14 HPLC 3(75 8 12(1 HPLC 3(75 A 40(0―50(0 HVD? GF 375~4(2 B 10(0,25(0 Hp GF 7(5 C 25(O,40(O Hp，HVD，Pp GF 7(5 Hp 7(5 PD 7(5 *TC50指光动力治疗后7-10天50,实验鼠达到完全效应 CR 所需的剂耸。 此外，光敏素还被用作试治疗头部、颈部、脑、肠、肺、乳房、皮肤 含原生和 移位的乳腺癌 等部位癌症和泌尿膀胱癌、腹癌、喉癌。所有这些病变临床治疗 效果都较好。 9 第一章综述 ?1(3第二代光敏剂 随着l临床应用的深入人们发现，目前广泛应用于临床的肿瘤光动力治疗药物 1 药物被皮肤组织吸收后能在其中潴留长达2个月，为了防止引起正常皮肤 的光毒反应，要求患者避光较长时间。 2 光动力治疗中030hm的红光是首 选 光源，因为该波长的光辐射在组织中的穿透深度大。而此类光敏剂的5个吸收峰 织之间的浓度分布比例相差未达到足够地大，治疗过程中有可能破坏了肿瘤周嗣 的正常组织。 4 该方法仅能对深度为4,5mm的浅表恶性肿瘤治疗有效，而对 于更深的肿瘤，治疗效果欠佳。 5 HpD、PlI均为复杂的卟啉混合物，它们的 化学组成和分子结构迄今尚未完全阐明，从而影响了对光动力疗法机理的深入研 究。 80年代中期以来，鉴于HpD等混合卧啉制剂的化学组成及肿瘤光生物活性 成分研究进展缓慢，并考虑到其作用光谱不理想，研究者纷纷开展新一代的光敏 剂的研制，理想光敏剂的特征是【7J: 1 化学结构和组分明确且化合物稳定; 2 只在光照的情况F，才有细胞光毒反应; 3 在肿瘤组织中选择摄入率高: 4 在人体内代谢速度快: 5 生化反应的结果能产生大鼍对细胞具有毒性单态氧; 6 在600,800nm长波段，吸收系数大。依据以上的特征要求，近年米已有一 批新的光敏荆进入I期或II期临床试验或临床前试验阶段(它们具有很好的发展 前景。表2为目前国外临床应用的光动力治疗药物简介。 ?1(3(1国外第二代光敏剂 一、酞菁 1985年，以色列化学家Ben(Hur首先报道了氯化铝酞菁对癌细胞的光灭活 作用。此后金属酞菁配合物用于抗癌光敏剂的研究便引起化学家和药物学家的广 10 第一章综述 的穿透能力提高约20,。研究表明酞菁类化合物从皮肤中清除的速度也远较HpD 表2:目前国外临床应用的光动力治疗药物简介 波长 皮肤 溶 给药 光毒 名 称 解 九。 J 临床实验情况 性 方式 性持 nm 续问 Ex 德国和瑞+用 blue 668 亚甲蓝 Methylene 其净化血浆 VIVO 口服、 亲 已批准用于角 5一氨基乙酰基丙酸 静脉 水 635 l,2天 化症，基底细 5-Aminolaevulinicacid，ALA 注射、 性 胞癌III期 涂抹 苯并卟啉单酸环A 疏 静脉 老年性眼底黄 monoacid水 690 3,5天 斑病 AMD Bezoporphyrin 性 注射 ?I期 ringA，BpD―MA 疏 静脉 llI期AMD， 锡初紫红素 Tiv IV 水 660 1月 头、颈癌临床 ethyletiopurpurin，SnET2 注射 性 ’ 前试验 疏 静脉 8,10 1,11 fIj上消化 水 670---680 酞菁 phthalocyanine(Pc 性 注射 天 道 鳞状细胞癌 二氢卟吩es单天门冬氨酸酰胺水 静脉 I期AMD，[,tii 溶 664 3,7天 期支 气管内肺 N-aspartylchlorin(Npe6 注射 性 癌 四羟基苯氯化物 两 静脉 11I期头颈部 652 6周 Meso-tetrahydroxy 性 注射 phenylchlorin，m―THPC 第一章综述 迅速，约5,10天。此外，酞菁类化合物还具有较高的荧光效率，其荧光艇子产 额比HpD高21倍【“I。酞菁四个吲哚核上的氮原子可和金属元素婺合生成含不同 类化合物不能直接溶于水，可在四个苯环上用亲水性的磺酸基取代，使金属酞菁 磺化(成为水溶性的颗粒状结晶f161。已报道的金属酞菁中锌酞菁 Zinc 酞菁衍生物也用在治疗诸如:皮肤、肺、肠胃和乳腺癌等。限制酞菁类药物 发展 的主要原因是苯环上的亲水性基团的相对位置和数目常常难以或无法控制，使得 酞菁类化合物一般均为水不溶性固体口1。另外一个缺点是静脉注射后，患者皮肤 常出现灰色或绿色斑块。 二、苯并卟嘛衍生物 苯并卟啉衍生物 BezoporphyrinDerivative，BpD 是由原卟啉 二氢卟吩光敏剂四，其中苯并卟啉单酸环A BezoporphyrinmonoacidringA，BpD( 一MA 在血红蛋白吸收光谱之外的694nm处有昂大吸收。研究发现(BpD―MA 能迅速从体内清除，病人在给药后3小时甚至不到3小时，在肿瘤中就能产生最 佳的光动力治疗效果。病人仅需避光3―5天，而不象Photofrinll那样需4-6周。 对BPD―MA分布的研究和实体肿瘤光治疗时间测定的研究表明，在静脉注射 BPD―MA后不久有,个“治疗窗”，在此期间药物在血液中达到最高浓度，而 没有分布到皮肤l”I。由于BPD―MA具有这种优点，使整个给药和治疗过程可在 related 当天完成，便于临床治疗。BpD--MA目前正进行老年性眼底黄斑病 aged macular 疗恶性皮肤肿瘤的光动力治疗均有很好的效果，还有望成为治疗自血病的骨髓净 化剂和清除血液制品污染的抗病毒试剂。 三、 四羟基苯氯化物 四羟基苯氯化物 Meso―tetrahydroxy 的化合物，可大量制备。它与HpD相比具有红移的吸收光谱，吸收峰在652nmf2”。 12 第一章综述 mTHPC已被用于头颈部癌、恶性间皮瘤和复发乳腺癌的光动力治疗，对肿瘤治 疗具有高度选择性，且在导致肿瘤广泛坏死的同时(对正常组织损伤很小。 四、 二氢卟吩e6单天门冬氨酸酰胺 二氨卟吩e6单天门冬氨酸酰胺 N-aspartyl chlorin，Npe6 经吞噬作用进 入细 胞(部分聚集在细胞质的溶酶体中。对Npe6的体内研究表明，它对小鼠移植性 乳腺癌具有高效的光动力作用七。Npe6的吸收峰位于664nm处(在人体内潴留 时间一般在7天左右(光照2小时后药物即能达到最佳疗效。前期研究结果表明， 25-200J,cm2的664nm 患者按每公斤体重0(5―1(0mg的剂量给药，4,8小时后(,Elj 光辐照治疗，74,达到完全有效。病人在用药后一周就可接受正常光照，副作用 小。目前正在进行对皮肤癌的1,11期I临床试验。 五、 紫红素 紫红素 purpurln 是疏水性的光敏剂，体内试验结果表明，其在可见光辐 其有效力顺序为 锡 Sn 和锌 Zn 衍生物进行了评价， nm处有很大的 有典型的强吸收”1，包括紫红素在内的这些化合物在波长约650 消光系数，它们改进了光对组织的透射。锡-初紫红素 SnET2 ，目前正在进行 第一阶段临床试验治疗原位癌和临床试验治疗浅表移位乳腺癌的第二阶段。临床 前期试验研究还涉及其他的恶性肿瘤如:脑、肺、皮肤、头和颈部癌症。 六、 亚甲蓝 皿甲蓝 Methyleneblue 是目前临床上除HpD外已被使州的另一种的光敏剂。 瑞十和德国的红十字会还用其来净化新鲜冰冻的血桨【71。这种光敏剂能使细胞外 生长的病毒有效灭活。这种染料上个世纪以来广泛用作生物样品染色和在临床中 诊断各种疾病及在外科手术中为肿瘤做标记。弧甲蓝用作活体治疗中的光敏剂， 由于受到背遍存在细胞酶的衰减作用而变成无色染料，火去光动力活性。 七、 5一氨基乙酰基丙酸 用5一氨基乙酰基丙酸 5-Aminolaevulinie l 3 第一章综述 Ix， 诱发生物 术内的光敏剂是最近PDT试验的新方法【24】。人体天然卟啉如血红 素，在其合成中主要一步为氨基乙酸和辅酶A转变为ALA。过剩的ALA可在体 1X，而PPIX为PDT中有效的光敏剂。ALA就是利用这一 内产生protoporphyrin 特点，在病变组织特别是恶性肿瘤组织中累积为PPIX。川，瘤组织对ALA的选择 吸收主要受以下因素影响:角质渗透性的反常增加;胆色素脱氨基酶的增加;铁 离子的减少和肿瘤细胞中厢铁整合酶活性的减少。这些冈索导致PPIX在病变细 胞的积聚，并最终形成在靶组织中的选抒性的摄入。 ALA不同与其它光敏药物的一个特点是它的给药方式可以是“涂抹式”(常 用于治疗皮肤病。是『临床PDT治疗光化学角质物 一种常见太阳光诱发的皮肤 癌前兆 最好的药物。此外，ALA还用于诊断膀胱癌。治疗浅表性和结:惯性基 底细胞癌、Bowen氏癌前病变等JL种典弛的皮肤病已进入临床实验I删。ALA药 物的缺点是在皮肤中穿透不深，应加以克服。 ?1(3(2国内第二代光敏剂 目前国内正在开发的具有独立知识产权的第二代主要有血u 啉单甲醚 ether,HMME 、竹红菌素类和二苯基卟吩 Hematoporphyrinmonomethyl DiphenyI一2，3-d(hydroxychlorin，DPCOH 。 一、血卟啉单甲醚 血卟啉单甲醚由上海第二军医火学研制，是一种单体卟啉(化学纯度可达到 99(8,，其在体肉排ffI 快，对肿瘤细胞的体外光敏杀伤效率与国外的第二代光敏 剂ALA和BPD(MA相似‘”】。解放军总医院于1996年开始将其用于鲜红斑痣的 临床治疗，临床结果显示，血卟啉单甲醚的组织选抒性好，疗效稳定(避光时间 短，是一种理想的治疗鲜红斑痣和视网膜黄斑变性的光敏剂。 二、竹红菌素 竹红菌索是我国特产的天然光敏物质。竹红菌素类化合物分离纯化相对简 单、结构明确光毒性强而暗毒性低。近几年(中科院化学竹红菌素母体分子合成 了约40种不同的衍生物，部分衍生物的理化特性和光动力效应已达到或优下国 外最新光敏剂。 14 第一章综述 _--、 DPCoH DPCOH是中科院化学研究所合成的一类卟吩类光敏剂。光物理和光化学研 究表明，DPCOH具有很高的光动力活性，能够在有氧条件下光敏产生单态氧和 超氧负离子。在无氧条竹F，DPCOH可以高效地光敏化产生自身负离子自由基。 体外细胞实验表明，对于肿瘤细胞有很强的光动力杀伤作用，其光毒性是HpD 的200倍以上。而暗毒性特性基本上与HpD相当。 ?1(4研究光敏剂光学特性的意义 恶性肿瘤是现代人类的主要疾病之一，严重地威胁着人类的健康和生命(据 统计1992年每10万人中有128人因癌症死亡。目前早期恶性肿瘤有些经手术切 除可能治愈，甲晚期癌症以肺癌患者为例5年生存率仅约30,，而现有的常规诊 断手段如:X胸片、痰检、甚至白光支气管镜、CT检查也几乎无法探查到早期 肺癌口”。再如有些肿瘤象鼻咽癌大多数原发病灶较小、局部症状不明显，或根本 无局部症状时就已经转移。这就造成长期以来鼻咽癌漏诊率高。冈此探索能对癌 症进行早期诊断、定位和治疗的方法和技术是医学上急需攻克的一个难题。 以生物分子学为基础，集当代光电子、光谱和计算机技术为一体的前沿研究 领域一一光活检技术，以其极高的光谱分辨率、灵敏度、精确度以及无损 或微 损 、安全、快速等优点成为医学光予学的一个重要开拓方向，已引起世界各国 学者广泛重视1271【28l。它可对粘膜F型早期癌变组织进行无损、快速诊断和有效 定位，从而及时进行治疗，挽救生命。我们研究小组较早在国内开展早期肿 瘤的 光活检技术研究:利用激光诱导荧光诊断恶性肿瘤和光动力疗法。这项技术的彻 底实现将从根本上改变传统诊断癌症的方法，摆脱了依靠医生目视经验诊断和取 样活检，其依据人体组织的光学特性和微弱荧光特征实时诊断出被检组织是正常 组织、良性病变组织还是甲(期癌变组织，从而实现癌症的早期诊断，这在临床医 学应用中具有巨大的实用价值。由光活检技术浪潮所带来的新一轮医学技术革 命，有可能在新世纪创造出高新技术产业。 光敏剂是实现激光诱导荧光诊断恶性肿瘤和光动力疗法的重要冈素，了解和 掌握光敏剂的光学特性:光谱特性、光漂白特性及光动力诊断时效性等，是开发 第一章综述 光活检系统的基础。光敏剂的光谱特性是人们进行实验研究和PDD及PDT临床 应用的理论基础，它不仅为光动力治疗的激光光源提供了选择依据(而且对于临 床诊断中选择最佳的激发光源和检测的荧光波长具有重要的指导意义。光敏剂的 光漂白是利用光动力诊治肿瘤时必须考虑的另一个重要问题，在肿瘤诊断的图像 系统中，光漂白的存在减小了肿瘤荧光图像的对比度，在非图像系统 光谱 和比率检测 中，光漂白的存在降低了诊断系统的灵敏度。因此开展这方面的研 究工作，具有十分重要的临床指导意义。目前国际上对光敏剂研究的热点是篼二 代光敏剂，而国内目前临床上使用的光敏剂仍为第一代光敏剂，本文将对部分第 二代光敏剂的光学特性进行实验研究，并与第一代光敏剂进行比较，从而为第二 代光敏剂在临床试验上的应用提供重要的参考数据。 第二章研究光敏剂的主要理论问题 第二章研究光敏剂的主要理论问题 ?2(1概述 光敏剂是指那些能促使光与组织产生光敏化作用的物质，在光敏化过稗中其 本身起着能量转换作用而不被消耗。对于光敏剂不同的学科有着不同的研究 内 容，化学家重点研究其化学组成及肿瘤光生物活性成分:生物学家则重点研究其 与生物肌体如何发生相互作用、对生物肌体是否产生损伤:而物理学家则是关心 光敏剂的物理特性，在光动力学疗法中主要的研究内容包括:光敏剂的光谱特性、 光漂向特性、荧光产额、浓度、剂量””等。 ?2(1(1光敏剂的浓度、剂量 肿瘤和周围正常组织中的光敏剂浓度指的是每单位质量组织中所含的光敏 剂的量，常用的单位有1(tg,g、mg,kg。诊断用荧光发射量和有效吸收剂量均同 光敏剂浓度成正比，因此对于肿瘤的定量诊断和治疗，有效吸收剂照和光敏 剂浓 度是重要的数据。在活体中定量测量光敏荆的浓度大体有三种方法，即荧光法、 反射光谱学法和放射性同位素示踪法。我们所采用的是荧光法定量肿瘤中的光敏 剂浓度【331。 设激发波长处的光辐射能流率为靠，激发光在组织体中传输，因吸收和散 射而衰减。从漫射理论，宽光束入射到深度坐标x的平面组织体上，有 1 ?F X 矿F O exp 一口Fx 式中漫射衰减系数为口z:鲁 2 言 从是组织的吸收系数，毒是漫射系数 7 第 章研究光敏剂的主要理论问题