新加坡國立大學PNAS: 活體無線電光子光動力療法

【引言】

自早期應用光治療銀屑病以來，在理解和設計光-組織相互作用方面的進展使得一類具有無與倫比的時空分辨率的靶向治療成為可能。光動力治療（PDT）是光敏藥物（光敏劑）被光選擇性激活，產生活性氧（ROS）可用于殺死惡性細胞的臨床實例，它能夠殺死惡性腫瘤而避免像化療等治療方法帶來的全身治療相關的副作用。然而，由于組織不是光學透明的，PDT的臨床應用一直受到生物組織的低光穿透性的限制，即使在近紅外波長照射下，治療深度也限制在1 cm以內。目前，向更深的組織區域輸送光線依賴于通過手術或內窺鏡檢查插入的光纖，但是與長期植入的不兼容性允許僅輸送單一光劑量。光傳遞的這種限制排除了使用PDT進行長期治療以抑制腫瘤復發或調整腫瘤應答的劑量。

【成果簡介】

近日，新加坡國立大學張勇教授和John S. Ho教授（共同通訊作者）課題組報導一種小型（30 mg，15 mm³）植入式設備和無線供電的方法來傳遞光。我們通過照射難以到達厚度的組織（> 3cm）來激活光敏劑（Ce6）通過直接照射不可接近的深層組織，以及通過遞送多個受控劑量的光來抑制動物腫瘤模型中腫瘤的生長來證明這種方法的治療效果。這種光輸送的多功能性克服了PDT臨床應用的缺陷，并且可能為其他光療法提供希望。該研究成果以題為“In vivo wireless photonic photodynamic therapy”發布在國際著名期刊PNAS上。

【圖文導讀】

圖一 無線電激發的PDT

(A) 治療的示意圖；

(B) 無線光子器件發光的圖像，照射外植腫瘤的裝置（插圖）；

(C) 設備和個體電子元件的示意圖；

(D) 來自兩個LED的器件的發射光譜；

(E) 該裝置發出的光（輻射功率1.3 mW）穿透不同體積的腫瘤圖像。

圖二 光分布與無線電光傳輸

(A) 在合成組織平板上的裝置周圍的紫光分布；

(B) 在合成組織平板上的裝置周圍的紅光分布；

(C) 嵌入在均質腫瘤組織中的裝置周圍的光輻照度的數值模擬，Φe，發射的輻射功率或等同的光劑量率；

(D) 從1到30分鐘曝光的光劑量輪廓（2 J/cm²）；

(E) 無線光傳輸系統的原理圖；

(F) 最大輻射功率Φe可作為組織模擬水中裝置深度的函數傳遞；

(G) 在有和沒有位電路的情況下，改變Φe作為P_RF變化的函數來調節發光；

(H) 在光照下腫瘤組織的體內局部加熱。

圖三 腫瘤細胞的深組織PDT

(A) 成年豬模型腹部區域無線光傳遞的三維CT重建；

(B) 射頻發射機位置；

(C) 橫截面圖，該設備在深度5.1 cm處。（比例尺2 cm）；

(D) 在器件周圍的Ce6溶液中產生的ROS；

(E) 激光在MB49細胞中的的光傳遞結構的圖解；

(F) 裝置照射在MB49細胞中的的光傳遞結構的圖解；

(G) 在上述光傳遞構型中照射20分鐘后細胞活力（MTS測定）的變化；

(H) 細胞凋亡指數（TUNEL測定）包括來自測定的陽性和陰性對照；

(I) 細胞中處理后的熒光圖像，在與Ce6孵育并且在兩種光傳遞構型；

(J) 對照細胞中照射之后處理細胞留下未經處理或僅施用光或Ce6。

圖四 體內PDT

(A) 第一次治療后13 d，對各組代表性小鼠進行CT重建；

(B) 各組染色的腫瘤組織切片；

(C) 在監測期間將腫瘤體積歸一化為時間的函數；

(D) 治療期間的體重變化；

(E) 在使用無線光傳輸（無線照明）或激光（660 nm）傳輸（直接照射）進行一輪治療之后，腫瘤組織染色對比；

(F) 與腫瘤相鄰的健康組織染色切片。

【小結】

本文作者展示了一種無線可植入光子器件，可以為癌癥PDT實現治療性光傳輸。通過無線供電和監控光劑量的射頻系統使裝置在身體深處的操作成為可能。實驗證明，在組織的豬模型中原位無線激活光敏劑，通過遞送PDT的輕量劑量，在鼠類癌癥模型中體內抑制腫瘤活性。通過這種方法實現的光輸送的多功能性，克服了傳統PDT的深度限制，并將其時空精度擴展到不能直接進入光的區域。

文獻鏈接：In vivo wireless photonic photodynamic therapy (PNAS, 2018, DOI: 10.1073/pnas.1717552115)

本文由材料人編輯部李兵編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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