光动力疗法及其在治疗胶质母细胞瘤中的进展①

2022-12-31韦凯伦夏学巍

华夏医学 2022年3期

韦凯伦，夏学巍

(1.桂林医学院，广西桂林 541199；2.桂林医学院附属医院，广西桂林 541001)

光动力疗法(photodynamic therapy，PDT)是利用适合波长的光线激发已经被肿瘤细胞摄取的光敏剂，产生光化学反应而使细胞死亡，是一种治疗恶性肿瘤的新方法。“光动力疗法”的诞生可以追溯到1900年，德国医学专家Oscar Raab在草履虫的实验中发现吖啶橙(acridine orange)和光照会引起草履虫的死亡，随后的研究发现这种“光动力学”效应需要光敏剂、光和氧气共同作用才能介导细胞毒性，也就是只有它们合适的组合才能在组织内发挥作用[1]。1978年，Dougherty等[2]进行了PDT在人类癌症中的首次大规模实验，开创了利用光与光敏剂治疗肿瘤的先河。目前光动力疗法在食管癌、肺癌等肿瘤的治疗中取得了较好效果。胶质母细胞瘤是最常见的神经系统肿瘤，标准化方案治疗效果不佳，为了提高治疗效果，众多学者在传统治疗方案的基础上，不断探索新的治疗方法，光动力疗法用于胶质母细胞瘤的治疗就是研究、探索的方向之一。本文就光动力疗法及其在治疗胶质母细胞瘤中的研究进展作一综述。

1 光动力疗法的作用机制

光动力疗法对细胞有直接杀伤作用，可以引发细胞的坏死[3]。大量的研究证明光动力疗法可以引发细胞凋亡，在人脐静脉内皮细胞的实验中，经光动力疗法处理后细胞TUNEL染色检测发现细胞的凋亡率上升，同时蛋白质印迹技术也证明了细胞色素c、Caspaese-3剪切体的表达是上升的，说明光动力疗法可以引发细胞的凋亡程序[4]。在L1210细胞中的实验表明，经较高的治疗剂量处理后，Bcl-2蛋白在细胞中的表达有较大程度降低，也意味着细胞会发生凋亡[5]。在常见皮肤癌的体外实验中发现，治疗后的细胞中LC3表达量增加，证实自噬是光动力疗法的作用机制之一[6]。在定位于溶酶体的光敏剂N-aspartyl chlorin e6(NPe6)的实验中，细胞色素c在处理后的3 h内呈时间依赖性持续增加，Caspase-9前体的裂解同步增加，并且Caspase-9下游的Caspase-3也出现显著的升高[7]。光动力疗法在全球第二大常见癌症-乳腺癌中的研究也表明，这些不同机制的发生取决于光敏剂的亚细胞定位[8]。

光动力疗法可以在肿瘤血管、肿瘤微环境方面发挥作用。光敏剂在吸收适合波长的激发光后会从基态转变为激发态，激发态的光敏剂又能把能量传递给周围的氧，从而在激光照射区域产生具有高度组织毒性的活性氧基团，这些活性氧基团可以损伤血管的基底膜，使血管内皮细胞的链接缺失，从而增加了血管的通透性，形成血栓，进而使肿瘤的局部组织滋养血管闭塞，造成肿瘤细胞发生缺血、缺氧，最终死亡。因此，有学者为提高光敏剂在治疗中产生活性氧的能力进行了研究，其研究成果不但可以增强肿瘤的荧光成像提高诊断效果，还可以提高光动力治疗的效果，在临床应用方面具有巨大的应用潜力[9]。

光动力疗法在肿瘤治疗的过程中会破坏肿瘤组织，这会引起强烈的炎症反应。炎症因子的释放、补体的激活都可以激起整个机体的非特异性免疫应答，同时，活化的树突细胞也会激活T细胞、B细胞等，进而产生特异性的免疫反应。有学者对两种亚细胞定位不同的光敏剂pz I、pz Ⅲ进行了研究，发现它们可以有效诱导免疫原性细胞死亡，为光动力的癌症免疫治疗打下了基础[10]。在发现光动力疗法可以诱导免疫反应后，有学者提出可以利用光动力疗法研制肿瘤疫苗，并已在体内实验中取得较好的效果[11]，这为肿瘤治疗提供了新的研究方向。

2 光动力疗法主要影响因素

光动力疗法需要光敏剂、光照和氧气才能发挥效用，光敏剂的优化、光源辐照方式的优化以及光照剂量的优化是改善光动力效应和提高光动力效应在临床应用的关键[12]。

2.1 光敏剂

光敏剂是光动力疗法的一个重要影响因素，首先需要在肿瘤细胞内蓄积，并且被激发后既可以把能量传递给反应物，而本身不发生相关反应。因此，光敏剂研究对光动力疗法的发展是非常重要的。血卟啉衍生物(hematoporphyrin derivative，HpD)是一种水溶性卟啉类混合物，是第一代研发并应用于光动力治疗的卟啉类光敏剂，在临床上广泛应用于多种恶性肿瘤的治疗，但存在成分复杂、体内代谢缓慢等缺点。相比于第一代，第二代光敏剂靶向能力及活性氧的产生能力更强，在体内的代谢时间更短。研究人员在二代光敏剂的基础上为其添加特定的靶向分子或者进行相关化学修饰，克服了第二代光敏剂的缺点，促成了第三代光敏剂的出现。第三代光敏剂的靶向作用更有利于光敏剂在肿瘤细胞内的蓄积，同时其携带的靶向治疗物质可以产生更强的杀伤作用[13]。使用纳米技术合成新光敏剂的研究也取得了较大的进展，针对线粒体可能是光动力疗法最主要的靶点，有学者研制了一种靶向线粒体的光敏剂DPP2-NPs，在体外实验中可以更有效地发挥光动力效应，在U14细胞皮下造模的裸鼠模型中也有较好的肿瘤抑制作用[14]。也有学者开发出了靶向溶酶体的光敏剂，在肺癌细胞系中取得了较好的治疗效果[15]。还有研究者利用癌细胞中的总RNA含量普遍高于正常细胞的特点，利用噻唑橙的骨架结构修饰研发了一种新的光敏剂QICY，这种光敏剂具有识别癌细胞的RNA靶向能力，体内实验验证了其治疗后可以抑制肿瘤生长[16]。上述研究成果优化了光敏剂设计、合成的方式方法，同时新技术的诞生和应用为进一步开发高效光敏剂奠定了基础。

2.2 照射光源

光动力光源的选择主要考虑两个方面，一个是能够有效激发光敏剂，另一个是能有效地传输至治疗部位并均匀分布。激光技术产生后，独特的优势使其成为PDT首选光源，现在市场上已经有各种波长的半导体激光器，它们成了激光医疗设备的主流产品，特定的波长、稳定的传输能力显著提升了PDT临床应用的效果[17]。在手术中，固定的光源可能存在照射盲区，因此，有学者提出了利用改良牙镜的镜面反射系统来提高光照的效率，其对光照仪器系统的改动较小并且效果良好，在临床上值得推广应用[18]。为了同步解决治疗中氧供问题，有学者提出利用变压吸附原理来制造纯氧、微透镜阵列多光谱LED发光器件与二次透镜阵列相结合组合成光动力治疗照射装置，研制出一种既可以供给纯氧又是使用LED阵列作为光源的复合光动力治疗设备[19]。也有学者研发了新型光纤扩散器，使光的散射随着光的传播而逐渐增加，这种梯度散射可以补偿光衰减并提供相对均匀的光线照射[20]。肿瘤的形状通常不规则，导致了单纯手术难以对肿瘤进行完全切除，有学者研制出了一种可以贴合残腔的球囊，这种球囊增加了激发光的传导效率，可以更为有效地对残余肿瘤进行杀伤[21]。这些新的方式都能更有效地传递激光，激发光敏剂，从而发挥更好的治疗作用。

2.3 氧气

光动力治疗中，氧供是一个重要的影响因素，光敏剂激发后将能量传递给氧，氧分子就从基态的三线态变成激发态的单线态，这时的激发态氧分子具有极强的氧化性，会导致光敏区域内的蛋白质、脂肪和其他分子的损伤。目前，主要是以改善局部血流来提高组织的氧含量。因此，有研究者提出血流测量下的个性化光动力疗法可以使光能量传输最优化，与标准方案相比较，这种方法可以产生更好的治疗效果[22]。对于不能以增加血流量来提高局部氧含量或者不能监测血流量作为治疗依据的情况，有学者进行了乏氧光动力的研究，研发出一种由铁氧化合物和卟啉组成的新型光敏剂Fe-TBP，它可以在氧气充足和乏氧两种情况下激活，实验证明在CT26大肠腺癌的小鼠模型中有较好的治疗效果[23]。同时，一种新型的可持续光动力治疗系统也被开发出来，光照停止后，相关物质可以继续供氧，促进树突状细胞活化，对肿瘤发生免疫反应[24]。目前，大多数增加氧供的方法是从光敏剂的研发角度进行，但这些方法的提出和改进对肿瘤细胞的杀伤无疑是更为有效的。

3 光动力疗法治疗胶质母细胞瘤

由于颅腔容积的有限性，若发生颅内肿瘤，无论肿瘤的良性或者恶性，占位效应都会对脑组织进行压迫，进而影响脑功能甚至危及生命[25]。目前，临床上胶质母细胞瘤的标准化治疗方案是手术切除和放化疗结合，但这种联合治疗方案2年内的复发率较高[26]。颅内肿瘤的形状一般不规则或者位置较深，单纯的手术难以对肿瘤进行完全切除，而光动力疗法可以借助光纤、内镜等技术将激光引导至人体深部进行治疗，因此，手术联合光动力治疗成了研究的热点。理论上光动力疗法损伤的有效深度大于光穿透深度，并且可以延伸到1 cm或更大的距离，因此光动力疗法最有希望根除手术切除后残留的肿瘤细胞，这些残留的肿瘤细胞往往是导致复发的主要原因。胡韶山[27]发现，光动力疗法能有效杀伤胶质瘤与正常脑组织界面的残存肿瘤，并激发局部的免疫效应，证明光动力疗法可以有效治疗胶质母细胞瘤。

3.1 荧光引导手术

第二代光敏剂5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid，5-ALA)是血红蛋白代谢途径中产生的一种天然中间代谢产物，可以优先在恶性脑肿瘤和侵袭癌细胞中积聚[28]。有学者发现，暴露于5-ALA后，C6神经胶质瘤细胞可以在体外和体内积累卟啉，体内实验评估了5-ALA介导的光动力疗法的安全性和有效性[29]。目前，5-ALA是研究最广泛的高级别胶质瘤荧光引导切除的治疗剂，也是美国食品和药物管理局批准可以应用于胶质瘤手术的药物。在一项使用5-ALA作为光敏剂的光动力疗法的前瞻性研究中，有经验的外科医生在术中可以判别出光敏剂激发的荧光，对高级别胶质瘤有很高的灵敏度和阳性预测，同时，5-ALA较少出现药物相关的不良事件[30]。但是，5-ALA在低级别胶质瘤的荧光导向应用中通常不能被激发显示，有学者对术中低级别胶质瘤的术中诊断及鉴别提出了新的优化方案，既利用光纤探针对荧光信号进行定量收集以区别正常细胞和肿瘤细胞，还可以利用荧光技术和共聚焦显微镜组合进行手术[31]。也有学者提出术中荧光引导和光动力疗法相结合用于治疗胶质瘤患者，因为术中荧光引导可有效提高切除率，光动力治疗可以有效地杀伤残余肿瘤细胞，两种方法相结合可以更有效地对患者进行治疗[32]。但是这些治疗方案在临床应用方面都需要更多的样本进行循证论证分析。

3.2 间质光动力疗法

间质光动力疗法(interstitial photodynamic therapy，iPDT)是通过立体定位将光纤插入肿瘤内，向肿瘤组织传递光刺激来进行光动力治疗的一种方法。在体外模型中，间质光动力疗法治疗胶质母细胞瘤的有效性得到了验证[33]。有学者证实间质光动力疗法用于治疗高级别胶质瘤是有效的，相对于开颅、腔内光动力治疗的情况，5-ALA介导的独立间质光动力疗法可以有效避免永久性神经功能损伤的发生，同时又可以降低感染等手术风险[34]，这突出了间质光动力疗法的优点。也有学者将间质光动力疗法用于治疗复发恶性胶质瘤患者，经治疗后患者再次复发的平均时间为7.1个月，平均生存期为13.0个月，1/4的患者生存期超过2年[35]。相对于射频热消融疗法，间质光动力疗法可以在治疗中对细胞靶向性杀伤，但是间质光动力疗法需要更为有效的光源传导系统、更为精确的肿瘤定位和治疗范围的计算，因此，间质光动力疗法的限制性有待研究者解决突破。

4 光动力疗法的不足

光动力疗法的有效治疗深度是光动力实施中必须考虑的问题。有日本学者对使用光动力疗法治疗胶质瘤后死亡的患者进行了尸检，发现死前磁共振显示治疗部位肿瘤无复发，显微分析显示肿瘤切除腔表面的组织病理学改变平均深度达到12.7 mm。但是也有患者的病理分析显示，在这个深度周围或更远处观察到存活的肿瘤组织，因此，临床应用中需要找到能够更有效杀伤残存细胞的方式方法[36]。胶质母细胞瘤位置特殊，处于封闭的颅内，目前未见有可以埋置于颅内的可吸收材料用于激发光的传导，使之可以在术毕关颅后重复进行光动力治疗，又可以减轻患者因处理光线传导装置带来的痛苦。光敏剂结构性能的优化、治疗区域氧供方式的优化、利用光动力疗法制作肿瘤疫苗等等，这些都是需要解决的问题，临床应用中还需要解决治疗费用较高、治疗后产生水肿等问题。