第三节　光动力疗法的基础知识

一、光动力疗法的概念

光动力疗法本质上是由光照引发的一种光敏化反应（photosensitization），也称光化学疗法（photochemotherapy）或光辐射疗法（photoradiation therapy，PRT）。静脉注射光敏剂，机体中的肿瘤组织大量吸收光敏剂，而正常组织吸收光敏剂甚少，在一定时间后，因光敏剂在靶细胞内优先聚集，当用特定波长的光照射肿瘤部位时，在分子氧的参与下，光敏剂吸收光子的能量后部分电子被激发，受激发的光敏剂将能量传递给氧，通过光化学反应，生成活性氧（reactive oxygen species，ROS），如化学性质活泼的单态氧、氧自由基，活性氧通过氧化作用攻击细胞结构，氧化损伤细胞膜或蛋白，当氧化损伤的积累超过一定的阈值时，靶细胞便开始死亡，肿瘤组织发生破坏损伤，从而达到治疗的目的（图1-1）。

光动力疗法的基础是光动力作用，需要具备的三个基本要素是激发光、光敏剂和分子氧。以下将分别就光动力反应、单态氧与自由基、光敏剂及光动力杀伤肿瘤细胞的作用机制等方面的问题进行叙述。

二、光源与激发光

1.概述

最早应用于光动力疗法的光源是日光和传统弧光灯这类非相干光。非相干光容易使用、安全且价格低廉，主要用于表面病灶照射。1903年，德国慕尼黑大学的von Tappeiner及其助教Albert Jesionek用曙红和日光灯照射治疗皮肤癌和狼疮。1904年，von Tappeiner首次提出了“光动力效应”，1905年他们继续在皮肤癌患者身上涂抹或注射曙红注射液，并用日光灯和碳弧灯照射进行光动力研究，取得了一定的效果。

直到20世纪60年代，美国梅奥诊所（Mayo Clinic）的Lipsaon首次使用血卟啉，正式开启了光动力疗法在肿瘤领域的应用。光是其中不可或缺的三要素之一，Brancaleon和Moseley在2002年曾提出对光动力光源的基本要求：需与光敏剂的激发波长（通常为最长的波峰）相匹配，并可在这个波长形成足够的能量，传输到靶组织发挥最大的效能；所选择的光源在临床应用时可靠性强，并且成本低廉。

2.光源

光源即能自己发光且正在发光的物体。作为工程技术中的照明器件和科学研究中的认识工具，光源在物质结构研究、化学成分分析、工程检验测量和疾病诊治等方面广泛应用。光源一般可分为天然（或自然）光源和人工光源，人工光源包括热光源、气体放电光源和激发光源等。

（1）天然光源：

太阳是一个巨大而炽热的气体星球，是太阳系的中心天体，是最重要的天然光源。在地球表面，太阳光在500nm处达到极大值。由于臭氧层的吸收，其紫外部分只延伸到290nm。

只有少数恒星足够亮可视为独立的辐射源。大多数恒星所产生的辐照远低于一般能探测到的灵敏阈值，但这些恒星的密度大，数量众多，在大气层外可产生相当的辐射背景。

大气辉光和极光由来自太阳的物质或能量与地球大气层相互作用产生，也属于天然光源。闪电由云与云或云与地之间放电而发光，也是天然光源的一种，其光谱为大气成分的带状谱和线状谱。

（2）热光源：

利用热能激发的光源称为热光源，其辐射为连续光谱。黑体为辐射能力只与温度有关的辐射体。辐射光谱分布与黑体十分接近的热辐射体称为灰体，如炽热的钨。任何非黑体的辐射能力均小于同温度下的黑体。黑体和灰体的光源主要在光度测量中用作标准光源。但它们的应用仅限于红外与可见波段，因它们的辐射极大部分在近红外，仅当温度很高时才移动至可见区。

黑体光强标准器的辐射体是由熔融氧化钍制成的试管，试管内装有氧化镁粉末。试管插在铂块内，使铂块封在熔融氧化钍制成的坩埚内，上面有开着小孔的盖子。小孔周围有一个漏斗形外罩构成坩埚盖的一部分，坩埚放在一个装满氧化钍粉末的圆柱形耐火容器内，其周围是高频感应炉。用高频电流进行加热，铂可以熔化。测量可以在铂凝固的时间内进行，这时温度保持不变，可使辐射源的亮度保持严格不变。

1）白炽灯、白炽条和白炽网：

白炽灯发光伴随热辐射，有80%~90%的能量转换为热能，10%左右的能量转换为光能。普通的白炽灯一般由灯丝、引线、支架、泡壳和灯头等组成。大部分灯泡内充有氩气、氮气或氩气和氮气的混合气体，惰性气体主要用于抑制灯丝蒸发，极少数小功率灯泡内是抽真空的。灯丝是白炽灯的主要部分，其要求是熔点高、蒸发率小、在可见光谱区有较多的能量辐射。随着温度的升高，多数材料的辐射总能量及可见光在辐射中所占的比重均增加。蒸发率决定着白炽灯的寿命，两者成反比关系。金属钨能够较好地满足以上要求，易于加工成丝，且机械强度大，因而几乎所有的白炽灯都用钨做灯丝。白炽灯的光效能虽不高，但是由于其构造简单，使用方便，具有连续光谱，是应用最广的照明光源之一。白炽钨灯按黑体辐射标准校准后可作为很好的次级光标准器。白炽条和白炽网常用作红外光谱段的辐射源。

2）火焰：

火焰接近于热光源，由液体或气体燃料燃烧产生。一般分内锥和外锥两层，内锥中的燃料进行不完全燃烧，外锥中，大量流入的氧气使燃烧充分，因此外锥温度总高于内锥，而内、外锥之间的中间层温度最高。如带空气或氧气喷口的煤气火焰、氧-乙炔焰或空气-乙炔焰、酒精焰与烛焰等。

（3）气体放电光源：

气体放电光源为置于气体中通过两电极之间放电发光的光源，分为开放式气体放电光源和气体灯。

1）开放式气体放电光源：

若电极置于大气中，则为开放式气体放电光源，如电弧和高压电容火花。开放式弧光放电形式的光源称为电弧，电弧有直流电弧、高压交流电弧、碳弧等。直流电弧的电极可以是碳或金属电极。高压电容火花也属于开放式气体放电光源，高压交流电弧和高压电容火花都属于交流振荡放电。碳弧按发光情况的不同可以分为普通碳弧、火焰碳弧和高强度碳弧，其中普通碳弧和高强度碳弧一般是直流的，火焰碳弧既可工作于直流，也可工作于交流。

2）气体灯：

若光源的放电过程是密封在泡壳中进行的，则常称之为气体灯。气体灯的发光过程中，等离子体发生的各种物理过程与普通电弧等离子体十分相似，且主要利用的是电弧放电。有些气体灯也利用辉光放电，或辉光放电与电弧放电的中间形式。电弧放电的电流较高而电压较低，辉光放电的电流较低而电压较高。根据灯内所充发光气体的不同，气体灯可分为金属蒸气放电灯如汞灯和钠灯、金属卤化物灯、惰性气体放电灯如氙灯和氪灯及大多数脉冲灯等。

3）辉光放电气体发光管：

辉光放电气体发光管的典型代表是充有氩或氖、水银、氢、氦等气体的盖勒斯管。利用辉光放电的各种辐射源的发射光谱中有很窄的谱线，但光源亮度一般比较小。这种光源不适合照明工程，但可做成各种形状的彩色弯管，在实验室中主要用于进行微量元素分析和研究光谱的超精细结构。

4）汞灯：

即水银灯，是利用水银蒸气放电发光制作成的灯。汞灯的光学特性强烈地依赖于灯在某工作温度下水银蒸气压的大小及灯的工作条件和结构特点。按蒸气压的大小和发光特性，汞灯可分为高压汞灯、超高压汞灯、低压汞灯等。高压汞灯不仅可用于照明，还可用于保健日光浴、化学合成、荧光分析等。其发光光谱在可见光和紫外光谱中均有辐射，其中可见光约占总辐射能的37%。高压汞灯的发光效率高，发光体积小，但光色缺乏红色成分，偏蓝绿，因此被照物体不能呈现本色，但可采用在灯壳内壁涂荧光粉等措施弥补。超高压汞灯的汞气压更高，也更亮。低压汞灯的水银蒸气压一般为0.8Pa，低压汞灯的发光光谱主要是紫外辐射。低压汞灯有两类，一类是热阴极弧光放电型，另一类是冷阴极辉光放电型。热阴极弧光放电型的灯壳内壁涂有荧光物质薄层，以吸收汞气的紫外辐射并将其转换成所需波段的辐射。低压汞灯最常用于照明，如日光灯，也常制成诱虫用的黑光灯。冷阴极汞气辉光灯主要用作紫外光源，若在灯管中充入能发彩色光的气体，可做成霓虹灯。其灯管一般为“U”形或直线形，两端各放一冷阴极，极间有电势差。

5）钠灯：

即钠蒸气放电灯，放电过程与汞蒸气相似。根据蒸气压的大小，钠灯分为低压钠灯和高压钠灯。低压钠灯大部分的辐射集中在可见光谱区的共振线上。钠灯一般制成“U”形，以延长电弧，提高效率。小功率的低压钠灯主要用于光谱仪器，可作为偏振计和旋光计等单色光源。40W以上的低压钠灯主要用于照明，但显色性差，在其照明下难以区分为黄色和白色，以及蓝色和红色。高压钠灯的谱线在可见光谱区比低压钠灯更丰富。高压钠灯的钠气压在（2.7~3.3）×104Pa时光效率最高，这时光呈金白色；当气压提高到6.7×104Pa时，光为白色，但此时光效率有所下降。高压钠灯依靠其中的惰性气体启动。灯中还充有一定量的汞蒸气，目的是提高发光效率，减少热损耗，并改善灯的颜色。高压钠灯的体积很小，功率密度和亮度都很高，且紫外辐射少，因而非常适用于高亮度、高效率的照明场所。

6）金属卤化物灯：

金属卤化物中，以碘化物性能最为优越，应用也最广泛。金属卤化物有两个很好的特性：一是金属卤化物的蒸气压一般比金属本身的蒸气压高；二是除金属氟化物外，其他金属卤化物都不与石英玻璃发生明显的化学反应。金属卤化物灯按光谱特征大致分为四类：一是选择几种发射强线谱的金属卤化物加在一起，获得白色光源，碘化钠-碘化铊-碘化铟灯为典型的代表。此种灯的光效率高，光色好，可用于街道和室内照明。二是利用在可见区能发射大量密集谱线的金属，得到类似日光的白光，碘化镝-碘化铊灯为典型的代表。此种灯显色性较好，光效率较高，也是很好的照明光源。三是利用高气压的金属蒸气放电，或用分子发光产生连续辐射获得日光色的光，如超高压铟灯和氯化锡灯。超高压铟灯的光效率高、尺寸小、光色好，适合用作显微投影和电影放映用光源。氯化锡灯的光谱曲线与日光几乎重合，适用于室内外照明、印刷、摄影等。四是利用有很强共振辐射的金属产生的光。使用金属卤化物可以较方便地得到所需要的光谱辐射。如用碘化铟、碘化铊、碘化锂可做成蓝、绿、红三种颜色的灯，这些灯光色的特点是纯度很好，是极好的装饰和特殊照明光源。

7）氙灯：

氙灯的电极一般用钡钨、钍钨、铈钨等耐离子轰击材料制成，灯管由石英玻璃制成，内充有氙气。按电弧的长短分为长弧氙灯与短弧氙灯，按冷却方式分为自然冷却、风冷、水冷等。有“小太阳”之称的长弧氙灯适合于广场、码头等大面积照明区域，还可用于布匹颜色检验、光化学反应等。水冷式的长弧氙灯亮度高，体积小，很大一部分红外线被水吸收，可作为复印机等的光源。与长弧氙灯相比，短弧氙灯中氙的浓度更高，电离度更大，因而光谱更趋于连续。短弧氙灯工作时氙气压极高，又被称为超高压氙灯。短弧氙灯极间距很短，是亮度极高的点光源，且启动时间短，光源光色好。小功率短弧氙灯可用于各种光学仪器，如用于电影放映。

8）氪灯：

氪灯一般由圆形石英玻璃管制成，内充氪气，两端封入尖端形阴极和圆柱形阳极，电极采用电子发射率高、熔点高且不容易溅射的钍钨或钡钨材料制成。氪灯工作于弧光放电状态。氪灯内气压很高，其着火和触发电压都很高。着火电压是正常触发强度（即电压和功率）的情况下，使灯点亮时需要加在灯上的最低直流电压，作用是在灯中产生一些离子。着火电压和触发强度的大小与充气气压、灯本身结构、气体纯度等有关，但着火电压低于其最低值，触发电压再高也不能点亮灯。可采用预燃法点亮氪灯：在着火和触发电压作用的同时，还需一个辅助高压，使氪灯产生一个小放电沟道，电流在几十到几百毫安之间。氪灯的辐射光谱，呈现强烈的线状光谱，连续谱区的峰值强度比线光谱小几个数量级，原因是氪灯在连续运行时电流密度较低。

9）脉冲灯：

脉冲灯是除激光器之外最亮的光源，广泛用于摄影光源和激光器的光泵，并可作为印刷制版光源。脉冲灯内的放电气体大都是惰性气体。在可见和紫外光谱区，各种惰性气体脉冲灯的连续光谱占优势，在红外区有较强的线状光谱。与短弧氙灯、高压汞灯等连续发光光源不同，脉冲灯能在极短的时间内发出很强的光。脉冲灯依靠贮能电容器的充放电提供能量。电容器中储存的大量能量在极短的时间内通过脉冲灯放出，而产生极强的闪光。在激光技术中，脉冲氙灯是常用的泵浦光源。

10）原子光谱灯：

又称空心阴极灯的原子光谱灯，发射的主要是阴极金属的原子光谱。由于谱线不仅强度大而且线宽很小，稳定性很高，因而广泛应用于元素的光谱分析，如微量元素的光谱分析。

（4）激发光源：

激发光源对光动力疗法的影响主要与激光器的输出波长、工作方式和输出模式等参数有关。

1）波长与光子激发能量：

光的波长不同，每个光子所含的能量也不同，频率越高波长越短，光子所含的能量也越大。在光敏化体系中，光的发射、吸收和透射过程都是以整数个光子进行的。一个光敏剂分子吸收一个光子被激发到单光子能量比基态高的激发态。因此单光子能量必须大于光敏剂单重态的能量，才能激发一个光敏剂分子形成单重激发态。在大多数情况下，光子的能量不能恰好与光敏剂分子的第一单重态能量相匹配，最先产生的激发态往往是振动能级较高的单重态。第二单重态再通过转换途径退激到第一单重态并释放部分能量。就激发光子能量而言，在光动力疗法中使用的激发光波长不能太长。理论上激发光的波长应在1 000nm以下。即使光敏剂对波长大于1 000nm的光有强吸收，但由于光敏剂的第一激发单重态的能量较低，相应三重态的能量就会更低，如果低于1O₂的能量，就不能将能量传给基态氧。

2）波长与光敏剂的作用光谱：

为了产生最大的光动力效应，所选择的光动力疗法光源应按照最佳匹配原则，即使激发光波长与光敏剂的吸收光谱有最大限度的重叠。但是光敏剂的吸收光谱在不同的条件下会有很大变化，在均相有机溶剂中测定得到的吸收光谱不能很好地代表光敏剂在细胞内的吸收光谱。光敏剂的作用光谱表示不同激发光波长对光敏剂产生某一特定生物效应的激发效率。它以产生某效应所需要入射光指数的倒数对波长的曲线来表示，作用光谱的峰代表最有效的波长，表示在这些波长只需要较少的入射光子就能产生这种效应。光敏剂在产生不同的生物效应时会有不同的作用光谱。因此，在叙述作用光谱时，必须说明是什么生物机体、什么效应和什么条件。根据光敏剂的作用光谱来选择激发光源更容易得到理想的治疗效果。

3）波长与光动力疗法的作用深度：

光动力疗法的作用深度与激发光波长有关。医学上常用光穿透深度来描述生物组织的光透射性。激发光对软组织的穿透深度大致可分为三个波段。

浅穿透波段：

属于软组织强吸收、低散射波段，波长范围为紫外光和红外光区，其反射率仅为4%~5%，几乎全部光都能被软组织吸收。此波段对软组织作用范围浅而窄。

中穿透波段：

软组织对此波段光的吸收与散射大致相当，波长范围为450~590nm。光窗中波长在1 000nm以上的红外光所含光子能量低，不能有效激发光敏反应，因此光动力疗法主要采用中穿透波段光和第一光窗中600~800nm波段光。在450~800nm的波段，光穿透深度随波长而增加。组织光穿透深度随波长变化的趋势：在450~550nm波段，组织光穿透深度随波长增加的幅度较小；在550~650nm波段，组织光穿透深度随波长急剧增加；在650~800nm的波段，组织光穿透深度随波长增加的幅度减小。400nm波长的穿透深度约1mm；514nm波长的穿透深度0.5~2mm；630nm波长的穿透深度1~6mm；700nm波长的穿透深度最大可接近8mm；800nm波长的穿透深度最大可达10mm。

深穿透波段：

属于软组织强散射、低吸收波段，散射系数比吸系数大2个数量级，称为软组织低光学吸收窗口，简称光窗。第一光窗的波段为600~1 300nm，是由于组织吸收体的电子跃迁弱和水吸收不强所致。第二光窗的波段为1 600~1 800nm，是由于水吸收弱。光窗波段激光是作用软组织最深的波段，其中近红外光能透过10mm的软组织。

4）工作方式：

激光器有脉冲输出、连续输出、巨脉冲输出和超短脉冲输出等工作方式，光动力疗法中使用前两种工作方式的激光器。多数学者认为，工作方式对光动力激发效率没有很显著的影响。目前在临床光动力疗法中应用的连续输出的激光器有氩离子泵浦染料激光器和氩离子激光器等，脉冲输出的激光器有铜蒸气激光器、金蒸气激光器、铜蒸气泵浦染料激光器等。

5）输出模式：

激光器有单纵模、多纵模、单横模和多横模四种工作模式。目前在光动力疗法中常用的几种激光器都是多横模模式，其激光器输出的光斑由多个光点组成，中间最亮，外周较弱。这种光斑的光强分布不均，在治疗中要注意调整照射部位，以保证组织光敏损伤的均匀性。

（5）光动力光源具备的特点：

光源的选择需要基于光敏剂的吸收性（包括荧光和作用光谱）、病灶情况（包括位置大小组织特性和可及性）、费用等。为得到理想的治疗效果，光动力疗法光源应具备的特点有：光源所产生的光波长处于正常组织不能吸收的范围，对正常组织不会造成影响；该波长的光波能最大限度地被光敏剂吸收，以达到充分激活光敏剂的目的；可产生较高的输出功率，保证组织的穿透能力，为光化学反应提供所需的能量；体积小，安装操作和维护简单，智能集成，并且环保；具有较强的系统稳定性，长久使用不会出现波长漂移或功率衰减；直接输出或经耦合光传输系统输出的光斑能量分布均匀。但是并没有哪一种光源能适应所有的光动力疗法适应证。

（6）光源波长与光敏剂的作用光谱：

光源首先应具有与光敏剂和靶组织光动力学特性相匹配的发射光谱和输出功率，其发射光谱的确定是兼顾光敏剂吸收率和激活率及光对靶组织的穿透率后的优化选择。为了达到最佳的光动力效应，选择光源时应使其激发光波长与光敏吸收光谱最大限度地重叠。

光敏剂的作用光谱指激发光产生光动力效应的波长范围，作用光谱的峰代表最有效的波长，表示在此波长只需要较少的入射光子就能产生光动力效应。此光谱应能在生物组织的生物光学窗口呈现高吸收率和高激活率，而在日光光谱的强辐射波段呈现低激活率或低吸收率，以获得较大的光动力杀伤深度和较小的皮肤不良反应发生率。当前常见的光敏剂中，卟啉类的作用光谱位于红光区低段（630~640nm），二氢卟吩类的作用光谱位于红光区中低段（650~660nm），酞菁类的作用光谱位于红光区中高段（670~680nm），苯并卟啉类的作用光谱位于红光区高段（690~700nm）。

3.肿瘤光动力光源的主要类型

历史上曾将白炽灯和卤素灯用于局部光动力疗法，通过光学滤波器选择发出适当的波长。但因为其能量转换率较低，发热过高，导致滤波器寿命较短，目前已经很少应用，仅在一些体外研究或临床前实验中出现。拥有较宽光谱的非相干光或相干光源都可以与光敏剂的最理想吸收峰匹配。

（1）滤光灯光源：

在早期的光动力实践和临床研究中，维护简单、制作容易、价格便宜且大功率的滤光灯曾经是主要光源。滤光灯照射面积较大，通过光导管发出较大的光斑，适合用于较大面积的病灶，但是由于无法与光纤耦合从而进入内镜，因此仅限于表面或皮肤疾病的光动力疗法治疗。与激光相比，其光谱较宽，因此常与窄带、短传、长传滤光片结合使用。窄带滤光片可以选择发射10nm内的光，短传滤光片可以遮挡由灯丝发出的能导致治疗区域发热或能损坏灯具光学器件的红外光，长传滤光片可以帮助遮挡紫外光。

1）钨丝石英卤素灯：

钨丝石英卤素灯是向石英泡壳中加入钨丝灯丝，冲入氩气并添加微量卤素气体，是常见的白炽灯。当灯泡内钨丝的温度升到一定程度时，可发射从紫外到近红外波段的光，其总能量比较高。有学者将其引入光动力疗法，他们使用幻灯机的灯泡通过滤光片来照射实验动物。这类灯的作用光谱可以在350~850nm较宽的光谱波段，主要用于局部5-氨基酮戊酸光动力疗法（5-aminolevulinic acid photodynamic therapy，ALA-PDT）治疗方案，其最大吸收峰在635nm。

2）氙弧灯：

氙弧灯通过灯泡中氙蒸气里的电极所产生的电弧放电发光，其光谱较宽在300~1 200nm，在整个可见光谱区有基本连续和均匀的频谱。色温接近太阳光，可获得比较高功率的输出。通过在输出端结合窄带带通滤光片，能剔除红外光，防止产生热源。此类灯主要用于实验室，但也曾应用于临床中，主要用于非黑色素瘤性皮肤癌或其他皮肤病的光动力疗法治疗。

3）金属卤化物灯：

金属卤化物灯由汞和金属卤化蒸气组成，利用电弧放电发光，可产生一个较宽的发射光谱，这是由多条谱线重叠组成的近似连续的光谱，最终的发射光波长取决于灯泡内充盈的气体。金属卤化物灯是一种典型的用于光动力疗法的宽频带光源，通过滤光片可以选择发射590~720nm的光，治疗病灶的直径可达20cm，可以治疗非黑色素瘤性皮肤癌、外阴上皮内瘤变等，但这类灯只能用于直接照射。

4）荧光灯：

目前大多数光动力光源的荧光灯在400~450nm波段内，光的穿透深度非常表浅，仅限用于治疗浅表皮肤疾病。

（2）激光光源：

激光具有亮度高、单色性好、方向性强、相干性好等特点，能在特定波长上产生高能量的较窄光谱带宽的单色光，激光发出的光束能够聚焦，并能通过光纤传输到靶组织，同时结合各种腔镜、内镜和影像引导设备的使用，使腔内或组织间的照射容易实施，突破了光对人体组织穿透深度的限制，特别适合用于肿瘤治疗，因此激光成了肿瘤光动力疗法的主要光源。

从光动力医学的发展历史来看，临床中只有氩离子泵浦染料激光（argonpuraped dye laser）和磷酸钛氧钾（KTP）泵浦染料激光比较令人满意，这些激光器能与光敏剂的吸收光谱峰值匹配，并可在治疗时间内提供足够的光能量。而且这些激光的主要特性还包括波长可调节，即通过使用不同的染料，取得不同的波长等。这样在进行各种研究时可以配合不同的光敏剂，而不需要花费更多以分开配置。

1）氩离子泵浦染料激光器：

20世纪70年代晚期到80年代早期，氩离子泵浦染料激光器曾大量应用于临床的光动力诊疗中。作为早期临床光动力疗法的标准光源，氩离子泵浦染料激光器是以氩离子激光器为泵浦光源的染料激光器，在中国和美国应用非常广泛。这类设备大多体型巨大，通常被固定安装在光学试验盒上。利用其高功率，用户可以通过光束分配器将主光束分割为多个子光束，通过多路光纤传导到不同的治疗区域，或者在较大的腔体器官中多点照射以达到光剂量均匀的目的。虽然体积庞大、笨重并且操作烦琐，但是大型氩离子泵浦染料激光器能胜任光动力疗法的要求，它们可以提供必要的能量并具备灵活性，特别是在早期研究中，常常需要使用单个或多个光纤输出不同功率用于测定光剂量。1995年美国研制的氩离子泵浦染料激光器获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准上市这是FDA批准的第一个可用于肿瘤治疗的光动力光源。

泵浦光源的氩离子激光器是一种惰性气体激光器，利用气体放电使氩原子电离并激发，输出可见连续激光，主要波长为488nm（蓝光）和514.5nm（绿光）。氩离子激光器的输出功率随放电电流密度的增大而迅速增长，最大功率可达到一百多瓦，是目前在可见光区连续输出功率最高的激光器。染料激光器是以有机染料为激活物质，溶于甲醇或水的激光器，主要组成部分是染料池、泵浦光源、谐振腔和波长调谐器。其特点是激光波长在很宽的范围内连续可调，激光谱线宽度窄。利用氩离子激光器的几条激光谱线，氩离子泵浦染料激光器大致可以激发出可见光的全部光谱区的连续染料激光，目前可以在630nm波长激发连续波，谱线宽度可达10-5nm量级，是一种窄带宽、高功率、宽调谐范围的激光。氩离子发出的光斑直径很小，氩离子可在其光束中传输很高的能量，通过泵浦后的输出光功率密度为10~500mW/cm2。

2）金属蒸气激光器：

金属蒸气激光器可满足临床光动力疗法或科学研究的需求。迄今为止，欧洲的研究者们仍喜欢使用这类激光，其光斑较大，可以用于治疗较大的病灶，如皮肤，而不需要使用光束扩展器。这种激光器也能耦合到光纤，通过内镜用于头颈部肿瘤、口腔癌前病变、肺癌、食管癌、膀胱癌等的治疗。

金属蒸气激光器的工作物质是金或铜蒸气，只能以脉冲方式工作，主要包括金、铜蒸气激光器。其原理是将激光管内的金属或者金属化合物在减压的情况下加热到汽化，之后将高压脉冲加到管内进行激发，即让电子通过气体介质并碰撞气体粒子，将其激发到高能级并形成激光束。相比氩离子泵浦染料激光器或铜蒸气激光器，金蒸气激光器最明显的优势是不需要耦合染料激光器即可生成激发光敏剂所需的输出波长。但金蒸气激光器需要定期补充黄金以维持输出功率，使用成本较高。铜蒸气激光维护成本相对低，但由于可发出511nm和578nm两个波长的可见光，需要连接—个染料激光模块才能保证最终产生红光。

金/铜蒸气激光器在一定程度上可以移动，存在一些缺点，如需较长的预热时间和冷却时间，在临床使用时设置较烦琐；为使金属汽化，必须具备使金属变为蒸气的电热装置，为获得足够的蒸气压，电热装置的温度往往高达上千摄氏度，因此这类激光器工作温度很高，存在严重的工艺问题。金属蒸气激光器还有一个重要问题，就是其脉冲的工作方式。在光动力疗法中，连续波和脉冲波的光传输效率不同，脉冲波的组织穿透性随着能量的增加而增大，在具有相同的能量时，脉冲液的组织穿透性远大于连续波。但由于光敏剂对脉冲波的吸收比连续波少、脉冲波对肿瘤周围正常组织的破坏比连续波严重及脉冲波容易导致局部肿瘤组织的汽化等因素，脉冲激光治疗的复发率高于连续激光。

3）KTP或KTP/YAG染料激光器：

20世纪80年代一个很重要的进步就是磷酸钛氧钾（KTP）和脉冲掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）激光代替了氩离子激光，它解决了水冷、可靠性等问题。KTP或KTP/YAG染料激光器就是以KTP或KTP/YAG激光器为泵浦光源的染料激光器，缺点是比较笨重、成本高昂和使用维护不方便。1995年美国研制的KTP激光综合治疗系统获得美国FDA批准上市。作为泵浦光源的KTP或KTP/YAG激光器是使用较广的固体激光器，工作物质都是金属离子，其浓度比气体大，因而可以获得较大激光输出，但固体热效应严重，连续输出功率不如气体激光器高。

相对其他光动力疗法的光源，该系统的主要优势是：尽管也受到大小、重量和水冷要求限制，但其具有可携带性；内置一个控制面板并带有转盘调谐器，具有可调谐性；易用性。染料激光器和KTP激光系统都能自由移动。

4）氦氖激光器：

氦氖（He-Ne）激光器也是最早研制成功的气体激光器，属于中性原子气体激光器［6］。受激辐射跃迁将产生不同波长的激光，氦氖激光器的常规输出激光波长有632.8nm、543nm等，其中在光动力疗法中最常用的是632.8nm，可连续输出。与其他激光相比，氦氖激光器的主要特点为：发散角仅为104弧度数量级，因此方向性好；谱线宽度窄，单色性好；相干性好；应用广泛。氦氖激光器由工作物质氦氖气体、激发电源及谐振腔构成。工作气体被储存在放电管中，谐振腔主要是用于维持光振荡，增大光强，选择激光束的方向，选择光频及提供激光输出通道。在激发电源释放的电子流的激励下，工作气体发生非弹性碰撞，使电子跃迁，从而放出光子。其中产生激光跃迁的工作气体是氖气，氦气是辅助气体，用以提高氖原子的泵浦效率。

氦氖激光输出功率随总气压的变化有一个极大值。当气压较低时，输出功率随气压的增大而增大，逐渐达到极大值，继续增大气压，输出功率反而下降。此外，输出功率还随着放电管长度的增加而增大。在使用或存放一段时间后，其输出功率也会逐渐降低。由于输出功率的局限，氦氖激光器在光动力疗法治疗肿瘤中的应用一直受到限制。近年中国科学家提出采用扁平放电管技术设计制造氢氖激光管，可适当增加放电管的横向截面而明显提高激光器的激光输出功率，从而获得较大功率氦气激光输出。

5）半导体激光器：

2000年以后，半导体激光逐渐成为光动力疗法的主要光源。半导体激光器以其体积小、重量轻、高功率、易安装等优点开辟了激光医学发展的新纪元。它也可高效地耦合到光纤，进行腔道内照射。其单色性可以最大效率地活化光敏剂。随着半导体技术的发展，英国率先制造了全球第一台光动力半导体激光器。1999年这种激光器获得美国FDA、欧盟批准之后，在全球几十个国家得到广泛的应用和好评。

半导体激光器是以半导体材料作为工作物质的一类激光器，常用材料有砷化镓、硫化锅、磷化钢、硫化锌等。半导体激光在长时间工作状态下能保证稳定地输出，其发射的光束可以有效地耦合到小直径的光纤中。目前商品化的半导体激光都带有标准的超小型A光纤接口，并内置了配合特殊光纤芯径和数字孔径的光学元件。半导体激光器的主要特点是发射波长范围较宽；通过改变材料的工作温度，可以很容易地对半导体激光器进行调谐；不同种类的半导体材料输出功率差别较大，其中连续输出从数百毫瓦到上百瓦。半导体激光器最大的缺点是激光谱线宽，激光性能受温度影响大，光束的发散角较大，所以在单色性、方向性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，其性能在不断提高。

1999年，Diomed公司制造的光动力半导体激光器被美国FDA批准用于治疗支气管肺癌和食管癌。这种光动力半导体激光器不需要像过去的光动力激光系统那样进行光学配置，系统体积紧凑，使用民用电源，空气冷却系统，重量更轻以便于移动，并且操作简单，可通过内置的简单操作的人机界面帮助用户设定治疗参数，这些设定基于已批准的一些适应证。在用户模式下，还可以供用户自由设定参数。这个集新生代激光器的优点于一身的系统，进入医疗领域并带来光动力疗法显著的技术进步，现在仍是全球范围内肿瘤光动力临床治疗和科学研究的主要设备。

（3）新型光动力光源：

近年来，潜在的可以应用于光动力疗法的光源有多波长半导体激光系统，采用可更换模块来变更波长，而不需要整体更换电源和控制系统，从而适应多种光敏剂的应用，还有可适形设置或可光纤输出的发光二极管（LED）阵列、LED等新技术。

1）双光子光源：

为了更好地提升光动力效应，目前已开始研究使用双光子激发光敏剂来产生单态氧的新方法，有望替代传统单光子激发光敏剂，这种方法可以在近红外波段通过快速的高通量激光脉冲产生两个带相同能量的光子，同时被一个发色团吸收，跃迁到第一激发态，进而产生激发三重态的光敏剂分子，并与基态氧发生能量转移产生1O₂。

双光子吸收的主要优点：

可利用近红外光源作为治疗光源，双光子吸收的波长大于650nm，对肿瘤组织的穿透力强，可以有效提高光动力的治疗深度；双光子吸收过程中，电子跃迁概率与辐照光强的平方成正比，此过程具有高度的三维空间选择性，因脱离焦点后吸收迅速消失，可有效避免目前临床用光敏剂的滞后光毒性，易于实现对所治疗靶位的精确定位，减少对病灶周围正常组织的损伤；在生物组织中双光子吸收的背景极其弱，可用于肿瘤荧光成像。

高功率飞秒激光的应用有助于双光子光动力疗法的实现。此前，飞秒激光主要应用于双光子显微镜和光谱显微镜等研究领域。飞秒激光能在很短的脉冲时间内发出巨大数量的光子，这些光子可以聚集在很小的体积里，并创造出产生双光子吸收所需要的较高的光功率密度。双光子激发可在组织和活体中实现，双光子光动力也可被应用于血管性疾病的治疗中。

也有非线性光学方法增强光动力疗法效果的报道，该方法与双光子激发技术相结合，具有分辨率高、组织穿透性深、选择性高、辐射阈值低等多个优点，为光动力疗法的发展开拓了新的方向。

2）发光二极管（light-emitting diode，LED）光源：

LED是固体半导体材料，作为一种新兴的光学元件，通过电致发光过程产生光，具有光束集中、功耗低、发热低、亮度高、安全、寿命长、维护简便、体积小等特点［7］。由于LED光源具有很窄的光谱带宽和很高的光剂量，特别是很容易用于表面照射，已成为光动力疗法的可行性光源，早已开始应用于皮肤肿瘤或非肿瘤疾病和口腔黏膜恶性肿瘤的光动力疗法治疗，也可以用于其他肿瘤的光动力疗法治疗。只有肿瘤浸润深度小于3mm的病灶是适合LED治疗的。对于浅表病灶的照射，LED阵列可用于大面积区域的表面照射，其可以在对光的穿透深度要求不高时用于激活局部的光敏剂。对于脑瘤的术中照射，可以将LED探头整合到一个细小的柱状的球囊导管中，放置到治疗部位进行照射。对于实体瘤的组织间照射，使用一种用电池驱动的、由柔软可弯曲的线性阵列的LED探头组成的治疗头，可以经皮置入病变部位深处，按治疗计划进行间断照射。LED也可实现同一台设备给多例患者设置不同的参数同时进行治疗的可能。由于LED容易组装，很多研究者都选择自己组装LED光源用于研究。

与半导体激光相比，LED主要的特性是易于针对不同照射形状来安装LED阵列，且造价低廉。LED可在特定波长产生较高能量的光，其发出的光可以以最大的发射效率垂直照射于表面，并可组合安装成不同尺寸和形状以适应治疗的需要，其发射波长可覆盖从350nm的长波紫外线到1 100nm的近红外线。

三、光敏剂

光敏剂（photosensitizer）是指能够引起光化学反应，吸收光子而被激发，将吸收的光能传递给另一组分的分子，使其被激发而本身回到基态的一种物质［8-9］。光敏物质的种类繁多，但理想的光敏剂应该满足无毒、化学性质纯、肿瘤选择性高、单态氧产额高、光动力作用强、体内清除快、生产工艺简便、价格低廉等复杂的要求。迄今所知的各种光敏剂也只能大致具备较多的优点而已。

在理论上，光敏剂在反应过程中反复循环地传递能量，本身并不因化学反应而被消耗破坏，起着类似催化剂的作用。但实际上它或多或少会与单态氧或其他活性很强的光动力产物发生反应，发生一定程度的分解或破坏，所以随着光照时间的延长，光斑区生物组织中的光敏剂浓度将逐渐降低，光敏反应的强度也随光照时间的推移而逐渐减弱，这种现象称为光漂白（photobleaching）。不同光敏剂的光漂白特性可有很大差异，甚至影响临床疗效。在临床治疗工作中，光漂白作用可能削弱光动力疗法对肿瘤细胞的杀伤作用，产生不利的影响；但也可能减轻光动力疗法对正常组织的损伤作用，对机体起到保护作用。

自Oscar Rabb发现吖啶可以在光照下杀死草履虫以后，1903年von Trapperiner和Jesionek实验了用曙红处理肿瘤并进行光照，1905年他们又使用不同的光敏剂和两种光源——日光灯和碳弧灯，将药涂或注射在病灶处或周围表面，发现此方法对于治疗基底细胞瘤很有帮助。1924年，法国的Policard观察到肿瘤内天然卟啉的荧光，指出卟啉可以和癌组织结合。1942年，德国Auler和Banzer指出，肿瘤可以因光致死。1948年，美国Figge等报道，血卟啉及其锌络合物可以吸附在鼠的癌和肉瘤内，发出很强的荧光。直到1960年Lipson等将血卟啉用于癌症的光疗，开始了第一代光敏剂的研究和应用。

自100年前染料光敏剂问世以来，人们已探索过不计其数的光敏剂，从天然光敏剂到实验合成的光敏剂。根据光动力原理，对这些染料的基本要求就是在光和氧同时存在的条件下，能催化产出单态氧为主的活性氧和/或自由基，是否能用于治疗癌症或其他疾病还要看它们的暗毒性大小、对病灶的亲和能力、代谢速度等因素。这些光敏剂大部分进行过光化学与光物理性质的测定，部分进行过体外抗肿瘤实验甚至Ⅰ期、Ⅱ期或Ⅲ期临床研究，一些光敏剂还被批准上市。文献报道中常常将一些光敏剂按照它们出现时间的早晚，很粗略地分类，没有很严格的界限，也没有鲜明的功能区分，分别称为第一代、第二代、第三代光敏剂。但是不意味着新一代的光敏剂一定优于早先的光敏剂。

第一代光敏剂多指20世纪70年代和80年代初研究发现的卟啉类光敏剂，包括血卟啉（hematoporphyrin，Hp）、血卟啉衍生物（hematoporphyrin derivative，HpD），还包括亚甲蓝、蒽醌磺酸、吖啶橙、荧光素、光敏素，以及20世纪80年代由上海第二军医大学开发出的对多种癌症和鲜红斑痣有很好的疗效癌光啉（PsD007）。学者们发现，卟啉在新生组织中呈现相对动态优势浓集，在一定波长光激发下产生红色特征荧光。从20世纪中期，研究转向了血卟啉及血卟啉衍生物的肿瘤荧光定位。正是对血卟啉和血卟啉衍生物在特定组织中的物理、化学和生物学行为认识不断积累的基础上发展起来的肿瘤荧光定位诊断，为以后光动力疗法的问世打下了良好的基础。根据科学家多年来对血卟啉衍生物的研究发现，第一代光敏剂有很多的缺点，如：成分复杂；质量标准难以控制；活性较好，但选择性差，在正常细胞中可停留6周以上，患者皮肤要避免强光照射。它的优点是容易生产，且最早被批准用于临床。

第二代光敏剂指20世纪80年代后期研发的卟啉衍生物或一些化学合成的光敏剂。20世纪80年代初期就开始了改进光敏剂的研究，临床和研究对光敏剂提出了新的要求：在可见光红光区有较强的吸收，吸收波长大于650nm，这个波长的激光穿透较深，使较深位置的癌组织内的光敏剂也可以被激活，使治疗深度加大；具有较高的三线态量子产率，这样才能将能量传递给分子氧；单态氧的量子产率要高；低暗毒性；对癌组织的选择性要高于正常组织，特别是皮肤组织；化合物结构明确，性能稳定；光敏剂的药物动力学特点应在组织内代谢快，能快速被癌组织吸收，又能快速从体内清除，因此最好具有脂水兼容性；成本低、容易合成、原料容易获得；光敏剂成分需单一，能够让医生很容易掌握剂量和疗效之间的关系，确立光照间隔、波长、总能量、使用连续照射还是周期循环照射等治疗方案；光敏剂都是固体的，为了注射必须制成液体状态，两亲性和极性分子可溶在极性溶剂中，如缓冲液，乙醇-水-寡聚乙二醇，而疏水光敏剂可借助于磷脂的脂质体，或血浆脂蛋白，或油质的乳液制成可溶于水的制剂；光敏剂应具有极小的毒性或无毒性，大部分卟啉分子符合这个要求，但往往有一些不足；还要求化合物足够稳定，合成路线短，简单，产率高；作为诊断试剂，要求光敏剂的荧光量子产率高，三线态寿命和能量足够高，如苯并卟啉衍生物（benzoporphyrin derivative，BPD）、5-氨基酮戊酸（5-aminolevulinic acid，ALA）、血卟啉单甲醚（HMME）、竹红菌素（hypocrelins）。

第三代光敏剂是指某些经过进一步加工形成的光敏剂，如抗体结合的光敏剂、某些生物活性物质结合的光敏剂等。

迄今研究发现可用于疾病光动力疗法治疗的光敏剂，大体上分为三大类：①卟啉衍生物类，比较有代表性的有血卟啉、血卟啉衍生物及其较纯化的制剂光敏素、维替泊芬，以及外源性ALA产生的内源性光敏剂原卟啉Ⅸ（pro-toporphyrin Ⅸ）等；②叶绿素衍生物类，较有代表性的有来自二氢卟吩的四间羟苯基二氢卟吩（m-THPC）、他拉泊芬钠（NPe6）、来自红紫素的锡红紫素（SnET2）、来自某些细菌或藻类叶绿素（bacteriochlorin）的MTHPBC等；③合成化合物类，如酞菁（phthalocyanines）和萘酞菁（naphthalocyanines）等的衍生物。

1.血卟啉

天然血卟啉很难获得纯化合物。1841年，Scherer用浓硫酸处理干血粉得到发亮的有颜色的产物，并且不含铁，这是第一次发现血液的颜色并非由铁引起。1867年，Thudichum给出详细的分离提纯过程，给出产物“cruentine”，观察到它的吸收和荧光。1871年，Hoppe-Seyler给出另一个名字——血卟啉。卟啉的亮红紫色溶液最大吸收波长大约在400nm，在可见光谱区还有4个小的吸收带，位于500~650nm。

2.血卟啉衍生物

迄今研究得最详细、应用历史最长并在临床上最通用的光敏剂是血卟啉衍生物。20世纪60年代初，美国学者Lipson等及随后的Schwartz发现纯化血卟啉的方法，即在室温下用含5%硫酸的醋酸处理血卟啉15分钟，得到黑色固体，其为血卟啉衍生物第一步产物（HpD stage Ⅰ），然后用碱处理，再用盐酸中和到pH 7.4，就得到可以药用的产物（HpD stage Ⅱ）。血卟啉衍生物是一种比较复杂的混合物，含有多种血卟啉的衍生物，如血卟啉、次卟啉、羟乙基次卟啉、原卟啉、尿卟啉、粪卟啉等，并以单体、二聚体或寡聚体的混合形式存在。注射后可有效地分布在癌组织内，用紫外光照射，可观察到红色荧光，此间主要用它对癌症进行诊断，到20世纪90年代用卟啉作为荧光剂。在1972年Diamond等利用光动力疗法治疗大鼠皮下移植瘤，才清楚阐明了用这种方法可以杀死肿瘤。

血卟啉衍生物其中之一的商品制剂是光敏素Ⅰ，国内常译为光卟啉Ⅰ。Dougherty用超滤法制得的产品定名为光敏素Ⅱ，1993年由加拿大QuadraLogic Technologies（QLT光疗公司）正式投产，现已转由Axcan公司生产，商品名为卟吩姆钠（Porfimer Sodium），其临床静脉用药的常用量为2~2.5mg/kg，相当于光敏素Ⅰ用量的一半。光敏素Ⅱ对可见光有5个吸收峰，其中630nm处的吸收峰最低。但由于这5个吸收峰中，630nm波长的红光对人体组织穿透最深，且不被红细胞的血红蛋白吸收，故临床治疗工作中多采用630nm波长的红光进行照射。现在，Axcan公司生产的光敏素Ⅱ与英国Diomed公司生产的630nm半导体激光器，已获得美国FDA及欧洲、美洲、亚洲十多个国家的批准，分别可用于食管癌、支气管癌、宫颈癌、膀胱癌等恶性肿瘤的常规治疗。美国生产的血卟啉衍生物商品名称为Photofrin，也就是光敏素，还有几个国家都生产过，如德国的Photosan，俄国的Photogem，比利时的Haematodrex和我国的Photocarcinorin。其后在很多实验室，利用血卟啉衍生物和商业产品光敏素治疗消化系统肿瘤、膀胱肿瘤、妇科肿瘤、皮肤癌、肺癌等。1993年加拿大正式批准用其治疗膀胱乳头状瘤。随后日本批准用于治疗肺、食管、胃、宫颈等器官或部位的肿瘤；美国批准用于治疗食管癌；荷兰批准治疗肺癌、宫颈癌；法国批准治疗食管癌、膀胱癌等。

血卟啉衍生物进入人体后，在肝、肺、脾、肾上腺等器官内的浓度最高，肿瘤组织也摄取血卟啉衍生物，但许多研究证明，其主要分布在肿瘤的血管间质中，肿瘤实质细胞所摄取的血卟啉衍生物并不多。目前多数认为，正常组织能将摄取的血卟啉衍生物较快清除，而肿瘤组织常因其pH较低、血管通透性增高，较有利于光敏剂的积聚，而淋巴引流很差，又使其清除缓慢，从而在静脉注射后1~2日时，肿瘤组织与周围正常组织所含的血卟啉衍生物形成显著的浓度差。临床医师大多选择此时用光照射肿瘤部位，认为有利于破坏肿瘤组织而较少影响周围的正常组织。

血卟啉衍生物毒性低微，但在人体内存留时间较长，患者的皮肤受到强光照射可引起光毒反应，出现红斑、水肿、水疱甚至坏死，故患者一般需要避免日光或强光照射1个月；但室内较柔和的灯光可无大碍。血卟啉衍生物不经过体内代谢分解而以原形排出体外，随胆汁和粪便排出是其主要的清除途径。

实验研究与临床实践都已证明了血卟啉衍生物介导的光动力疗法治疗肿瘤的有效性，但其仍有不少不足之处。它是一种混合物，其精确的化学组成至今尚未彻底阐明；不同的厂家甚至同一厂家不同批次的产品之间，化学组分都可能出现一些差异；其化学成分的多样性影响到在体内的分布和作用；肿瘤组织对血卟啉衍生物的选择性摄取还不够强，而其在皮肤的长时间存留又使患者必须较长时间避光；临床上为了争取最大的照射深度，常采用波长630nm的红光照射，而其恰恰是400nm、500nm、540nm、570nm、630nm这5个吸收峰中最弱的，为了争取好的疗效，需要采用较大的光敏剂剂量和照光剂量。这些都是明显的不足。为此，寻找更好的新光敏剂很有必要。

3.Photogem

Photogem是俄罗斯的血卟啉衍生物制剂，于1999年获得俄罗斯卫生部的批准。据报道，俄罗斯多家医院治疗肿瘤患者已经超过1 500例，完全反应率62%，早期癌与癌前病变的清除率达92%。

4.5-氨基酮戊酸（ALA）

ALA是体内许多正常细胞内的一种天然物质，是甘氨酸和琥珀酰辅酶A合成血红素过程中的一个中间产物，其本身并无光敏活性，它是人体血红蛋白合成过程中的基本原料。在此过程中，ALA经过若干步骤后，合成其下游产物原卟啉Ⅸ（protoporphyrin Ⅸ，PpⅨ），最终合成亚铁血红素［10-11］。ALA本身并无光敏特性，但原卟啉Ⅸ是一种光敏物质。在亚铁血红素的多步骤合成过程中，ALA的产生是其中最慢的一个步骤。如输入大量外源性的ALA，可加速肿瘤细胞内原卟啉Ⅸ的合成速率，而有些肿瘤细胞内的亚铁螯合酶活性低下，不能将原卟啉Ⅸ迅速与铁螯合形成亚铁血红素，故引起原卟啉Ⅸ的积聚，这些原卟啉Ⅸ便可起到内源性光敏剂的作用，此时以630nm波长的光照射，可引起光动力反应杀伤肿瘤细胞。在系统用药后，由ALA产生的卟啉主要由骨髓和肝脏合成；局部应用时，原卟啉Ⅸ可由所有有核细胞合成。与外源性光敏剂相比，利用过度产生的内源性光敏剂有助于将毒性降到最低，并缩短组织清除的时间。因此，5-氨基酮戊酸光动力疗法（ALA-PDT）的治疗方案被认为是从作用机制到临床治疗上的一大突破，成为20世纪90年代以来光动力疗法领域的研究热点之一。

ALA不易穿透正常皮肤的角质层，但较容易被皮肤肿瘤组织吸收，引起肿瘤细胞内原卟啉Ⅸ的积聚。ALA可以注射、口服或外用局部涂敷使用，毒性低微。ALA-PDT方案因其对肿瘤组织具有较好的选择性，无明显痛苦，无瘢痕形成，不受皮损数目和部位的限制，可重复性治疗等特点，已逐渐成为一种具有应用前景的治疗非黑素性皮肤肿瘤的新选择，尤其对肿瘤发生在特殊部位，多发性、皮损面积大，不宜采用手术、激光等治疗的患者是一种最佳的治疗方法。光动力疗法常在应用ALA后3~6小时实施照光，患者无须避光，且可以在短期内重复治疗。1990年以来，此疗法已经用于治疗皮肤肿瘤、胃肠道癌与癌前病变、口腔及头颈部肿瘤、膀胱癌及光化性角化病、银屑病等非肿瘤性疾病，效果明显。

由于皮肤组织便于使用光敏剂，而且更容易观察临床疗效，因此，ALAPDT主要的应用领域是皮肤科。ALA-PDT既可选择局部亦可选择全身进行治疗，在皮肤科通常主要采用局部治疗。目前研究认为，ALA-PDT可适用于多种非黑色素性皮肤癌、癌前病变及皮肤良性疾病，如原位鳞状细胞癌、浅表的基底细胞癌、光化性角化病、鲍恩病、顽固的病毒疣、银屑病、皮肤的T淋巴细胞瘤和寻常型痤疮、局限性硬皮病、环状肉芽肿等。新近，还有研究将光动力疗法用于皮肤真菌病。当然，除了用于治疗，基于ALA的荧光诊断研究也得到快速发展，目前可实验性用于皮肤癌、膀胱癌、消化系统癌和肺癌的诊断。

目前国外已有ALA制剂Levulan与Metvix可用于临床治疗。Levulan是美国制药公司供应的一种外用溶液，含20%的ALA，现已获得美洲、欧洲等许多国家的批准，可用于光动力疗法治疗一种皮肤的癌前病变光化性角化病和皮肤癌。一种与Levulan配套的蓝光光源也被研发，用于治疗光化性角化病，并已获得美国FDA的批准。有学者认为，ALA-PDT因光的穿透深度有限，很适合于治疗皮肤、口腔、呼吸系统、消化系统等早期癌和癌前病变，但对浸润深的肿瘤的作用不够理想。有人在静脉注射ALA后以白光照射治疗浅表性膀胱复发癌，疗效显著。但不少文献报道ALA-PDT过程中疼痛较显著，是其不足之一。

ALA是水溶性的物质，不易穿透皮肤角质层，将ALA酯化可以克服这一困难。挪威生产的外用霜剂Metvix，含16%的5-氨基酮戊酸甲酯。局部涂敷后，用红光照射治疗皮肤光化性角化病和基底细胞癌，效果很好，已获得许多欧洲国家政府的批准应用。该公司还推出一种ALA制剂Hexvix，经膀胱内灌注后以蓝光照射，可供辅助诊断，确定肿瘤的边界、发现微小的癌灶或癌前病变。该公司还生产了ALA制剂Benzvix，用于食管等消化系统病变的光诊断与光动力疗法。

5.苯并卟啉衍生物（benzoporphyrin derivative，BPD）

苯并卟啉衍生物实际具有与二氢卟吩相似的结构。可以合成高纯度的苯并卟啉衍生物，反应规模可以放大；它既具有与血卟啉衍生物中各成分相似的卟啉母核，又具有与二氢卟吩相似的红光区高吸收系数，因而可被认为是一类发展光动力治癌新药的较理想结构。

其中具有代表性且已广泛深入研究的是苯并卟啉衍生物单酸环A（benzoporphyrin derivative mono-acid ring A，BPD-MA，又称维替泊芬），美国Novartis制药公司生产的制剂商品名为Visudyne。BPD-MA是一种疏水物质，经脂质体包裹可输入体内，组织摄取和清除迅速，一般在注射药物后15~30分钟以690nm波长的光照射进行治疗。BPD-MA是目前唯一被批准应用于临床的第二代光敏剂。其主要作用在微血管，很适合治疗异常的血管性病变，于2000年被美国FDA批准用于肿瘤和视网膜黄斑变性的临床治疗。治疗黄斑变性的疗效优于卟吩姆钠和其他卟啉类光敏剂，还可用于治疗黄斑退化、近视眼、皮肤癌、银屑病、巴雷特（Barrett）食管病等疾病。BPD-MA的优点：最佳照射波长为690nm，能用于治疗位置较深或较大的肿瘤；在靶组织处快速集中，药物静脉注射5分钟后即可进行光照，而不像用血卟啉衍生物那样需要2日等待时间；在正常组织处快速清除，使皮肤光过敏时间缩短为1日，而血卟啉衍生物要持续几周。使用Visudyne的光动力疗法已在60多个国家获得批准，可用于消融脉络膜的新生血管，老年性视网膜黄斑变性的治疗方面，能够阻断或延缓视力下降和失明。也有报道利用其消融新生血管的作用，治疗浆液性脉络膜视网膜病、严重病理性近视并得到明显效果。还有报道将BPD-MA用于光动力疗法治疗脉络膜黑色素瘤，疗效明显。

6.德克萨斯卟啉（Texaphyrin）

作为一种合成的卟啉类化合物，临床上用作磁共振诊断的影像增强剂已有多年［12］。有报道含钆的化合物莫特沙芬钆（motexafin gadolinium）还对肿瘤放射治疗有放射增敏作用。Pharmacyclics公司产品的商品名为Xcytrin。该公司生产的含金属镥的光敏剂Lutetium Texaphyrin有两种制剂：一种称为Optrin，可用于光动力疗法治疗皮肤肿瘤；另一种水溶液的制剂Antrin，静脉注射后与血浆低密度脂蛋白结合，易被动脉粥样硬化斑块中的巨噬细胞和肿瘤细胞摄取，有报道用于消融斑块缓解动脉狭窄和消融眼底脉络膜的新生血管，效果显著。还有报道此药在体内清除迅速，患者耐受良好，未见皮肤光毒反应，但有患者发生皮疹和皮肤感觉异常。此药还可发出750nm的荧光，也有用于肿瘤的光诊断的可能。

7.四间羟苯基二氢卟吩（m-THPC）

四间羟苯基二氢卟吩是疏水性的物质，按推荐，需用聚乙二醇（PEG）、乙醇与水的混合溶剂配制溶液。临床上最初用于治疗恶性间皮瘤，后来扩大到呼吸系统、消化系统、妇科及头颈部肿瘤，均获得显著疗效。此药的光敏作用远远超过血卟啉衍生物，静脉用药剂量为0.15mg/kg，注射后4日以652nm波长的光照射，照光剂量一般不超过20J/cm2，治疗过程明显短于血卟啉衍生物治疗，但正因为如此，操作中应特别注意掌握好照光条件，严格避免照光过量、照光失误与散射引起的损伤，防止严重的并发症。此药的光敏作用很强，用药后又需等待到第4日才照光，需格外注意患者的避光防护，患者需避光15日左右。治疗中患者常诉疼痛，治疗后光斑区创口愈合的时间也很长。有人提出在治疗浅表的病变如早期食管癌时，改用514nm绿光照射，可显著减少发生穿孔的危险。

8.替莫泊芬（Temoporfin）

替莫泊芬是一种二氢卟吩的衍生物。英国Biolitec Pharma公司m-THPC产品的商品名为替莫泊芬，已于2001年获得欧盟、挪威与冰岛政府批准，可用于光动力疗法姑息治疗其他方法治疗失败的头颈部癌。有研究表明，m-THPC的单态氧产率高，在652nm和514nm的光敏化杀伤作用分别是血卟啉衍生物和光敏素Ⅱ的100倍和10倍。m-THPC的肿瘤选择性高，经肿瘤组织选择性摄取后，浓度可达正常组织的14倍。

9.他拉泊芬钠（NPe6）

他拉泊芬钠具有高度水溶性，是二氢卟吩的衍生物（mono-L-aspartyl chlorin e6，MACE）的一种，光吸收峰在664nm，体内外实验均显示了很强的光动力作用。曾有报道，应用他拉泊芬钠治疗皮肤肿瘤的作用显著。该药半衰期约为9小时，机体清除迅速，主要经胆汁排出体外。据报道日本明治制果药业株式会社用叶绿素开发出的他拉泊芬钠制剂，又称TALAporfin和ME2906。

10.锡红紫素（SnET2）

是一种叶绿素类光敏剂，属于红紫素类的衍生物。较有代表性的红紫素有初红紫素（ET2）、八乙基红紫素（NT2）等。在有些红紫素大环中加一个金属原子，形成金属红紫素，如含锡的锡红紫素、锡八乙基红紫素（SnNT2）等。它们多在650~700nm处有一强吸收峰，使用锡红紫素进行光动力疗法治疗时用664nm波长的光照射。锡红紫素不溶于水，可用脂质体、油乳剂或其他包裹复合物的形式输入体内。有报道锡红紫素的临床试用表明，皮肤光敏不良反应轻，无全身反应。有学者用锡红紫素治疗皮肤转移癌，疗效明显。

11.光克洛（Photochlor）

美国Roswell Park癌症研究所研发的制剂称为光克洛，是一种疏水、亲脂性的二氢卟吩衍生物［13-14］，其化学成分为2-［1-hexyloxyethyl］-2-devinyl pyropheophorbide-a（HPPH），静脉注射48小时后，以波长665nm的光进行照射。有报道用其治疗巴雷特食管、食管癌、支气管肺癌、手术后的乳腺癌胸壁转移灶等病例，均有明显的效果。

12.Photosens

为俄罗斯科学院研制的酞菁类光敏剂，酞菁是一类深色的染料，许多酞菁有光敏特性。酞菁类光敏剂最大吸收峰多位于650~850nm，光动力疗法常用680nm左右的红光照射，对生物组织的穿透深度显著优于血卟啉衍生物，也有利于治疗富含色素的肿瘤。许多酞菁染料不溶于水，也不溶于乙醇、乙醚、丙酮等有机溶剂，无法输入体内进行光动力疗法治疗。但磺化的铝酞菁可溶于水，制成水溶液输入体内能够进行光动力疗法治疗，但在水溶液中容易聚合而使光敏特性下降。磺化铝酞菁制剂Photosens，临床上曾通过气溶胶吸入或通过瘤内注射和静脉注射等途径，治疗皮肤癌、头颈部癌、支气管肺癌等，效果显著。也有研究将锌酞菁用脂质体包裹，其悬浮液可以输入体内，动物实验显示其肿瘤光敏杀伤作用远高于血卟啉衍生物，且有显著的杀伤肿瘤细胞的作用。

13.血卟啉单甲醚（hematoporpyhrin monomethyl ether，HMME）

血卟啉单甲醚是中国学者发现的一种体内存留时间较短、化学成分单一的光敏剂［15-18］，结合光动力疗法治疗食管癌、胃癌等作用显著。采用血卟啉单甲醚介导的光动力疗法治疗皮肤鲜红斑痣，静脉注射后立即开始照光以选择性地破坏畸形的血管网，效果甚佳，为我国学者首创。

14.叶绿素衍生物4号（CPD4）

我国学者利用蚕沙中提取出来的叶绿素降解产物，经化学处理获得的光敏物质称为叶绿素衍生物4号，口服后数小时以650nm的红光进行照射，动物实验显示对肿瘤杀伤显著。临床用此治疗食管癌等恶性肿瘤，疗效明显。叶绿素衍生物4号从体内清除迅速，患者无须避光。但叶绿素衍生物4号是一种混合物，生产工艺上也存在一些尚未解决的问题，未能形成产品。

四、光动力反应单态氧的自由基

光动力疗法能够破坏和杀伤肿瘤细胞和组织，其最初始的光动力反应需具备三个基本要素，即光敏剂、光与分子氧。光具有波动性、粒子性，有波长、频率等特征，可见光的波长范围为400~700nm，光的基本单位称为光子，不同波长的光子具有不同的能量，波长较短的光子具有较大的能量，波长较长的光子具有较小的能量。

光敏剂受到光的照射，可以吸收光子的能量，但只是吸收某一种或几种特定能量的光子。即一种光敏剂只吸收某些特定波长的光子，光敏剂分子吸收光子后，其电子能量状态发生改变，从原先最低的稳定状态基态转入高能量状态的激发态的单线态光敏剂分子。单线态的激发态光敏剂分子很不稳定，寿命非常短暂，迅速回到稳定的基态。它们在回到基态的过程中，可能出现三种变化：释放一个光子，这个现象称为荧光；分子内转换，将部分能量以热的形式释放；光敏剂分子通过单线态-三线态系间跃迁，从能量状态高、寿命短的单线态，转入能量状态较低、寿命较长的三线态。

其中，三线态的光敏剂分子仍是一种激发态的分子，并不稳定，虽然其寿命较长，但只是数百纳秒或若干微秒而已。在这短暂的时间内，它与周边邻近分子即氧或其他的生物分子发生碰撞时，将一定量的能量传递给邻近分子，使它们转入激发态，而光敏剂分子回到稳定的基态，本身并不发生化学反应。如此周而复始地进行能量传递，起着一种类似催化剂的作用。

化学中常常将不同的原子团称为如甲基、碳酸基的“基”。凡能够独立存在、又含有一个或更多个不配对电子的原子或原子团，称为自由基，光敏反应常产生自由基。自由基不稳定，化学性质活泼，易与邻近的细胞成分或生物分子起化学反应，进而对细胞产生杀伤作用。

三线态的激发态光敏剂分子，将能量传递给周边分子的反应，可以有两种情况：一是将能量传递给周边的各种底物分子，将电子转移给底物分子，或从底物分子提抽一个电子，使底物分子形成带正电或负电的自由基，而光敏剂分子回到稳定的基态。这些自由基再继发破坏各种生物分子如蛋白、酶、核酸等，从而对细胞起到杀伤作用。这种初始光敏化反应的损伤机制称为Ⅰ型光敏反应机制。二是生物组织中常含有丰富的氧，天然的氧分子处于一种最稳定的能量状态，称为基态氧。激发态的三线态光敏剂分子与基态的氧分子相遇，通过能量传递，使氧分子的电子能量状态转入被激发状态，形成单线态氧或称单态氧，而光敏剂分子则回到基态。单态氧的化学性质非常活泼，很不稳定，易与周围邻近的生物大分子发生氧化作用，从而损伤生物组织或细胞，这种光敏剂通过产生单态氧再破坏生物分子的反应机制，称为Ⅱ型光敏反应机制。

在生物体内真实发生的光敏反应中，两种反应机制都有，也难以严格区分究竟是哪一种机制起主要作用，并受到光敏剂的性质、局部的氧浓度等复杂因素的影响。通常认为，许多利用卟啉类光敏剂的光动力作用，在有比较充足氧供的条件下，Ⅱ型机制起主要作用。并且，光动力作用杀伤肿瘤细胞，是一个非常复杂的级联反应过程，原初的光动力反应仅是一个开始，但随后产生许多高度活性的光化学反应产物，陆续引起一级又一级继发的化学反应，使大量生物分子遭到破坏，最终致肿瘤细胞破坏和死亡。

五、光动力疗法的基本原理

1.光动力疗法的分子作用

细胞的主要成分是核酸、蛋白质、脂质等生物大分子，结构与功能非常复杂。光动力反应中关键性的作用因素是化学性质非常活泼的单态氧，可以氧化不饱和脂肪酸、氨基酸、腺苷等重要的细胞成分。脂质中的不饱和脂肪酸，天然存在的半胱氨酸、甲硫氨酸（蛋氨酸）、色氨酸、酪氨酸、组氨酸等几种氨基酸，以及核苷中的鸟嘌呤，对单态氧特别敏感，极易被氧化，并进一步产生大量具有化学活性的光氧化次级中间产物，破坏核酸、蛋白质、脂质等重要的细胞组分，引起众多细胞器的严重损伤和功能障碍，最终不可逆地损伤细胞，导致其死亡。

2.光动力疗法杀伤细胞的作用

光动力疗法对细胞的许多细胞器都有损伤作用，作用靶点常不限于某种单一的细胞器，细胞的死亡常常是多个部位、多种细胞器损伤破坏的最终结果。单态氧在细胞微环境中的寿命极短，仅能存在若干纳秒，其扩散距离极短，因此单态氧只能氧化破坏与其紧邻的细胞成分。光敏反应引起细胞和组织损伤的部位，实际上也就是光敏剂定位和结合细胞成分，以及光照时供氧充分的部位。由于目前所用的光敏剂往往不是单一成分的化学物质，在细胞内定位结合的部位和细胞器常常是多种多样的，所以难以确切说明哪一种细胞器是光动力作用唯一的靶部位。

细胞发生光敏损伤的程度和部位，与光动力作用的许多具体条件密切相关。当细胞与光敏剂只孵育若干分钟后即进行照光，细胞的主要损伤常在细胞膜，引起膜通透性改变、主动运输能力降低、膜去极化、膜流动性异常、膜的蛋白失活、表面抗原改变等，有时引起膜起泡和破裂、细胞肿胀等改变。细胞与光敏剂经较长时间孵育后再进行照光，常可以引起细胞内多种细胞器的光敏损伤，以线粒体损伤为最常见。因单态氧氧化不饱和脂肪酸和胆固醇而引起线粒体内的细胞色素C氧化酶、琥珀酸脱氢酶失活，致使细胞呼吸和氧化磷酸化严重抑制，线粒体Ca2+浓度剧烈波动，并出现线粒体肿胀、破裂、变形、嵴丧失等结构损伤。溶酶体也经常受到损伤，致使其内含的蛋白酶释放到细胞质中，破坏细胞成分［19-21］，导致细胞死亡，其他的细胞器如内质网、高尔基体、核糖体等也可以被单态氧破坏损伤。微管也是光敏作用部位之一，从而影响细胞的增殖和分裂。一般的光敏剂在细胞核内积聚较少，光动力作用对核的直接损伤在诱导细胞死亡中的影响不大，光动力疗法引起的致癌和致畸作用均很轻微。有研究表明，光动力疗法的致癌作用弱于太阳光中紫外线所具有的致癌作用。

光动力疗法引起的细胞死亡，有凋亡和坏死两种方式。光敏剂的性质对于细胞的死亡机制有重要影响，亲水性光敏剂很难穿透细胞膜进入细胞内，光照后主要是引起膜损伤和细胞坏死。亲脂性光敏剂则比较容易被摄入细胞内，与线粒体等细胞器的膜结构结合，光照后常引起显著的细胞凋亡。有的光敏剂较易与溶酶体结合，引起溶酶体膜破裂，蛋白酶外溢到胞质中，使细胞凋亡或坏死。有研究显示，光动力疗法引起线粒体损伤后，凋亡的发生较早于溶酶体损伤诱导的凋亡。光动力疗法诱导细胞死亡的机制很复杂，有时很难确切预见主要引起细胞凋亡还是坏死，肿瘤的性质、光照的条件和剂量、光敏剂的剂量和性质、体内研究或是体外实验等多种因素，均可能影响光动力疗法相关的细胞死亡机制。

3.光动力疗法治疗肿瘤的体内机制

利用光动力疗法治疗在体的肿瘤，其作用机制远比体外条件复杂得多。既受到局部条件制约，又受到机体全身状况的影响，治疗的效果是各种效应综合的最终结局。治疗的作用机制可从三个方面进行解释：一是对肿瘤细胞的直接杀伤作用；二是微血管损伤和微循环障碍使肿瘤细胞因缺氧而死亡；三是光动力疗法诱导局部和全身的抗肿瘤免疫反应。

（1）光敏剂在体内的运输、摄取、存留与清除：

光敏剂的化学性质，对于体内光动力作用机制和效果都有重要的影响。聚合状态的光敏剂进入体内，在血液内常不与血浆蛋白结合，而自行形成微球样结构，光动力作用的主要对象是巨噬细胞，但对血管内皮细胞和肿瘤细胞也起一定的作用。水溶性强的光敏剂，常与血浆白蛋白、球蛋白及某些脱辅基脂蛋白松散结合，不易穿透如细胞膜的脂质层而进入肿瘤细胞内部，较易损伤细胞的细胞膜，多引起细胞坏死而不是凋亡；在组织水平上，光动力疗法主要是破坏肿瘤内的血管间质而导致肿瘤细胞死亡，脂溶性强的光敏剂主要是以血浆脂蛋白特别是低密度脂蛋白为载体，较容易进入肿瘤细胞内部，较多地破坏线粒体、溶酶体等细胞器，引起肿瘤细胞的凋亡。光敏损伤线粒体引起的细胞凋亡，较光敏损伤溶酶体引起的凋亡更显著和更快。有学者认为，亲水兼亲脂的双亲性光敏剂应该最有利于发挥光动力疗法的疗效。

血卟啉衍生物等许多光敏剂在体内存留的时间较长，患者需要避光1个月左右以防止强光或阳光引起的皮肤光毒性反应。叶绿素衍生物4号等光敏剂可以在体内清除迅速，患者无须避光。肿瘤细胞摄取光敏剂有一定的选择性，但不够强。有研究表明，光敏剂与某些物质结合有助于提高肿瘤内的光敏剂浓度。光敏剂与单克隆抗体的结合物，因靶向性作用，常可以增强肿瘤细胞摄取光敏剂，但仍保持光敏剂的光敏特性和单克隆抗体的免疫学特性。有些光敏剂特别是酞菁类等不能溶于水的光敏剂，经脂质体包裹，可更多地被肿瘤细胞摄取，从而增强光动力疗法对它们的杀伤作用。光敏剂与某些激素结合，例如光敏剂与雌激素结合物，可能有利于与雌激素受体阳性的乳腺癌细胞结合，提高疗效。

（2）对肿瘤细胞的直接杀伤作用：

对于体外培养的肿瘤细胞，相当低剂量或强度的光动力处理即可杀灭。但对于在体的肿瘤组织，在光敏剂与之相当的剂量条件下，往往需要数十甚至数百焦每平方厘米的光剂量进行照射，方可获得完全或有效消灭肿瘤的效果。光动力疗法治疗肿瘤在完成照射后立即进行检测，发现相当大一部分肿瘤细胞还是活的。动物实验显示，照光结束后立即采取肿瘤组织接种到另一动物，相当多的肿瘤细胞仍具有活力，并且可以继续生长并形成新的肿瘤。用光照射肿瘤后留在原地，在相当长时间后，肿瘤细胞才逐渐死亡。由此可见，光动力疗法对肿瘤细胞的直接杀伤作用是有限的，还有另外一些重要因素影响光动力疗法对肿瘤的杀灭效应。

（3）血管损伤与微循环障碍引起缺氧：

实体肿瘤中有肿瘤实质细胞，还包括血管和间质组织。肿瘤中的微血管与正常血管在结构和功能特性上都有明显差异。肿瘤内的血管脆弱，其通透性比正常血管高得多。应用活体动物肿瘤，在光动力照射开始后的头几分钟，就可以看到血管收缩和扩张，血流迟缓、紊乱乃至完全停滞，白细胞和血小板黏附到血管壁上。血卟啉衍生物介导的光动力疗法治疗结束后，采取人膀胱癌的活检组织，电镜观察到血管内皮细胞已经出现许多断裂和明显损伤；而癌细胞在光动力疗法治疗后数小时才出现较明显的超微结构改变。多数学者认为，对于目前临床上通用的卟啉类光敏剂而言，光动力疗法对肿瘤的破坏，主要是由于光动力疗法损伤微血管、引起微循环障碍以致局部缺氧，从而导致肿瘤细胞死亡。亲水性光敏剂主要通过血浆白蛋白和球蛋白在体内运输的，分布于肿瘤的间质组织和血管中，对血管的损伤作用显著；而疏水性光敏剂多以血清脂蛋白特别是低密度脂蛋白为载体，完成体内运输，且较易进入肿瘤细胞内，光动力作用可更多地直接杀伤肿瘤细胞。

（4）光动力疗法引起的抗肿瘤免疫：

光动力疗法也可以对机体的抗肿瘤免疫反应产生重要影响。中性粒细胞来源于骨髓，具有分叶形或杆状的核，胞质内含有大量既不嗜碱也不嗜酸的中性细颗粒，具有趋化作用、吞噬作用和杀菌作用。中性粒细胞在光动力疗法中有重要意义。光动力作用后，肿瘤组织中的白细胞迅速增加，很可能对消灭已受到损伤的残存肿瘤细胞产生积极作用。有研究者应用动物实验，开始光照后的头5分钟内，肿瘤中浸润的中性粒细胞增加了200倍，继而肥大细胞增加，0~2小时内肿瘤内的单核细胞增多。光动力疗法治疗后，外周血中成熟的中性粒细胞也迅速增加，8小时后达到高峰。光动力疗法可刺激骨髓中白细胞介素（IL）-1依赖性的中性粒细胞形成。给动物注射抗粒细胞集落形成刺激因子的单克隆抗体，不但明显影响动物中性粒细胞数量的增加，还可以降低光动力疗法的疗效。给大鼠注射抗中性粒细胞的抗血清，可减少循环血流中几乎全部的中性粒细胞，使光动力疗法对肿瘤的杀伤作用完全丧失。光动力疗法处理的肿瘤内出现急性髓性细胞炎症性浸润，很可能与激活免疫细胞的功能密切相关。

光动力作用激活巨噬细胞样细胞，对于光动力疗法治疗的有效结局有重要影响。采用光敏剂间-四羟基二氢卟吩和亚致死照光剂量的光动力作用，可激活巨噬细胞，吞噬作用增强。一项光动力疗法治疗处理人肺癌培养细胞的实验表明，可能由于损伤的细胞膜表面暴露的脂质片段，巨噬细胞能够识别受到光动力损伤但尚可修复的肿瘤细胞，从而使这些细胞成为被攻击的目标。光动力作用杀灭了部分肿瘤组织，减轻了机体的肿瘤负荷，并诱发了炎症反应。在一项光动力实验中，在培养基中加入能很强地激活巨噬细胞的一种花菁类光敏染料，腹腔巨噬细胞的吞噬功能增强、产生过氧化物的能力提高。但单独使用光动力技术处理腹腔巨噬细胞不能起到激活作用。此结果提示，激活巨噬细胞还需要有其他类型细胞的参与，即激活巨噬细胞的因子是由别的细胞产生并传递给它们的。

树突状细胞（DC细胞）是功能最强的抗原提呈细胞，因其成熟时伸出许多树突样或伪足样突起而得名。在小鼠实验中，光动力疗法处理后免疫活性受到调节，树突状细胞的受体表达可能有助于光动力疗法的免疫调节作用。光动力疗法治疗后相当长的时间，在远离照光肿瘤部位的淋巴组织中，可检测到具有免疫记忆特性的淋巴细胞，说明光动力是一种产生肿瘤致敏的免疫细胞的有效手段。CD8+ T淋巴细胞群对于这种反应起着关键作用，自然杀伤细胞也有助于光动力在体内治疗中发挥作用。还有实验表明，光动力疗法治疗后肿瘤完全消退的动物，近1个月以后再次接种肿瘤细胞，肿瘤再生长的程度远远低于对照动物。光动力处理后，为防止肿瘤再生长，需要CD8+ T淋巴细胞的参与，自然杀伤细胞在这种反应中起着促进作用。光动力处理后，T淋巴细胞的受体表达发生改变。在一项光敏素光动力实验中，接种在同系BALB/c小鼠乳腺的EMT6肿瘤全部消退；但在同样遗传背景但免疫缺陷的重度联合免疫缺陷小鼠或裸小鼠，接种了肿瘤后施行相同的光动力处理，虽然起初肿瘤也消退了，但不久又复发了。检测这两组小鼠肿瘤组织内光敏剂光敏素的含量是相同的，光动力疗法治疗后24小时，EMT6肿瘤细胞死亡的程度一样。差异可用免疫缺陷小鼠和裸小鼠缺乏具有功能活性的淋巴细胞来解释。这些结果可能提示，防止肿瘤复发须有机体活性淋巴细胞群的参与，光动力疗法诱导的免疫反应对于治愈肿瘤至关重要，至少对于治愈某些肿瘤是如此。

淋巴细胞经ALA处理，可积聚光活性的原卟啉Ⅸ（Pp Ⅸ），原卟啉Ⅸ积聚与铁依赖性的血红素转化率呈负相关。激活的增殖中的淋巴细胞内铁浓度较低，经外源性ALA的处理，更容易发生细胞内原卟啉Ⅸ积聚。ALA-PDT治疗后，多数激活的淋巴细胞死亡，而静止的淋巴细胞得以存活。这些结果提示，ALA-PDT对激活了的淋巴细胞起着一种免疫调节或光细胞毒性的靶向作用。有一项采用苯并卟啉衍生物单酸环A的光动力实验，结果说明静止的与活化的淋巴细胞，对于光动力介导的凋亡的敏感程度是不同的。苯并卟啉衍生物单酸环A的免疫调节作用，可能增强活化的T淋巴细胞对光动力疗法的敏感性。另一项研究采用磺化铝酞花菁素（AIS2Pc）光动力处理免疫抑制和免疫正常的荷瘤小鼠，或采用外科切除肿瘤，长期观察这些小鼠发现各组小鼠的生存差异无统计学意义；但对治疗后存活并无瘤生长100日的小鼠再次接种这种肿瘤，只有一些免疫正常的小鼠能对接种的肿瘤发生排斥，而免疫缺陷小鼠和外科治愈的小鼠全部死于接种的肿瘤。但光动力疗法治疗后，存活且无瘤生长的小鼠，再接种小鼠白血病L1210和P388细胞后，无一存活。这些结果说明，光动力疗法诱导了一种特异的、潜在的“抗肿瘤免疫力”。

光动力疗法的独特作用之一是动员机体清除治疗后的肿瘤。在治疗部位引发炎症反应，伴有大量活性的髓性细胞浸润，是其关键性因素，呈递肿瘤抗原继而激活淋巴细胞，引起肿瘤特异性的免疫功能。这种炎症优先的免疫发展过程，产生肿瘤特异性的免疫记忆细胞，对于光动力疗法治疗后免疫原性强的和弱的肿瘤细胞似乎都能引起抗肿瘤的作用，提示这些免疫细胞可参与进一步消灭播散和转移的肿瘤病灶。有报道低剂量的血卟啉衍生物介导的光动力可促进大量细胞发生光化学反应引起免疫抑制。

光动力疗法治疗后，肿瘤细胞的溶解产物是一种很强的抗肿瘤疫苗，这种疫苗的作用超过其他方式制备的如紫外线处理的、放射线处理的全肿瘤疫苗。且与传统的抗肿瘤疫苗不同，光动力处理后制备的抗肿瘤疫苗无须加用免疫佐剂就能起作用。光动力疗法治疗后制成的疫苗是肿瘤特异性的，可诱导细胞毒性的T淋巴细胞反应，这就说明，光动力疗法对肿瘤细胞的直接作用，在增强机体的抗肿瘤免疫反应中起着重要的作用。光动力疗法治疗后制备的抗肿瘤疫苗为肿瘤辅助治疗提供了新的可能。同时，也有一些研究报道和临床观察的病例显示，光动力疗法治疗后机体的免疫功能降低。在某些情况下，光动力疗法可能引起免疫抑制，降低抗肿瘤细胞的免疫反应能力。光动力疗法在何种情况下能够增强机体的抗癌功能，在哪些情况下则削弱机体的抗癌免疫功能，是当今光动力疗法基础研究工作中的热点课题之一，具有重要的理论意义和实际价值。

总之，光动力疗法杀灭肿瘤的作用机制非常复杂（图1-2），受多种复杂因素的影响，迄今的大量研究虽然已经取得了许多重要进展，但仍有很多问题有待深入研究并进行阐明。

六、光动力疗法在肿瘤中的用途

肿瘤是指机体在各种致瘤因子作用下，局部组织细胞增生所形成的新生物，血流丰富。肿瘤按照性质可分为良性肿瘤、恶性前病变（癌前病变）和恶性肿瘤。肿瘤的光动力疗法治疗是20世纪70年代末开始形成的一项肿瘤治疗新技术，联合光敏药物和光活化治疗肿瘤，用特定波长照射肿瘤部位，能使选择性聚集在肿瘤组织的光敏药物活化，引发光化学反应破坏肿瘤；也可通过作用于肿瘤细胞的微血管造成血管完全封闭，使肿瘤组织因缺少氧和营养而枯竭，最终导致肿瘤组织坏死；同时光动力疗法可诱导抗肿瘤免疫效应，增强机体各种免疫细胞的抗肿瘤作用，对肿瘤的复发有很好的控制作用。

1.表面照射光动力疗法治疗

体表肿瘤指发生在身体表浅部位的肿瘤，概念上除皮肤肿瘤外，尚包括其他浅在组织发生的肿瘤。体表肿瘤病变位置表浅，适合光动力疗法治疗，按照光的穿透深度，治疗时操作简单易于观察且不需要特殊的医疗器械。同时，体表肿瘤的治疗过程中，如外科手术等传统的常规治疗，常涉及患者容貌的损害和功能的破坏，而表面照射光动力疗法创伤小，最大限度保留病变部位的外貌和功能。光动力疗法可以治疗的体表肿瘤包括皮肤肿瘤如基底细胞癌、鳞状细胞癌、皮肤原位鳞状细胞癌（鲍恩病）、特发性出血性肉瘤（卡波西肉瘤）、皮肤转移癌、恶性黑色素瘤，口腔部肿瘤包括舌癌、唇癌，颈部肿瘤，开颅后的脑胶质瘤，外阴生殖器恶性肿瘤包括阴茎癌、外阴癌、阴道癌、宫颈癌。

2.内镜引导下肿瘤光动力疗法治疗

内镜是集传统光学、人体工程学、精密机械、现代电子、数学、软件等于一体的检测仪器，具有图像传感器、光学镜头、光源照明、机械装置等。它可以经口腔进入胃内或经其他自然孔道进入体内。20世纪80年代早期光动力疗法首次用于食管癌的治疗。由卟吩姆钠和630nm准分子染料激光器介导的光动力疗法治疗浅表食管癌取得了令人瞩目的效果后，光动力疗法于1994年和2005年先后被日本和韩国批准作为浅表食管癌的姑息性治疗方法，并于1995年被美国FDA批准用于晚期食管癌的姑息性治疗。对于其他深部的肿瘤，如鼻咽癌、气管及支气管肺癌、胃癌、喉癌、结直肠癌、胆道恶性肿瘤、膀胱癌等，也可进行内镜引导下肿瘤光动力疗法治疗。

3.组织间光动力疗法治疗

微创介入治疗是在影像如超声、CT等技术引导下进行的，以最小的创伤，例如仅有穿刺针眼大小，将器具或药物置入病变组织，对其进行物理、机械或化学治疗的微创技术。对于乳腺癌、肝癌、胰腺癌、前列腺癌、软组织肉瘤、位置比较深的原发肿瘤或转移瘤，可利用微创介入技术插入光纤，从而达到组织间穿刺光动力疗法治疗的目的，也称肿瘤介入光动力疗法治疗。

在光动力疗法中，由于光照穿透深度的限制，瘤体较大的体表肿瘤或可内镜引导治疗肿瘤的深部肿瘤组织往往不能获得足够的光照，因此进行体表肿瘤光动力疗法治疗或内镜引导下肿瘤光动力疗法治疗时不能彻底去除肿瘤。此时也可采用将光纤插入肿瘤的方式进行组织间光动力疗法治疗。

总之，光动力疗法在很多国家已经获得政府相关部门的正式批准，成为治疗肿瘤的一项常规手段。光动力疗法对于早期原发癌症具有很高的近期治愈率。在晚期肿瘤姑息治疗中的作用更非传统疗法可比。有报道称，它在白血病治疗方面也具有一定的前景。

七、光动力疗法的特点

1.组织选择性好

组织选择效应是指光动力疗法能在光照区域内较特异地作用于靶组织、靶细胞的现象。这是光动力疗法最突出的优点，可以最大限度地减少重要器官的功能丧失。例如，鲜红斑痣是一种真皮浅层毛细血管网扩张畸形，光动力疗法在去除病变毛细血管网时可以不损伤其上的表皮层和其下的真皮深层，因此不会遗留瘢痕；采用放疗和热疗方法治疗膀胱黏膜的多灶性肿瘤时，由于导致肌层纤维化，经常发生膀胱容量和顺应性降低的并发症，但采用光动力疗法可以避免这种情况，所以光动力疗法特别适用于重要器官的高精度治疗。

2.对微血管组织的损伤作用强

血管内皮细胞直接接触血流，细胞表面积大，对光敏剂吸收迅速，在光动力反应中消耗的光敏剂和氧可以得到快速补充，血液中产生的单态氧也可以直接损伤内皮细胞膜，因此光动力疗法对微血管组织的选择性好、作用强。因此光动力疗法特别适用于微血管疾病的治疗，如鲜红斑痣、视网膜黄斑变性、食管静脉曲张栓塞治疗后遗留的微血管等疾病，同时也适用于通过破坏微血管可以实现治疗目的的疾病，如肿瘤。

3.局部治疗效果突出

光动力疗法的治疗作用仅限于光照范围内，故只适用于病变范围局限的疾病。例如光动力疗法具有抗病毒作用，但它只能用于局部病毒感染，如乳头状瘤。

4.全身不良反应少

由于光动力疗法是一种局部治疗方法，无明显的全身不良反应，所以特别适用于一般情况差、不能耐受其他治疗方法的患者，并可多次重复使用。

八、目前光动力疗法的限制性

1.光动力疗法的限制性

人体组织的光透射性较差，光动力光源的穿透深度较弱。对大多数组织而言，光动力的有效作用深度很难超过10mm，因此光动力疗法主要适应于一些靶组织为薄层结构的疾病，如皮肤、黏膜的浅表肿瘤、鲜红斑痣、视网膜黄斑变性、动脉粥样硬化和银屑病等疾病。对于深部肿瘤或瘤体较大的肿瘤，则必须通过特殊的照射方法加以解决。

2.缺乏理想的光敏剂

尽管自20世纪80年代中期以来，国内外研究工作者都把研发焦点转向了寻找作用光谱更理想的单体光敏剂上，自20世纪末开始，已陆续有一些候选化合物进入肿瘤临床光动力疗法的研究，但目前临床光动力疗法所用的上市光敏剂除替莫泊芬、维替泊芬、血卟啉单甲醚和原卟啉Ⅸ、前体ALA为单一化合物外，主要还是光敏素泊芬钠和我国生产的一种血卟啉衍生物喜泊分，后两者均系以血卟啉为主要成分的混合卟啉制剂。由于化学组成不定和肿瘤光生物活性成分不明，无法阐明其所含各成分对疗效和毒性的贡献。这不仅造成疗效不稳定，且严重阻碍了基础研究的发展。

3.组织穿透深度不能满足肿瘤治疗的需要

美国FDA批准的光敏剂常用的辐照光波长为600~700nm，组织穿透深度仅为毫米级，仅适用于表皮组织部位的治疗，难以使光动力反应深入多数肿瘤组织核心。同时大多数组织的有色体如血红蛋白等能强烈吸收可见光，大大地干扰了光敏剂对光能的转化。因此，光动力疗法的疗效随着组织深度增加而显著降低，导致治疗不彻底和复发。因此，寻求有效的方法克服组织穿透深度成为现阶段光动力研究急需解决的问题。

4.光敏剂的选择性

临床批准的第一代和第二代光敏剂，大多数为水溶性，除了可见光激发限制了它们的应用外，其肿瘤靶向性也是急需要解决的问题。第一代光敏剂为复杂的卟啉类混合物，在体内代谢速度缓慢，在皮肤蓄积较多，导致患者接受光动力疗法治疗后需要在暗室避光休息，患者耐受性差，拒绝接受光动力疗法治疗。为了克服这一缺陷，第二代光敏剂取得了较大的进步，能够在一定程度上克服皮肤毒性，如ALA其本身并没有光敏效应，只有在癌变的细胞内由于转化酶高表达才能够将其转化为具备光敏毒性的原卟啉Ⅸ，在光的激发下产生单态氧，大大降低了皮肤毒性，患者的避光时间也大大缩短。因此现阶段光动力研究的热点在于如何提高光敏剂的靶向性，克服皮肤光毒性。正常组织中的微血管内皮间隙致密、结构完整，大分子和脂质颗粒不易透过血管壁。而实体瘤组织中血管壁间隙较宽、结构完整性差，淋巴回流缺失，对大分子物质和脂质颗粒具有选择性高通透性和滞留性，这种现象被称为实体瘤组织的高通透性和高渗透长滞留效应（EPR效应）。利用EPR效应将疏水酞菁与脂质体、纳米粒等相连，制备合适粒径的运输载体，将光敏剂被动靶向运输至病变部位。主动靶向载体对脂质体、纳米粒、胶束等载体进行改造，或直接将光敏剂与肿瘤细胞可特异性识别的受体或受体片段、抗体等载体相连，主动靶向运输至病变部位。然而研究发现，尽管利用纳米粒的EPR效应能够增加肿瘤部位的富集，但是光毒性的存在仍然困扰着患者。

5.辐照光的传输技术不成熟

目前辐照光的传输技术不能适应不同肿瘤治疗的临床操作要求，如胃癌的光动力疗法治疗往往会受胃液分泌和胃组织皱褶及蠕动对辐照光剂量的影响等。

6.肿瘤缺氧

光动力疗法三要素之一为氧气，因此光动力反应过程中，组织部位的氧气浓度限制了光动力反应的进行。肿瘤组织缺氧将严重影响光动力疗法的疗效。肿瘤快速生长使血液供应不足产生低氧细胞，而光动力疗法治疗过程中快速关闭肿瘤血管和局部氧气供应消耗都加重肿瘤缺氧。因此改善肿瘤部位乏氧是提高光动力效果的一个重要手段。

7.临床治疗方案缺乏个性化

现行的临床肿瘤光动力疗法是沿用血卟啉衍生物的治疗方案。随着新型光敏剂的使用及其作用光谱波长均在600nm以上，不仅肿瘤的治疗效果受到影响，其他生物学参数也必然受到影响。

综上，肿瘤光动力疗法治疗具有独特优点和需要进一步研究解决的问题，作为这一领域的研究和临床工作者，既要科学地认识光动力疗法在肿瘤防治中的积极作用和发展前景，又应充分看到其在发展现阶段尚存在的不足，在实践中认真探索和扎实工作，不断积累经验，逐一寻求解决之道。既不能因其独特优点而盲目使用，也不应对这一正在研究发展中的新技术提出种种脱离实际的苛求。光动力疗法涉及物理光学、药物化学、光化学、光生物学、分子生物学等基础学科和几乎所有临床学科知识。摆在我们面前的任务是，在勤于实践的同时，还必须努力学习和提高相关学科的理论知识，逐步充实和完善肿瘤防治新技术，使之最终成为一种成熟的肿瘤常规疗法，造福于广大肿瘤患者，这是时代赋予光动力疗法工作者不可推卸的责任。

（谢　蕊　董佳玮　闫秀伟　王　楠　张继恒　赵鸿韬）