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1、光动力学诊断及治疗宋宋宋宋 晓晓晓晓 东东东东华中科技大学同济医学院华中科技大学同济医学院附属同济医院泌尿外科附属同济医院泌尿外科前 言定义 所谓光动力学即一种光敏化作用，是一种特殊的物质经所谓光动力学即一种光敏化作用，是一种特殊的物质经光照射而引起所含这种物质增多的细胞内的反应过程。这种光光照射而引起所含这种物质增多的细胞内的反应过程。这种光敏化反应称为光动力作用敏化反应称为光动力作用 在医学上，光动力学可用于在医学上，光动力学可用于 Photodynamic Diagnosis PDD Photodynamic Diagnosis PDD Photodynamic Therapy PDT
2、Photodynamic Therapy PDT发展史简介1900年德国年德国Raab首次发现光和光敏剂的结合能够产生细胞毒性首次发现光和光敏剂的结合能够产生细胞毒性效应效应此后数十年的发展历史中，由于早期开发的光敏剂存在着组分此后数十年的发展历史中，由于早期开发的光敏剂存在着组分不明，对红光吸收少，皮肤光毒反应明显等到缺点，从而限制不明，对红光吸收少，皮肤光毒反应明显等到缺点，从而限制了这项医学新疗法在临床的推广了这项医学新疗法在临床的推广1993年年4月月19日加拿大卫生部在世界上首次正式批准了卟吩姆钠日加拿大卫生部在世界上首次正式批准了卟吩姆钠（porfimer sodium,Photo
3、frin)应用于临床，应用于临床，PDT的基础研究和临床的基础研究和临床应用才得到广泛开展的关注，被认为是应用才得到广泛开展的关注，被认为是PDT发展史上的一个重要发展史上的一个重要里程碑里程碑之后，美国、日本、荷兰、挪威、德国、英国等国卫生部通过之后，美国、日本、荷兰、挪威、德国、英国等国卫生部通过论证，确立了这一肿瘤新疗法的合法性论证，确立了这一肿瘤新疗法的合法性PDD&PDT原理激光基基态态光光敏敏剂剂激激态态光光敏敏剂剂物理退激物理退激化学退激化学退激+O2荧光荧光活性氧活性氧诊断诊断治疗治疗PDD&PDT概念示意图光敏药物光敏药物（HpD）光源光源450nm光源光源630nm光敏剂光
4、敏剂荧光荧光1O2物理退激化学退激II型反应型反应I型反应型反应过氧化物过氧化物羟基自由基羟基自由基荧光荧光吸收光子吸收光子基态单线态基态单线态S0激发单线态激发单线态S1激发三线态激发三线态T1O2磷光磷光单线态氧单线态氧1O2细胞毒性细胞毒性系间窜跃系间窜跃PDT的作用机理光敏剂通过静脉注射（或局部给药）进入人体后患，在一段光敏剂通过静脉注射（或局部给药）进入人体后患，在一段时间里会在肿瘤组织中形成相对高浓度积聚，此时用特定波时间里会在肿瘤组织中形成相对高浓度积聚，此时用特定波长激光照射肿瘤组织，将激活其中的光敏剂分子，在肿瘤组长激光照射肿瘤组织，将激活其中的光敏剂分子，在肿瘤组织内引发一
5、系列光化学反应，生成活性很强的单态氧，进而织内引发一系列光化学反应，生成活性很强的单态氧，进而和生物大分子发生氧化反应，产生细胞毒作用杀死肿瘤细胞和生物大分子发生氧化反应，产生细胞毒作用杀死肿瘤细胞光动力杀灭肿瘤细胞的作用机理光动力杀灭肿瘤细胞的作用机理细胞死亡细胞死亡 PDT细胞细胞 凋亡凋亡细胞坏死细胞坏死 u与质膜结合为主的光敏剂，大多引起细胞坏死与质膜结合为主的光敏剂，大多引起细胞坏死u与线粒体亲和性强的光敏剂，常引起细胞凋亡与线粒体亲和性强的光敏剂，常引起细胞凋亡u与溶酶体结合的光敏剂则常使溶酶体膜破坏，释放水解酶进与溶酶体结合的光敏剂则常使溶酶体膜破坏，释放水解酶进入胞浆，也易引起
6、细胞坏死入胞浆，也易引起细胞坏死光动力学作用的两种反应机制光动力学作用的两种反应机制I I型反应：型反应：PS+h 1PS （光敏剂分子+光子单线态激发态的光敏剂分子)1PS 3PS （单线态激发态的光敏剂分子三线态激发态的光敏剂分子）PS*+A PS+A*（激发态光敏剂分子+底物基态光敏剂分子+底物分子自由基）光动力学作用的两种反应机制光动力学作用的两种反应机制IIII型反应：型反应：PS+h 1PS （光敏剂分子+光子单线态激发态的光敏剂分子）1PS 3PS （单线态激发态的光敏剂分子三线态激发态的光敏剂分子）PS*+O21O2+PS （激发态光敏剂分子+基态分子氧单线态氧+基态光敏剂分子
7、）光动力疗法的特点：n优点：l选择特异性好，只杀伤肿瘤细胞，对正常组织和细胞影响小l微创性，无需手术，可经内窥镜可穿刺针插入进行介入治疗l可协同手术、放疗和化疗，耐受性好，无耐药性，可反复治疗l治疗设备操作简单，维护费用低光动力疗法的特点：n不足：l激光在组织中的穿透力不足，一般1.5cm，腔内肿瘤需经腔镜将光导纤维导入病灶部位照射l肿瘤体积较大，则需列阵点照射，较为繁琐，有些光敏剂治疗后需避强光1个月l有些患者在治疗数天内可能出现局部皮肤过敏反应l光敏剂过敏者及光导纤维不能到达的深部肿瘤不能用该法治疗影响光动力疗法的因素nPDT作用的基础是光动力效应作用的基础是光动力效应n影响光动力效应的因
8、素主要有影响光动力效应的因素主要有：l 光敏剂光敏剂 系首要因素系首要因素 其优劣直接与疗效有其优劣直接与疗效有关关l 照射光照射光 波长波长、功率密度、能量密度、功率密度、能量密度l 氧氧 光敏剂得到光照射后，组织中的氧会迅光敏剂得到光照射后，组织中的氧会迅速显著下降速显著下降光敏剂l光敏剂是指能吸收特定波长光的能量传递给周围分子，从而产生活性氧等毒性物质的一类化学物质l光敏剂作为PDT的三大关键要素之一，其性能在很大程度上直接决定了PDT的疗效和该疗法在临床的应用和推广理想光敏剂的基本特征组分明确材料来源广泛，且易于化学合成在没有光照的条件下毒性小肿瘤细胞对其具有选择性吸收，即特异性高单态
9、氧的量子产率高经人体新陈代谢快速排出体外，药物不良反应小在人体内没有药物聚集现象具有很好的光稳定性，光漂白效应不显著最大吸收峰位于近红外，能获得足够的光学穿透深度光敏剂的分类n根据化学结构和组成分为：卟啉类，如Photofrin,ALA/PpIX,维替泊芬（苯并卟啉单酸环A，verteporfin,BPD-MA)等叶绿素类，如二氢卟吩类（chlorins）,紫红素类（purpurins）,菌绿二氢卟吩类（bacteriochlorins）等染料类，如酞菁类（phthalocyanine）,萘酞菁类（naphthalocyanine）等n按时间年限分为：第一代光敏剂，通常界定为上世纪70年代末和
10、80年代初的光敏剂第二代光敏剂，上世纪80年代后出现的光敏剂第三代光敏剂，正处于研究中，以解决生物相容性，特别是选择适合于光敏剂传输的药物传输系统（drug delivery systems,DDSs）为目标的光敏剂商品化的光敏剂光敏剂商品名治疗的病种治疗波长（nm）卟吩姆钠Photofrin子宫、呼吸道、食管、630Porfimersodium膀胱、胃癌，脑部肿瘤维替泊芬Visudyne基底细胞癌689BPD-MA替莫听芬foscan头颈部和胰腺肿瘤652temoporfinHPD(喜泊芬)基底细胞癌6305-氨基酮戊酸Levulan基底细胞癌，头颈部肿瘤，6355-ALA妇科肿瘤，诊断脑部
11、，头颈部和375400膀胱肿瘤5-ALA-甲酯Metvix基底细胞癌6355-ALA-methyldsther商品化的光敏剂光敏剂商品名治疗的病种治疗波长（nm）5-ALA-苯酯Benzvix胃肠道肿瘤6355-ALA-benzylesther5-ALA-己酯Hexvix诊断膀胱肿瘤3754005-ALA-hexylesther罗他泊芬Purlytin皮肤转移性乳癌664rostaporfin基底细胞癌Kaposi肉瘤，前列腺癌硼酸原卟啉Npe6脑部肿瘤630BoronatedprotoporphrinN-天冬氨酰二氢卟吩N-Aspartyl-chlorine6金丝桃素VIMRxyn皮肤、银屑
12、病600hypericin等5-ALA5-ALA诱导的膀诱导的膀胱肿瘤光动力学胱肿瘤光动力学诊断诊断PDDPDD 背背 景景 u膀胱癌发病率：泌尿系肿瘤第一位膀胱癌发病率：泌尿系肿瘤第一位u生长特点：生长特点：80%表浅生长、多中心发生表浅生长、多中心发生u膀胱镜检查为主要诊治手段膀胱镜检查为主要诊治手段u不易发现微小扁平样早期病变，导致膀胱癌不易发现微小扁平样早期病变，导致膀胱癌术后术后 u易复发及进展易复发及进展荧光染色膀胱镜原理：癌肿癌肿染色染色正常上皮正常上皮不染色不染色 在普通膀胱镜不易发现的原位癌或较小的癌肿，在普通膀胱镜不易发现的原位癌或较小的癌肿，经膀胱内染色处理后很易辨认，结
13、合活组织检经膀胱内染色处理后很易辨认，结合活组织检查能提高早期膀胱癌的检出率查能提高早期膀胱癌的检出率荧光染色膀胱镜发展史：p1960年代年代四环素族物质四环素族物质p 1980年代年代亚甲蓝及亚甲蓝及血卟啉衍生物血卟啉衍生物（HPD）p 1990年代后年代后5-氨基乙酰丙酸（氨基乙酰丙酸（5-ALA）及其衍生物氨基酮戊酸己酯（及其衍生物氨基酮戊酸己酯（HAL）、）、NBI光动力学诊断5-ALA诱导荧光的光动力学诊断原理：膀胱腔内灌注ALA后，在蓝光（激发光）的照射下，肿瘤组织会呈现独特红色荧光，与正常黏膜区别开来，因此可大大提高肿瘤早期检出率光动力学诊断设备激发光源系统（D-LICHT系统）
14、荧光膀胱镜 CCD成像系统 摄像系统以及监视器PDD系统示意图激发光源激发光源录像系统录像系统图像整合系统图像整合系统CCD成像成像系统系统分光计分光计观察滤光器观察滤光器石英导光纤维石英导光纤维脚踏切换装置脚踏切换装置5-ALA诱导荧光的光动力学诊断过程诱导荧光的光动力学诊断过程5-ALA膀胱灌注被肿瘤细胞摄取在细胞内进行生物合成转变为荧光物质原卟啉（PpIX）经波长为407nm的激光照射使该荧光物质发出红色荧光肿瘤 红色 正常上皮 蓝色操作方法n 膀胱灌注5-ALA缓冲液23h后，在局麻或硬膜外麻醉下进行荧光膀胱镜检：灌洗液充盈膀胱，当膀胱壁无皱折时，变换白光及蓝光近距离垂直位观察膀胱壁，
15、在蓝光下发现的红色区域即荧光阳性，可进行活检，并在荧光指导下可对肿瘤进行电切除注意事项注意事项n灌注应保留至少30分钟，必要时可用解痉剂，药物保留不足15分钟或超过5个小时应重复灌注n观察最佳时间是灌注后23小时n观察时应注意膀胱黏膜要充分展开，否则可出现假荧光表现n荧光强度与照射距离呈负相关，应近距离观察，图像才会清晰明亮注意事项注意事项n尿液及出血也可致使视野模糊不清，充分引流尿液、止血并保持术中灌流n为防止照射后图像脱色，操作荧光膀胱镜检查应快速，尽早切换到紫兰光模式，所有在白光实施的操作应该在最低可见的光强度，当检查必须被中断时则应暂时关掉D-LIGHTn由于PpIX荧光会有光漂白，对
16、病变区域进行观察后应立即行活检、切除或凝固等乳头状癌乳头状癌蓝光下表现白光下表现原位癌原位癌蓝光下表现白光下表现膀胱肿瘤旁卫星灶膀胱肿瘤旁卫星灶蓝光下表现白光下表现出血性膀胱炎 瘢痕组织 慢性膀胱炎慢性膀胱炎慢性膀胱炎慢性膀胱炎蓝光下表现白光下表现膀胱颈正常阳性表现膀胱颈正常阳性表现蓝光下表现白光下表现尿液在蓝光下显示为绿色荧光膀胱镜下电切 临床应用评价临床应用评价PDD of urothelial carcinoma of the bladder versus WLC:sensitivity and specificity作者，发表年份作者，发表年份 病例数病例数 光敏剂光敏剂 敏感性敏感性
17、%特异性特异性%PDD WL PDD WLKriegmair.1996 104 ALA 96.9 72.7 66.6 68.5Koenig.1999 55 ALA 87 84 59 _Riedl,1999 52 ALA 94.6 76 43 -Filbeck。1999 120 ALA 96 67.5 35 66.4Zaak,2002 713 ALA 97 _ 65 _Grimbergen,2003 160 ALA 97 69 49 78Hungerhuber,2007 875 ALA 92 76.3 41.4 _Jichlinski,2003 52 HAL 96 73 43 43DHallew
18、in,2000 40(CIS)Hypericin 93 _ 98.5 _DHallewin,2002 87 Hypericin 94 _ 95 _SIm,2005 41 Hypericin 82 62 91 98敏感性及特异性敏感性及特异性临床研究lHungerhuber报道迄今病例数最多的临床试验包括报道迄今病例数最多的临床试验包括了了1713例病人，取活检例病人，取活检4630处，处，92%病变部位为病变部位为PDD所发现，对照组白光膀胱镜（所发现，对照组白光膀胱镜（WL）为）为76%，其，其中中43%的扁平原位癌只在的扁平原位癌只在PDD下被观察到下被观察到l一个多中心临床试验，运用一个
19、多中心临床试验，运用HAL的荧光膀胱镜与白的荧光膀胱镜与白光膀胱镜（光膀胱镜（WL）进行对照，相比）进行对照，相比WL，PDD在在29%和和15%的病人中，分别多观察到至少一个的病人中，分别多观察到至少一个Ta和和T1期期病变。病变。PDD对对Ta和和T1期病变的平均检出率为期病变的平均检出率为95%和和95%，而，而WL仅为仅为83%和和86%，差异显著，差异显著（P=0.0001）临床研究lFradet研究显示，58例病人的113处原位癌病变中，PDD检出率为92%，而WL检出率为68%，在42%的病人中，PDD单独检出原位癌病变l在Hungerhuber的研究中，活检组织存在38%的假阳
20、性率，归因于电切术后膀胱炎症及疤痕的形成；Grossman的研究证实，PDD的平均假阳性率为39%，WL为31%lFilbeck等发现经5-ALA膀胱灌注后，代谢产物原卟啉主要沉积在代谢活跃的细胞中，这些组织可以是一些良性病变，包括正常增生的尿道上皮、炎性病变组织、鳞状化生组织、经尿道肿瘤切除术后的肉芽组织及非感染瘢痕组织。其中以炎性病变黏膜上皮的数量较多。l假阳性组织的荧光强度要低于膀胱乳头状瘤及癌变组织的荧光强度，因而可以通过荧光量化的方法用红蓝比来剔除假阳性病变以提高肿瘤检出敏感性及特异性 lHofstetter及Zaak选择1.43为阈值的红蓝比进行荧光膀胱镜检来提高诊断符合率lJun
21、ker等认为那些假阳性标本或许存在组织病理学尚未发现的癌前病变，他们用分子生物学技术，对荧光膀胱镜下所取的阳性标本，经病理学诊断分为良性病变及恶性病变，并取荧光阴性的标本做对照进行对比研究，发现荧光诊断阳性的标本多伴有基因的变异，如9号染色体遗传物质的缺失，5、8和11号染色体遗传物质的缺失或插入等，且端粒酶多呈激活状态TUR后肿瘤残留率结结 论论u5-ALA诱导荧光膀胱镜检对膀胱肿瘤有很高的敏感性，可用于膀胱肿瘤微小病灶的早期诊断u荧光膀胱镜肿瘤诊断特异性有待提高，量化荧光强度可区分良、恶性病变，从而提高荧光膀胱镜检对肿瘤诊断的特异性u几乎无光敏副作用结结 论论u能发现原位癌及癌旁卫星灶，同
22、时在荧光下可电切除，达到肿瘤切除的彻底性uFD-TUR较WL-TUR能有效降低肿瘤复发率uPpIX可作为肿瘤标志物来判断肿瘤生物学行为进进 展展lN-Lange等发现HAL(5-ALA的己酯衍生物）在有效浓度低于ALA20倍时产生的PpIX的荧光密度仍为ALA的2倍 l金丝桃素作为第二代光敏剂不仅对多种系细胞显示出较强的杀伤效应，而且还具有较高的荧光产率，其作为荧光诊断工具的可能性正处于研究中l目前窄带成像（Narrow Band Imaging,NBI）荧光膀胱镜 相关膀胱肿瘤的临床研究仍处于相对空白，仅有的研究表明，NBI内镜提高了对膀胱黏膜表面细微构造、毛细血管的观察，增强了微小病变和正
23、常黏膜之间的对比，在诊断新发及早期复发的膀胱肿瘤方面优势明显膀胱肿瘤的光动膀胱肿瘤的光动力学疗法力学疗法PDTPDT适 应 征膀胱肿瘤电切术后的光动力学治疗 预防复发晚期膀胱肿瘤的光动力学治疗 替代全膀胱术 姑息治疗 制止顽固性出血肿瘤光动力治疗设备膀胱镜 激光导光纤维及光纤的固定装置激光强度测量器充盈膀胱的光学介质激光发生器（铜蒸气泵染料激光、YAG蒸气泵激光、半导体激光等）光动力治疗的几种照光方法球状纤维全膀胱照射光敏剂给药途径u光敏剂的注入分为静脉给药和膀胱灌注,Xiao等用Photofrin和5-ALA不同的给药途径来治疗膀胱肿瘤,得出膀胱灌注能取得与全身静脉给药同样的治疗效果并且有更
24、少的毒副作用治疗方法n静脉给药：静脉注射HPD(5mg/kg)后常规36小时、60小时、84小时行3次照射，经尿道置入柱状或球形激光光纤，激光功率设置为2.0W，以波长为633nm激光行全膀胱内照射30-60分钟。静脉注射HPD应闭光1-4周治疗方法n膀胱灌注给药：将浓度为3%的5-ALA缓冲溶液50ml经尿管注入膀胱，尽量保留较长时间（至少30分钟），经尿道置入球形或柱状激光散射光纤，激光功率设置为2-3.9W，以波长为633nm激光行膀胱内照射30-60分钟。术后可不闭光u照射过程中须保持膀胱容量的恒定及避免膀胱出血,否则容量改变及血液吸收激光均对照射量产生影响。在照射时可用激光测量器测量
25、光的强度，总光量应为直射光量的5倍。膀胱照射后通常留置Foley 导尿管，使膀胱松弛，有膀胱痉挛者可使用解痉药物。u光敏剂有良好的肿瘤聚集性，在一定的时间光敏剂有良好的肿瘤聚集性，在一定的时间段内，肿瘤组织的浓度超过正常组织的段内，肿瘤组织的浓度超过正常组织的1030倍倍u在足量无适宜波长的光照时，光敏剂对细胞在足量无适宜波长的光照时，光敏剂对细胞并无损伤作用并无损伤作用uPDT治疗时，激光的剂量并不能导致消融，因治疗时，激光的剂量并不能导致消融，因而肿瘤周围正常组织并无损伤而肿瘤周围正常组织并无损伤评价lMichael采用单次膀胱内注入法全膀胱照射PDT治疗难治性膀胱肿瘤的一个长期随访结果表
26、明，完全缓解率可达44%，该组病人再复发平均时间为9.8月lBerger等采用5-ALA膀胱给药的光动力学疗法治疗复发表浅膀胱癌31例，平均随访23.7月，16例未再发，其中4例为早先用BCG灌注治疗失败的病例。治疗后无皮肤光毒性反应，仅少数患者出现尿路感染及血尿l在国外，PDT正被作为BCG灌注失败后的二线治疗手段，甚至可作为根治性膀胱全切术的替代疗法，前景诱人膀胱肿瘤光动力学最新动态p新一代的光敏剂HAL已应用于临床。HAL-PDD能诊断出更多的微小病灶及原位癌，尤其适合于复发的多灶性患者 J Endourol,J Endourol,June 1,2009;23(6):983-8pBourre等发现了一种水溶性的ALA前体药物，能增加肿瘤细胞吸收ALA，并能在细胞内产生更多的原卟啉，从而增强肿瘤细胞的光敏作用 Mol Cancer Ther 2008;7(6):1720-1729 p Seshadri等最新研究表明，PDT治疗的效果取决于光照的时间，而不是光照的强度及光敏剂的剂量 Clin Cancer Res 2008;14(9):2796-2805