作者：丁慧颖 编著
出版社：化学工业出版社
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光动力治疗基本原理及其应用试读：
前言
光动力治疗是一种创伤小、选择性好的由光诱导光敏药物进行治疗的全新治疗模式。目前我国肿瘤等恶性疾病的发病率有逐年上升的趋势，疾病的诊断和治疗一直是人们关注的焦点，光动力治疗以其自身独特的优势成为医生和患者除手术、化疗和放疗以外的可供选择的治疗方法，在临床治疗中已经成功解决众多患者的痛苦，提高了病人的生活质量。
光动力治疗是一门新兴的交叉学科，涉及化学、物理、医学、生物学、电子工程学等领域的内容，它为各个学科的研究人员提供了很多机遇，同时需要各个学科的研究人员进行更多的交流与合作，才能更好地促进光动力治疗的发展和应用。本书旨在面向各个背景的读者，以科普介绍为主，同时在最短时间内介绍给读者当今世界上光动力治疗发展的前沿。
本书以众多文献材料和相关书籍为基础，结合笔者在光动力治疗领域近十年的工作总结，经过一年多时间编撰而成，内容包含了光动力治疗的发展过程、基本理论、实验研究和临床应用等方面的内容，对整个光动力学科进行了普及和介绍，又对其发展和应用进行了总结和展望。本书主要由丁慧颖完成各章的编写，逯海在收集内容、绘制图表和修改方面提供了许多帮助。
由于时间和水平有限，书中疏漏和不妥之处，敬请读者批评指正。丁慧颖2013年11月第1章 光动力治疗发展史1.1 光是古老的治疗工具
光与生物的生存密不可分，人类社会的早期，即原始采集、狩猎时代，人类已经朦胧地意识到太阳光对自然界和人类活动的重要性。直到进入新石器时代，即人类能够进行有目的性的生产（农业和畜牧业）以后，才意识到太阳对生产劳动的直接利害关系，人类才感觉到自己的劳动成果受到太阳的制约，从而促使人类较多地认识太阳、思考太阳，按照太阳活动来安排生产劳动，并逐渐形成了对太阳的崇拜。原始人类还不能客观科学地认识太阳，以为太阳具有能使万物复苏、生长、开花、结果的神奇力量，甚至视为丰产的主要赐予者。从时间上看，人类所塑造出的最早的神是太阳神，最早的崇拜形式是太阳崇拜。在远古时代一些事物之所以受到崇敬，不仅因为它是伟大的，而且因为它是古老的和遥远的。
人类在意识到太阳与生产活动密切相关的同时，逐渐发现太阳光还可以治疗疾病。太阳光作为一种天然的工具来治疗疾病，当时主要利用了太阳光的杀菌和保健作用。追溯到5000年前，古埃及、印度和中国已经开始利用太阳光治疗或辅助治疗一些疾病。经过远古时代不断的积累，希腊医生希罗多德（Herodotus）就指出了日光浴疗法（heliotherapy）在帮助病人恢复健康方面所发挥的作用。古希腊人希波克拉底（Hippocrated）和奥芮培锡阿斯（Oribasius）提出用太阳光治疗疾病，包括治疗水肿以及腹部和肾脏的疾病。公元前3世纪左右，古罗马在浴场中都要设日光浴室，在享受日光带来温暖的同时，也在不知不觉中增强了身体的健康。公元150年左右，外科医生安彻罗西表述了对日光浴疗法的观点“不管什么样的患者，都应该尽量晒太阳，不管是新伤还是旧伤，让阳光照晒为好，能动的患者不用说，即便是瘫痪在床或只可以坐立的患者，也尽量让他们躺在被子、毯子或沙滩上沐浴阳光。如果让患者沐浴阳光的话，可以提高其内脏的分泌、增进排汗、强健肌肉、防止脂肪堆积、减少水肿，而且可以促进呼吸、扩大肺活量，对治愈肺部疾病有效。”
中世纪（公元5世纪到15世纪）时为光照治疗的黑暗期，此时人们认为白色的肌肤是美丽和财富的象征，皮肤黑则是低贱的象征，所以几乎没有人会想要暴晒太阳，也就无法让光治疗的发展更进一步。1672年，科学家牛顿发现了可见光，随后紫外光在18世纪早期被发现。近代日光疗法的先驱并不是医生，而是奥地利的阿挪德和法国的蓬诺，他们开设日光疗养所，对日光浴疗法进行科学系统的探讨。1815年，科宾指出日光疗法对佝偻病、坏血病、风湿病、麻痹、肿胀等疾病的治疗有效。1816年，德贝莱纳把日光的作用分成红外线和可见光线的作用来说明。同时期，被称为护士之母的佛罗伦斯·南丁格尔把参加过克里米亚战争的战伤人员抬到屋外疗伤，发现疗效不错，1858年，她回到英国之后，靠战争体验带给她的启示，指出医院设计时不好好考虑光线、空气的做法是错误的，并积极改善伦敦医院病房的采光设施。1877年，英国的布伦特发现了太阳光线的有效杀菌作用。据说阿尔卑斯的居民为防止生肉腐烂，采用日光暴晒法来保存，瑞士的伯恩哈尔特从此处得到灵感，1902年，起采用局部日光疗法进行结核性溃疡治疗取得显著效果。1903年，瑞士的劳里埃博士在海拔1340m的阿尔卑斯山建立日光疗养所，在治疗外科结核方面取得了令人难以置信的效果。
人类对光明的向往，促使各种新光源的发现和发展。所有与光相关的治疗方法都称为光疗（phototherapy）。1880年，爱迪生发明了电灯，但不是光疗的理想光源。直到1883年，人类才找到了可以高温燃烧的碳材料，奈尔斯·芬森（Niels Finsen）是世界上第一个设计了和太阳光线一样可以发射连续光谱的碳弧灯的人，他用碳弧灯来治疗病人取得了预想的效果。1893年，奈尔斯·芬森利用光线治疗天花的实验首次获得成功，实验的结果表明：光谱中不同性质的光线对人机体的作用各不相同。光谱中高折射的紫端光线（紫外线），使天花病人皮肤起水疱、发高烧；而光谱的另一端低折射的红外线则促进天花痊愈。因此，利用红外线照射治疗天花病人的面部，就能够保护他们的面容完整。从这一实验中，他还发现有些光线具有较强杀菌功能。1895年，他利用紫外线治疗狼疮（一种皮肤结核病）的实验获得成功，为狼疮患者重新带来了生命的希望和生活的福音。芬森因此于1903年被授予诺贝尔生理和医学奖，被后人称为“光线疗法之父”（图1-1）。图1-1 1903年诺贝尔生理和医学奖获得者芬森（左）和电弧产生的光（右），引自http://www.nobelprize.org
太阳光包括紫外线、可见光和红外线（图1-2），红外线占40％～50％，可见光占40％～50％，剩下的是紫外线。在地面上观测的太阳光的波段范围为0.295～2.5μm。短于0.295μm和大于2.5μm波长的太阳辐射，因地球大气中臭氧、水汽和其他大气分子的强烈吸收，不能到达地面。照射到地球上的光线受高度、纬度、大气状态、四季变化的影响很大，而且由于天气、时间、地点等因素导致无法照射到地面。太阳光中包含多种光线，每一种光都具有不同的波长，波长的不同决定了它携带的能量有所不同，对人体产生的作用也不同，可以治疗不同的疾病。红外线的波长长，波长范围为800～5000nm，又叫热射线，它照到人体后能使人体感到温热，血管扩张，促进血液循环，增强人体的抵抗力。紫外线的波长短，波长范围为200～400nm，带有很大的能量和很强的化学性刺激作用，能使皮肤中的7-脱氢胆固醇转化为维生素D。维生素D能促进钙、磷的吸收和利用，可防止佝偻病。17世纪中叶的产业革命引发了众多佝偻病患者，一个重要原因是由于工业生产过程中的大量烟煤带来的环境污染、生活环境的变化致使太阳光线被遮挡，沐浴阳光的机会较少。紫外线还有活跃全身的功能，增强新陈代谢，刺激骨髓的造血机能。同时，紫外线还有杀灭细菌和病毒的作用，可以增强皮肤的抵抗力。可见光（400～800nm）通过刺激眼睛的视网膜，让人们感受到赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫等多种颜色。可见光也可以引起温热作用，还可以刺激细胞再生长，起到缓解疼痛、消除炎症、刺激伤口愈合的效果。而且可见光可以辅助治愈精神疾病，主要是让病人心情舒畅，预防抑郁症的产生。图1-2 太阳光（紫外线、可见光和红外线）光谱
到了20世纪，日光浴依然是广泛使用的治疗手段，它简单、方便、快捷。太阳被誉为最好的良药，在有些地方有这样的说法：“没有太阳的地方就会有大夫的到来”。1926年，一本医学手册《阳光，及如何使用它》中，描述了英国伦敦北伊斯林顿新生儿疾病治疗中心利用日光浴促进新生儿健康的情况，这是伦敦第一家日光浴治疗中心，疗效显著，给很多穷困家庭的孩子们带来了巨大的好处。
目前，人类已经能够科学地把光线疗法应用于养生和治疗疾病。人们普遍都知道缺钙除了多摄入钙源外，还要多晒太阳才能促进钙的吸收；用蓝光照射新生儿，已成为治疗新生儿黄疸的常规方法；光照疗法治疗精神疾患的报道也越来越多，光照疗法还可以治疗抑郁症及失眠等疾病。
人类在享受大自然阳光的恩赐的同时，还在摆脱自然的束缚，积极开拓各种新型光源，这样就可以根据患者的需要，选择更有效的光源，使得光线疗法的局限性减小。1.2 光敏化作用的发现
在人类直接利用光治疗疾病的同时，发现有些药物可以与光共同作用治疗疾病，得到了预想不到的结果。早在公元前3000年，古埃及人和古希腊人就通过口服和外用某些草药（含有补骨脂素成分）后晒太阳来治疗白癜风。
人类开始认识光动力治疗并系统的研究光动力治疗是在1900年
［1］左右。1888年，德国学者Marcacci发现奎宁在光照下对酶、植物或青蛙卵的毒性增加。但Marcacci本人没有认识到此发现的意义，他没有深入研究原因。到了1900年，Marcacci所在实验室另一名成员奥斯卡·拉布（Oscar Raab）发现了吖啶橙和光的共同作用下，对草履虫产生毒性。当时是偶然发现的，他最初的实验是研究吖啶橙对草履虫的毒性，可是在实验中他发现实验结果差异非常大，在中午的实验结果毒性最大。他意识到实验中唯一变化的就是光的强度，是光有效激活了吖啶橙并对草履虫产生更大的毒性。他和他的导师（von Tappeiner）进一步研究了光和染料（图1-3）的光敏化作用（photo sensitization），发现氧气在此过程中有至关重要的作用。von Tappeiner于1903年详细介绍了光敏剂（photosensitizer）伊红（Eosin）应用于皮肤癌的治疗过程，6名面部基底细胞癌（basal cell carcinoma）患者，用1％浓度的伊红溶液处理患处，然后把患处暴露在太阳光或汞灯下一段时间，4名患者痊愈并12月内无复发。von Tappeiner在1907年提出光动力（photodynamic）这个词。自此以后，光动力治疗（photodynamic therapy）才真正发展并完善起来。图1-3 早期的几种光敏染料
1925年，美国皮肤科医生戈克曼（Goeckerman）创立了Goeckerman疗法（洗浴、煤焦油制剂外用、紫外线照射），成为当时治疗银屑病的最有效手段。具体方法：每日外涂2％～5％煤焦油软膏2次，次日沐浴，沐浴后照射紫外线（一般指中波紫外线，即UVB），紫外线的剂量为亚红斑量（照紫外线后不出现红斑），如此每日进行治疗，可持续应用20～30天，对寻常性银屑病的疗效远优于单用煤焦油软膏或单用紫外线疗法。如无煤焦油软膏，亦可改用其他焦油制剂，如松馏油、黑豆馏油等，或可用其他洗剂（含1％煤焦油的洗剂）。1953年英格拉姆（Ingram）在继承前人的基础上，对Goeckerman疗法进行了改良，即利用蒽三酚（dithranol，从巴西的一种树木的树皮中提取到的天然产物）和紫外线治疗银屑病。
虽然早在公元前3000年以前，人类就已经摸索出口服和外用某些草药（如补骨脂和大阿米芹）后晒太阳可以治疗白癜风，可是当时并不知道这些草药的有效成分，直到1947年，埃及人法赫米（Fahmy）从大阿米芹（Ammi majus）中提炼得到补骨脂素，并经过学者们二三十年的研究，才清楚了补骨脂素和光共同作用下的药理过程（图1-4）。1974年，帕里斯（Parish）报道了口服8-甲氧基补骨脂素加黑光照射，获得满意效果，随后，一些学者相继用此种方法治疗皮肤病，都取得了可喜的效果，而且还能有效预防复发，当时使用的黑光灯，其实是长波紫外灯（UVA），由于照射后容易导致皮肤变黑，所以习惯上称为“黑光灯”。随着光谱学和光源的不断发展，到了1976年，Parish与Jaenicke发现用313nm波长的一个窄带人工紫外线来治疗银屑病更有效。Honigsmann在1979年报道了用5-甲氧基补骨脂素代替8-甲氧基补骨脂素，在治疗过程中带来的副作用更小。在1984年，van Weelden证实临床上应用窄带的紫外线和光敏剂作用后能更有效的治疗皮肤病，之后世界上许多国家，都广泛地应用窄带紫外线治疗皮肤病。直到现在补骨脂素类化合物（如5-甲氧基补骨脂素，8-甲氧基补骨脂素和三甲基补骨脂素）光动力疗法依然是美国食品与药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）及欧洲许多［2］国家认可的治疗白癜风和银屑病的临床方法。图1-4 两种提炼补骨脂素的植物：大阿米芹（Ammi majus，左）和补骨脂（右，右图左上角为补骨脂的果实）1.3 卟啉类化合物的涌现促进了光动力治疗的发展
研究中发现早期的光敏剂（图1-3）在治愈病变的同时，存在着不可忽视的副作用：外敷用药时如果涂在正常皮肤上，会引起皮损、周围红肿、水疱等严重反应，给患者造成痛苦；而内服引起的副作用会更多些，如内服8-甲氧基补骨脂素（图1-4）的患者可能会有恶心、饮食不佳等胃肠道反应，还会出现色素沉着、皮肤老化，还有文献报道会引起白内障和诱发皮肤肿瘤（如黑色素瘤的发病概率增加）。光动力治疗作为一种新兴的疗法，要被更多的医生使用和被更多的患者接受，迫切需要提高本身的安全性。当时制约光动力治疗发展的关键因素是如何找到更安全有效的光敏剂，卟啉化合物的发现和纯化以及人工合成促进了光动力治疗的迅速发展。
卟啉化合物是一类古老的、普遍存在于自然界的化合物，它们有独特的生物活性，是生命过程中必不可少的一类化合物。天然卟啉主要存在于植物叶绿素和动物血红素中，是一个闭合成十六元环的四个吡咯核结构为基础的复杂的含氮化合物。天然卟啉化合物可能会比人体外源性化合物更容易被人体吸收和带来更小的副作用，所以很多学者预见到卟啉化合物应用于光动力治疗的巨大潜力，并为此做了大量
［3］工作。
卟啉类化合物于19世纪中期才被分离出来。自此，大批的科学家开始研究探索卟啉类化合物的奥秘，其中做出突出贡献的有费舍（Hans Fisher），他在1930年被授予了诺贝尔化学奖。1841年，舍雷尔（Scherer）在研究血液时发现，用浓硫酸处理干血粉得到不含铁的沉淀物。1867年，Thudichum发现这些黑红色沉淀物有荧光特性，后来被Hoppe-Seyler称为血卟啉（haematoporphyrin，Hp）。1911年W.Hausmann首次研究了血卟啉的生物学作用，他发现血卟啉和光的联合作用可以杀死细胞，将血卟啉涂于小鼠皮肤上，曝光区皮肤有明显红肿等反应。科学家研究还发现，血卟啉外敷后聚集于肿瘤组织的效果并不佳，需使用较大的剂量，且其对肿瘤细胞所产生的毒性仍有限。1913年，德国科学家Friedrich Meyer-Betz最先应用卟啉类化合物进行人体内光动力治疗，他给自己注射了200 mg血卟啉，皮肤曝光部位有明显的肿胀和疼痛感，这一症状持续了几个月，这是人类首次报道血卟啉导致人体皮肤的光敏反应。1924年，Policard首次观测到肿瘤组织中血卟啉的荧光，而且肿瘤组织中的荧光比周围组织要强。1942年，Auter和Banzer给癌症患者注射血卟啉后，观察到血卟啉更容易富集在肿瘤、转移瘤和淋巴中；当用紫外线照射时肿瘤区产生橘红色荧光；当用日光照射时可以损伤肿瘤组织。这是人类首次发现血［4］卟啉对肿瘤组织的光敏杀伤作用。在此时期Figge也致力于研究［5，6］光动力治疗。1951年，Manganiello发现在一些非肿瘤部位，如伤口、淋巴结、胎盘也会富集卟啉化合物。1953年，Peck做了更深入的工作，发现金属卟啉化合物也同样易富集在肿瘤部位。Peck继续做了血卟啉的临床实验，在他的实验中用到的剂量比较低（<120mg/人），在临床上他没能观测到血卟啉在肿瘤中的富集。1955年，Rassmussen Taxdal报道了给患者应用血卟啉（500～1000mg/人）3～12h后，在多种肿瘤（如舌鳞状细胞癌、阴茎鳞状细胞癌、结肠腺癌、直肠腺癌、嗅叶沟脑膜瘤、乳腺癌）中都观测到了卟啉，可是在前列腺癌、颈髓室管膜瘤和纤维化乳房肿块中没有观测到卟啉，他还指出卟啉易于富集在肿瘤部位并发射荧光将有利于肿瘤［7］的诊断和“可视”指导手术切除肿瘤。1955年前后，Schwartz用冰醋酸-浓硫酸（1:15）处理市售的血卟啉，然后用3％乙酸钠中和，制备得到一种复杂的混合卟啉制剂，后来被称为血卟啉衍生物（haematoporphyrin derivatives，HpD），并观察到血卟啉衍生物在肿瘤组织的荧光定位特性显著好于血卟啉，光动力杀伤作用优于血卟啉，在淋巴组织的富集比血卟啉少。血卟啉衍生物至今仍然是临床上使用的主要光敏剂之一。后来，Kessel确定血卟啉衍生物是多种血卟啉醚和酯化后的混合物，它们具有比血卟啉更好的疏水性，所以能更［8～10］好地富集在肿瘤区域。从1960年开始，Lipson和同事在梅奥诊所（Mayo Clinic）进行了光动力治疗和研究，并取得突破性成果，包括血卟啉衍生物的肿瘤荧光定位诊断技术和优良的光动力治疗效果［11～13］。1961年和1964年，Lipson先后报告50例支气管肺癌和食道癌患者的HpD诊断结果，阳性符合率在80％以上，并首次提出“荧光内镜诊断”的概念。1966年，Lipson提出了利用血卟啉衍生物的光敏化作用来治疗肿瘤的设想，并给一位乳腺癌患者进行了光动力治疗，注射血卟啉衍生物数小时后，用白光照射胸壁上的转移乳腺癌，［14］发现肿瘤部分坏死。1968年，Gregorie等报告了对226例肿瘤患者的诊断结果，恶性肿瘤173例（包括乳腺癌、宫颈癌、喉癌、肺癌、基底细胞癌、皮肤鳞癌、食道癌、黑色素瘤和视网膜母细胞瘤等），其中132例可以看到血卟啉衍生物的橘红色荧光。1972年Diamond等在旧金山进行了一项研究，在神经胶质瘤细胞的培养基中加入血卟啉，白光照射50min后，台盼蓝试验发现神经胶质瘤细胞100％死亡。给皮下荷有神经胶质瘤细胞的小鼠注射血卟啉后24h，光照后瘤体明显缩小，肿瘤的生长明显受到抑制。但深部光不能到达的部位肿瘤继续生长。Diamond认为他的研究提示PDT有可能成为治疗脑肿瘤［15］或其他肿瘤的一种新方法。
光动力发展史上一个里程碑性的重要时期是在20世纪70、80年代，在此时期光动力治疗成功应用于临床治疗多种疾病。1975年美国水牛城（Bufflo）的Roswell Park肿瘤研究所的Thomas Dougherty教授和他的同事应用光动力治疗耐传统治疗的乳腺癌实验获得成功。同年，伦敦圣玛丽医院（St Mary′s Hospital）泌尿外科医生Kelly等把一例膀胱癌患者的癌细胞种植在小鼠皮下，HpD-PDT后肿瘤结节发生溃疡而破坏，周围的正常皮肤明显水肿；但种植正常的表皮或平滑肌细胞，HpD-PDT的作用较弱甚至无效。她的研究表明光动力治疗有一定选择性。他们的实验研究都为光动力疗法的临床应用奠定了基础。1976年，Kelly把200W水银蒸气灯的光经5mm水晶棒导入一例膀胱癌患者的膀胱内，此患者经尿道肿瘤切除，膀胱内放、化疗后仍复发，水银蒸气灯照射30min，48h后发现照光区的肿瘤发生坏死，但非照［16，17］光区没有变化。1978年，Dougherty报道了25例光动力治疗皮肤肿瘤的临床研究。25例患者有113处原发的或转移的肿瘤，原发的肿瘤病理类型有鳞状细胞癌、基底细胞癌和恶性黑色素瘤，转移性的肿瘤来源于乳腺、大肠和子宫内膜等处，所有的肿瘤经传统治疗后均无效。经HpD-氩弧光照射治疗，24～168h后，98处病变完全消退，13处有部分反应，2处无明显效果。光动力治疗后的副作用包括局部红斑、水肿，严重的发生局部皮肤坏死，延长避光时间可减少并发症。这是当时所报道的病例数最多的光动力治疗临床研究文献，并第一次在人体上证实传统治疗方法无效的肿瘤光动力治疗仍然有效。Dougherty还提出一个好的光敏剂能否成功的应用了临床治疗，它要具备：没有光照时光敏剂本身引起的生物毒性要小；能选择性富集在［18，19］肿瘤靶体部位；光敏剂被激发波长在600nm以上会更理想。®Dougherty领导的实验组把血卟啉衍生物进一步纯化，得到Photofrin，商品名为卟非姆钠（Porfimer Sodium）。习惯上，把HpD和®Photofrin称为第一代光敏剂。1980年以后，日本东京医科大学早田一博、加藤等人报道用染料激光器为治疗光源，治疗早期肺癌、胃癌、食管癌，癌细胞于两周内全部被杀死，他们对疗效很满意。1.4 光动力治疗成熟临床应用阶段
20世纪80年代末90年代初期，加拿大QLT公司（Quadra Logic Technologies Phototherapeutics Inc）和美国Lederle实验室®（Cyanamid Co.）合作进行Photofrin临床前研究，共同推动®Photofrin早日批准应用于临床治疗。1993年，加拿大首先批准®Photofrin应用于临床治疗膀胱癌。随后，1995年美国食品与药品监®督管理局也通过了把Photofrin用于治疗障碍性食管癌。自此以后，英国、德国等欧洲国家，日本、中国等亚洲国家也相继批准了用光动力疗法来治疗一些癌症，如胃癌、肺癌、食管癌、膀胱癌和头颈癌等［20］。至此，光动力疗法正式确立了其在临床应用中的地位。与光动力相关的研究也进入了繁盛时期，在Science网站（http://apps.isiknowledge.com）上搜索“photodyna-mic”，1900～1955年期间，有112篇文章发表，随后的50多年（1955～2009年），有超过15000篇文章，在最近5年中，有超过6000篇关于光动力的文章发表［2］
。在Google中搜索“photodynamic”，会出现400多万相关的文章与报道。目前光敏剂的研究已获得很大的进展，在第一代光敏剂的基础上，相继开发了第二、三代光敏剂，有的已经进入Ⅰ期、Ⅱ期临®床阶段。1999年，美国食品与药品监督管理局批准用Levulan作为光®动力治疗药物的前体治疗光化角质病。随后，Levulan的衍生物®Metvix（methylaminolevulinate，MAL）和®Hexvix（hexylaminolevulinate，HAL）在欧洲和澳大利亚上市。®2000年，美国FDA批准了第二代光敏剂Visudyne用于临床治疗老年黄斑变性等新生血管类眼科疾病，为千万眼科疾病患者带来了光明。®2001年，Foscan在欧洲被批准用于治疗头颈癌。目前，光动力已经成功应用于治疗浅表、空腔和实质器官的肿瘤。光动力不仅治愈了多种恶性肿瘤病变，而且在治愈良性疾病方面也取得了很大成就（图1-5）。图1-5 光动力治疗发展过程中的重要事件
当今，除了光敏剂开发有突破性进展外，光源和引导器械的发展也促进了光动力治疗的适应证数增加。如各种与光敏剂吸收波长相匹配的新型激光器的开发，使得光敏剂更有效的被激活；稳定功率的长波长激光器的出现，能更有效地治疗体积较大、深度肿瘤；各种器官的内镜能清楚指导光动力治疗的定位；多种形状的光纤的出现更方便快捷地治疗各种形状的病变。光动力疗法已成为肿瘤和良性病变综合治疗中不可缺少的治疗手段。光动力治疗以其独特的“光到病除”的优势和选择性，越来越多的造福患者，为更多的患者提供治愈的机会。1.5 光动力疗法在我国的发展
在中国古代，就已经提出晒太阳对身体健康的影响。唐朝孙思邈《千金翼方》十一卷提到：“宜时见风日。若不见风日，则令肌肤脆软，便易中伤。……天和暖无风之时，另母将而于日中嬉戏。数令见风日，则血凝气刚肌肉牢密，堪耐风寒，不致疾病。”由此可知，当时的医生已经发现阳光对于预防疾病的功效。中国有丰富的草药资源，我们的祖先很早就开始认识和利用草药。在长期的经验积累中，他们在直接利用太阳光预防和治疗疾病的同时，也发现了某些草药涂在皮肤上，然后晒太阳，可以治疗一些皮肤疾病。在一些少数民族地区代代相传着一些民间土法，如用一些感光的草药治疗皮肤瘙痒等。
近代医学方面我们主要是更多的学习了西方，在学习西方医学的基础上结合我国国情再进行研发。系统的研究光动力治疗在中国比较晚，约在1970年，在中药和西医结合的基础上，利用白芷加上照射黑光（紫外线）用来治疗银屑病取得了成功。随后白芷还成功应用于白癜风的光动力治疗。
直到1981年，中国学者才分离得到HpD，并研究它们的光动力特性。20世纪80年代我国先后有三种临床试用的混合卟啉制剂，即癌卟啉（HpD，北京），癌光啉（PsD-007，上海）和光卟啉（HpD，扬州），其中北京HpD已获得国家新药实验批准文号，商品名为血卟啉钠。在引进和应用国际公认的性能优良的光敏剂药物的同时，我国科研工作者也在积极探索和开发中国特有的光敏剂资源，如：竹红菌素是生长在我国云南、四川海拔3000～3500m高寒地区箭竹上的一种真菌，云南白药集团已经开发上市竹红菌软膏，治疗外阴白色病变，肥厚性瘢痕等；上海第二军医大学研制的血卟啉单甲醚（hematoporphyrin monomethylether，HMME）是一种单体卟啉，化学纯度可达99.8％，在体内代谢快。解放军总医院于1996年开始将其用于鲜红斑痣的临床治疗，已成功治疗患者近千例。我国有悠久的养蚕历史，把蚕沙中提取出的卟吩类化合物应用于光动力治疗，也取得了很好的效果。
我国在光动力治疗方面的研究较美国、加拿大、欧洲、日本等起［21～23］步稍迟，但进步较快。1981年7月北京同仁医院应用北京工业制药研究所研制的HpD和北京市光电子技术研究所提供的激光器，诊治一例左下睑基底细胞癌患者获得成功，从而开创了国内PDT应用的先例。同年北京成立了“北京地区PDT治疗协作组”，共有8家医院参加，在1982年8月～1984年12月期间共采用PDT治疗各种肿瘤患者421例，总有效率达86.7％。PDT诊治肿瘤曾被列为我国“六五”、“七五”科技重点攻关项目。国家投入了大量人力物力，从药物、设备、基础到临床做了大量研究，取得了举世瞩目的成就，同时也加快了PDT专业队伍的建设和相关人才的培养，极大地促进了我国PDT事业的发展和普及。经过多年的研究，我国已经研制出临床需要的多种激光器，开发出癌卟啉、癌光啉和光卟啉等光敏剂，临床诊治患者达数千例以上，使我国成为开展PDT病例治疗数最多的国家之一。目前，我国在光敏剂开发、相关基础研究和临床应用等方面已形成自己的特色，某些领域已走在世界前列。参考文献［1］丁新民，徐勤枝，顾瑛，刘凡光.中国肿瘤，2003， 12：151-155.［2］J P Celli，B Q Spring，I Rizvi，C L Evans，K S Samkoe，S Verma，B W Pogue，T Hasan.Chem Rev，2010，110：2795-2838.［3］D E Dolmans，D Fukumura，R K Jain.Nat Rev Cancer，2003，3：380-387.［4］C C C hen.Advancesin the biology，im maging and therapies for glioblastoma，Intech，2011.［5］F H Figge，G S Weiland，L O Manganiello.Anat Rec，1948，101：657.［6］F H Figge，G S Weiland，L O Manganiello.Proc Soc Exp Biol Med，1948，68：640.［7］R A Thaller，D M Lyster，D Dolphin.Adv Exp Med Biol，1983，160：265-278.［8］D Kessel.Photochem Photobiol，1986，44：193-196.［9］D Kessel.Photochem Photobiol，1986，44：489-493.［10］D Kessel.Photochem Photobiol，1986，44：107-108.［11］R L Lipson，E J Baldes，A M Olsen.J Thorac Cardiovasc Surg，1961，42：623-629.［12］R L Lipson，E J Baldes.Arch Dermatol，1961，83：417-419.［13］R L Lipson，E J Baldes，A M Olsen.J Natl Cancer Inst，1961，26：1-11.［14］H B Gregorie Jr，E O Horger，J L Ward，J F Green，T Richards，H C Robertson Jr，T B Stevenson.Ann Surg，1968，167：820-828.［15］I Diamond，S G Granelli，A F McDonagh，S Nielsen，C B Wilson，R Jaenicke.Lancet，1972，2：1175-1177.［16］J F Kelly，M E Snell，M C Berenbau m.Br J Cancer，1975，31：237-244.［17］J F Kelly，M E Snell.J Urol，1976，115：150-151.［18］T J Dougherty，J E Kaufman，A Goldfarb，K R Weishaupt，D Boyle，A Mittleman.Cancer Res，1978，38：2628-2635.［19］T J Dougherty，C J Gomer，B W Henderson，G Jori，D Kessel，M Korbelik，J Moan，Q Peng.J Natl Cancer Inst，1998，90：889-905.［20］Z Huang.Technol Cancer Res Treat，2005，4：283-293.［21］Z Huang.Photodiagnosis Photodyn Ther，2008，5：285-287.［22］Z Huang.Photodiagnosis and Photodyna mic Therapy，2006，3：71-84.［23］Z Huang.Photodiagnosis and Photodyna mic Therapy，2006，3：3-10.第2章 光动力治疗机理
光动力治疗过程中靶体内的光敏剂受到相应波长的光（可见光、近红外线或紫外线）照射时，光敏剂分子吸收光子的能量，由基态被激发到激发态，处于激发态的光敏剂分子，迅速经过一系列的光物理或光化学过程释放出能量而返回基态。处于激发态的光敏剂分子，可以通过发射荧光回到基态；可以与基态氧（O）发生能量传递或电2子转移，生成大量活性氧物种（ROS），活性氧能与多种生物大分子相互作用，损伤细胞结构或影响细胞功能；激发态的光敏剂分子也有可能直接和生物分子发生反应，损伤生物分子，这些过程都能起到治疗作用。光动力治疗是一个复杂的光化学-生物学过程，它的初级反应是光敏化反应，次级反应大多属于生物化学反应的范畴，随后发生的是一系列生物学反应。2.1 光物理基本过程
所有的光敏化过程都与光的作用密不可分。光敏剂分子首先需要吸收一定能量的光，才能产生电子激发态。一般有机化合物从基态激发至激发态所需能量约为30～340kcal/mol（1cal=4.1840J，相当于200～700nm）。激发能E和分子吸收的光的波长λ（nm）之间的关系为：E=hν=hc/λ （2-1）-348式中，h是普朗克常数（6.63×10J/s）；c为光速（2.98×10m/s）；ν为光的频率。-15
分子吸收（约10s）光能后引起能级的变化，不同波长的光所引起分子的能级变化是不同的。长波长的远红外线能量比较低，只能增加分子的转动能级，红外线可以增加分子的振动能级，可见光和紫外线能量较高，会使电子由一定的基态跃迁到一定的激发态，若分子吸收波长很短的紫外线，还可以使分子中一个电子离开分子，变成离子（图2-1）。图2-1 光敏剂分子激发态能级和失活过程图（Jablonski图）1—吸收；2—荧光；3—内转换；4—系间窜跃；5—磷光；6—系间窜跃；7—振动弛豫；8—电子转移；9—能量传递
处于激发态的光敏剂分子是不稳定的，激发态的能量越高，其稳定性越差。因此高级三重态和高级单重态的寿命都比较短，它们倾向于释放出能量而转变成较稳定的电子状态。激发态释放能量的途径有两种：通过辐射和非辐射的过程释放激发能；通过化学反应释放激发［1，2］能。2.1.1 辐射和非辐射途径
处于较高激发能（S和T）的光敏剂分子会迅速释放出一部分nn能量而转变成第一激发态（S或T），这种降低能量的过程称为能量11的振动弛豫（vibrational cascade，VC）。分子从一种电子状态转变为另一种多重态相同的电子状态为内转换过程（internal conversion，IC）。振动弛豫和内转换的速度都是非常快的。分子从一种电子状态转变成另一种多重态不同的电子状态称为系间窜跃（intersysterm crossing，ISC）。振动弛豫、内转换和系间窜跃时，激发态以热的形式向周围的环境释放能量，这种释放能量的方式称为非辐射跃迁。
处于激发态的分子回到基态，除了上述的非辐射跃迁外，另一种是以光的形式释放能量，称为辐射跃迁。由S回到S的过程中发射10-10-7的光为荧光，荧光发射非常快，一般在10～10s内完成。由T回1-6到S过程中发射的光为磷光，磷光的发射相对较慢，一般为10～1s。02.1.2 光敏化作用和猝灭作用
基态分子D吸收光能被激发到激发态，激发态的分子D将其激发能传递给一个基态分子A，D自身转化为基态分子，而A转变为激发态分子，称为光敏化作用（photosensitization）。在此过程中，A是受体，D是给体，也称为光敏剂。
激发态的光敏剂可以通过能量传递或电子转移来敏化受体。D将激发能传递给A，可进行长距离或短距离的能量传递。长距离的能量传递可以在5nm的距离内通过给体和受体之间的库仑作用发生，短距离的能量传递只能在两个分子直接碰撞时才发生。当一个给体和受体相遇时，它们的电子自旋状态的变化遵守魏格纳尔（Wigner）自旋守恒定律。两个分子经能量传递后，体系的总自旋要守恒。如：一个三重态的给体（）可以活化一个单重态的受体（），通过下列两种方式完成：
在上面两个过程中，一个三重态产生另一个三重态，一个单重态产生另一个单重态。自旋守恒定律本身不是非常严格的，违背自旋守恒的能量传递过程仍有可能发生，只是概率大小不同。激发态给体寿命的增加使得这种自旋禁阻的能量传递过程可能发生。如光敏剂三重态激发态与基态氧能量传递生成单重态氧的过程，光敏剂的三重态寿命越长，产生单重态氧的概率越大。
另一种激发态的给体D与受体A之间的作用是通过电子转移发生的，如：
事实上，在体系中激发态发生能量传递和电子转移是并存而且竞争发生的。只是可以通过改变一些实验条件来调控这两个过程，使其更倾向于某一个过程的发生。
激发态分子被另一种分子（quencher，Q）夺去激发能而失活，但Q不进行光化学反应，而是经过其他途径将能量散失在周围环境中，称为猝灭作用（quenching），如：溶液中的溶剂分子或氧分子可以猝灭光敏剂的激发态辐射过程。2.2 光化学反应
一个分子被激发后，可以经过辐射或非辐射过程回到基态，也可以通过激发态发生化学反应使能量释放，即光化学反应。高级激发态寿命较短，难以引起光化学反应。光化学反应基本上都是S、T引11起的。T比S的寿命长得多，T引起的光化学反应最为普遍，三重111态在光化学反应中十分重要。
光化学反应可以是单分子的反应，即由S或T自身发生变化的11反应。例如光解反应：光敏剂在紫外线照射下，产生激发态，激发态裂解成两个中性分子或两个自由基，然后再发生反应。激发态本身的异构化和重排等也是单分子的光化学反应。光化学反应也可以是双分子的，双分子光化学反应一般发生在一个处于S或T激发态分子和11一个基态分子之间，引起反应的激发态分子和基态分子可以是相同的化合物，也可以是不同的化合物。而两个激发态分子之间的光化学反应的可能性是极小的。
下面介绍几种在光的激发下发生的光化学发应。（1）光加成（photoaddition）
在紫外线照射下，会损伤DNA，一种能导致DNA分子破坏的重要光加成过程是胸腺嘧啶二光聚反应，如下：
另一个重要的光加成例子是半胱氨酸（蛋白质中）与胸腺嘧啶的反应，它能引起DNA与蛋白的光化学交联，反应如下；
光敏剂受光激发后，它们有可能会和细胞中的生物分子反应，形成化合物。一个重要的例子是光敏剂8-甲氧基补骨脂素（8-MOP）和DNA中的嘧啶［2+2］光加成。这个光化学反应是造成人体皮肤中8-甲氧基补骨脂素光毒性的一个主要原因。如下所示：（2）光裂解（photofragmentation）
在裂解反应中，被光激发的分子由于化学键的断裂而分解为两个或多个分子。当生物分子被短波长紫外线照射时，这种反应是非常普遍的，核黄素的光裂解如下：（3）光氧化（photooxidation）
这里是指一个分子受光激发后，被周围的物质所氧化的过程。当一个分子处于激发态时，它比基态时更容易发生氧化还原反应。氧气存在下，胆固醇光氧化的反应如下：（4）光水合（photohydration）
这类反应也造成了DNA的破坏。一个受激发的分子加合一个水分子生成一种新物质，比如尿嘧啶的光水合：（5）光顺反异构（photoisomerization）
光顺反异构化中一个重要的例子是视黄醛的光顺反异构。11-顺式视黄醛受光激发后一个双键上的基团由顺式旋转为反式，生成全反式视黄醛。这个过程如下：（6）光重排（photorearrangement）
这个光致过程中分子的一个化学键断裂，然后化学键发生了重排，如皮肤中的7-脱氢胆甾醇在紫外线的作用下产生了维生素D：3
蛋白质分子的光化学过程主要是基于其氨基酸残基的反应，另外，还有一些重要的光化学反应过程包括了二硫键的断裂。在有足够能量的光照下，会引起蛋白质、DNA、RNA、氨基酸等生物分子的损伤，而有些损伤是生物体本身难以修复的，这些损伤不断地积累或被复制遗传下来，就有可能导致疾病。所以在光疗过程中一定要严格按照规范进行，光动力治疗中尽量使用长波长的可见光进行治疗。
总之，光敏剂分子激发态可能发生的光化学和光物理过程可总结为图2-2。图2-2 光敏剂分子激发态可能发生的光化学和光物理过程2.3 光动力过程的基本原理
光动力治疗作为一种利用光和光敏剂（也称PDT药物）共同作用治疗疾病的方法，它的基本过程（图2-3）如下：首先患者进行系统或局部PDT药物给药；经过一定时间，使PDT药物选择性地富集在病变部位，可观测到光敏剂（光敏剂的荧光量子产率不是非常低的情况下）在病变部位的荧光；利用光源，一般是特定波长的激光，照射病变部位，PDT药物分子吸收光子产生大量活性氧物种（reactive oxygen species，ROS）杀死病变部位细胞或引起机体的其他生物反应，最终治愈病变；光动力治疗结束后一般要避光，清除体内残余PDT药物以减少副作用。图2-3 光动力治疗的基本过程黑色部位为PDT靶体部位（A）；经过给药光敏剂进入人体（B）；经过一段时间，如4～48h后，光敏剂富集在靶体部位（C）；光照靶体部位，产生ROS，杀死肿瘤细胞（D）；经过一次或多次PDT后，肿瘤消失，患者痊愈（E）2.3.1 光动力过程的化学机理
光动力治疗的机制是光敏剂被细胞或组织吸收后，在特定波长激光的照射下产生活性氧物种，活性氧物种具有很强的细胞毒性。目前认为光敏反应生成的ROS是靶体损伤的主要杀手。2.3.1.1 Ⅰ型机制和Ⅱ型机制
光敏剂吸收光以后，由基态（单重态）跃迁到激发单重态，激发单重态快速的系间窜跃生成激发三重态，常见光敏剂的三重态量子产率（triplet state quantum yields，Φ）通常在0.2～0.7范围内；一般T认为光敏剂的三重态寿命（triplet state lifetimes，τ）至少要长于T［3，4］500ns才有可能作为有效的光敏剂而供临床使用。处于激发态［5］的光敏剂将发生两种类型的反应，见图2-4。图2-4 光敏剂分子（用PS表示）生成活性氧物种的过程（1）Ⅰ型机制
直接与底物或溶剂发生抽氢反应或电子转移，生成底物和光敏剂的自由基或自由基离子，其中带负电荷的自由基和O发生电子转移2作用，产生超氧阴离子自由基（superoxideanionradical，·），进一步反应产生羟基自由基（hydroxylradical，HO·）等；碳中心的自由基可能会与氧反应生成过氧化自由基，进一步触发链反应导致大范围的氧化性损伤。这一过程称为Ⅰ型机制（Type Ⅰ），也叫自由基机制。（2）Ⅱ型机制
光敏剂三重激发态直接与氧发生能量传递反应，生成单重态氧1（singlet oxygen，O）。而单重态氧是一种具有高反应活性、高氧2化性的活性体，它具有亲电性，能高效氧化生物分子，如不饱和脂肪酸、蛋白质、核酸和线粒体膜等，诱导肿瘤细胞死亡。这一过程称为Ⅱ型机制（TypeⅡ），也叫单重态氧机制。（3）两种机制的竞争
上述两种反应可同时出现，二者的贡献大小取决于光敏剂的性质、底物、介质的性质、氧浓度以及底物与光敏剂的结合程度。Ⅱ型机制损伤效果与氧有关，对于大多数光敏剂而言，在有氧情况下光动力效果受单重态氧调控。但其他一些活性氧，如超氧阴离子和羟基自由基也起到了一定的作用。在肿瘤内部，肿瘤快速地消耗氧和其他养分，同时新血管的生成通常跟不上肿瘤的生长，因此经常是一个低氧的环境，此时会更有利于Ⅰ型机制的发生。由于癌细胞的这种微环境，［6～9］研究在缺氧环境下光敏剂的性质和机理也很有意义。1
把单线态氧（O），超氧阴离子自由基（），羟自由基（HO2·），过氧化氢（hydrogenperoxide，HO），脂质过氧化的中间产物22LO·，LOO·和LOOH·这些与氧相关的自由基或活性物质统称为活性氧物种（ROS），也有人还把臭氧O和几种氮的氧化物包括在内。31
光动力Ⅰ型机制产生了、HO·、HO等，Ⅱ型机制产生了O，222这两种过程不是互相孤立，而是互相影响，相互促进的，而且有些活性氧物种是可以互相转化的。以竹红菌乙素（hypocrellin B，HB）为例介绍它在光动力治疗中产生活性氧物种和对靶体有损伤能力的物种的机理。
在光的照射下，竹红菌乙素HB由基态跃迁到激发单重态，再通过系间窜跃生成三重态，溶液中存在氧气的情况下，三重态的HB将能量传递给基态氧，最终生成单重态氧。具体机理如下。
超氧阴离子自由基主要通过光诱导电子转移过程形成，在电子给体（D）存在时通过过程式（2-5）和式（2-6）产生，在无电子给体D时通过过程式（2-7）和式（2-8）产生。
竹红菌素类光敏产生羟基自由基有两个途径：超氧阴离子自由基的歧化反应产生过氧化氢［式（2-9）］，再通过Fenton反应生成羟基自由基［式（2-10）和式（2-11）］；通过HB半醌阴离子自由基与过氧化氢反应［式（2-12）］。
HB的半醌阴离子自由基由HB的激发态和基态之间发生电子转移作用而产生，HB的激发态与HB基态之间的电子转移反应如式（2-13）所示。当有还原剂（Reductant）存在时，如式（2-14）所示。
光动力Ⅰ和Ⅱ机制产生的ROS有所不同，而且可以看到超氧阴离子是羟基自由基和过氧化氢的前体，HB的半醌负离子自由基还可以和基态氧之间发生电子转移，生产超氧阴离子自由基，在PDT过程中，ROS的生成是相互影响、相互促进的。1
在细胞或生物体中，Ⅰ和Ⅱ型机制的竞争主要取决于O的寿命21和发生电子转移后生成的电荷分离态的稳定性。在水中O的寿命约2为3μs，有机溶剂中它的寿命要长得多。可是在有大量生物分子存在1的细胞环境中，O的寿命缩短很多，在细胞膜的脂区其寿命约为2100ns，在细胞质中寿命约为250ns（表2-1）。Ⅰ型机制要经过电子转移过程生成电荷分离态，电荷分离态自由基对在高介电常数的介质中更能稳定存在，这是由于高介电常数的介质中电荷分离反应的逆反应速率降低，而且更有利于生成的自由基逃逸出围绕自由基对的溶剂笼。所以在极性介质中有利于Ⅰ型机制的进行。文献［10］报道在极性溶液中加入电子受体，光照卟啉和锌酞菁可以观测到分子间电子转移的中间体，说明有利于电荷分离态的形成。另一方面，在亲脂性
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