光動力治療中氧分布的研究進(jìn)展

光動力治療中氧分布的研究進(jìn)展

光動態(tài)治療是在氧氣條件下，光敏劑吸收光，產(chǎn)生活性炭，破壞靶組織的一種治療方法。對于目前臨床上常用的卟啉類光敏劑,氧的存在是產(chǎn)生光動力效應(yīng)的必要條件,因此研究氧在靶組織和正常組織中的分布、光動力效應(yīng)對組織中氧含量的影響、以及氧含量對光動力效應(yīng)的反作用,對深入了解PDT的機(jī)理、效應(yīng),改進(jìn)治療方案、加強(qiáng)治療效果具有重要意義。1局部擴(kuò)散的活性氧是生命不可缺少的元素,是分解糖和脂肪、產(chǎn)生ATP的過程中重要的反應(yīng)物,因此即使在安靜狀態(tài)下,人體組織對氧仍有一定的消耗。血液是人體轉(zhuǎn)運(yùn)氧分子的途徑,正常情況下,血液中的氧儲備是較為充沛的,動脈血的氧含量是20ml/dl(每100ml血液含20ml氧),靜脈血的氧含量是15ml/dl,正常的生理代謝僅消耗了5ml/dl氧。氧在血漿中的溶解很少,僅有0.3ml/dl,與大量氧分子結(jié)合的是血紅蛋白。組織中的氧是血漿中游離的氧分子通過毛細(xì)血管壁擴(kuò)散到組織中的,當(dāng)血漿中的氧含量降低時,血紅蛋白中的氧分子迅速給予補(bǔ)充。組織中氧的含量除了受血液中的氧含量影響外,還與組織中氧的消耗、氧的彌散速度、血管間的距離有關(guān),這些因素共同決定了組織中氧的分布是不均勻的,也因此會在某些特定條件下出現(xiàn)局部組織的缺氧狀態(tài),例如劇烈運(yùn)動和PDT治療時。一般情況下,組織中的氧分布符合描述單純擴(kuò)散的Fick定律,其公式如下:Ds?2Co?x2??Co?t=Γ(4)Ds——氧的擴(kuò)散系數(shù);Co——氧濃度;?！玛惔x對氧的消耗,這里認(rèn)為是一個常數(shù);x——組織中某一點;t——時間。如圖1中?所表示的曲線,在正常情況下,由于組織代謝消耗氧,使組織中氧距血管越遠(yuǎn),濃度越低,在距血管100μm處,氧濃度是血管中氧濃度的1/10,距血管的距離達(dá)到160μm,組織中的氧只有血管中氧濃度的1/100。這種分布的不均衡,使組織耗氧增大時,距血管遙遠(yuǎn)的細(xì)胞具備缺氧的可能性。2光敏劑和激光的量對pdt活性的影響PDT的機(jī)理包括Ⅰ型和Ⅱ型作用機(jī)制:Ⅰ型機(jī)制是指激活的三線態(tài)光敏劑氧化底物,生成具有氧化活性的自由基,破壞生物分子;Ⅱ型機(jī)制是指三線態(tài)光敏劑將能量傳遞給氧分子,生成單線態(tài)氧,或者與氧分子發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成氧自由基,總稱活性氧物質(zhì),再氧化破壞生物大分子。Ⅱ型機(jī)制必須有氧的參與,對于目前臨床常用的卟啉類光敏劑,主要是通過Ⅱ型機(jī)制起作用,尤其以單線態(tài)氧的產(chǎn)生為主,因此,組織中的氧含量對PDT具有重要意義,同時,由于在PDT過程中對氧有大量的消耗,使組織中的氧含量發(fā)生了改變。PDT對氧的消耗量,取決于局部光敏劑和激光的量。針對卟啉類光敏劑,對Ⅱ型機(jī)理進(jìn)行簡化,只考慮單線態(tài)氧產(chǎn)生的情況下,PDT光化學(xué)反應(yīng)步驟如下:(S0)+hγe→(S1)?????(ε)(S1)→(T1)???????(k1)(T1)+(3O2)→(S0)+(1O2)??(k2)(1)S0是基態(tài)光敏劑,hγe是輻射光子,S1是單線態(tài)光敏劑,T1是三線態(tài)光敏劑,3O2是三線態(tài)氧分子(即基態(tài)氧),1O2是單線態(tài)氧分子;ε是光敏劑分子對光的吸收系數(shù),k1k2是反應(yīng)速率。假定生成一個1O2要消耗一個3O2,則局部組織中氧消耗的速率是:dC0dt=?εk1k2[hγe][S0](2)C0是氧濃度?？梢?如果在PDT中,局部組織中的光敏劑含量大,激光照射劑量也大,氧的消耗也快,當(dāng)這種速度大于氧從血管向組織中擴(kuò)散的速度時,在組織中就會出現(xiàn)缺氧的情況。另一方面,由于組織中的氧存在分布的不均,在假定局部組織中的光敏劑和激光不變、也就是氧的消耗保持穩(wěn)定的情況下,靠近血管的組織中的氧較多,可能不出現(xiàn)缺氧,而距血管較遠(yuǎn)的組織,就容易出現(xiàn)缺氧的情況。圖1中●標(biāo)志的曲線顯示了激光功率密度為50mW/cm2時氧含量的變化,○顯示激光功率密度為200mW/cm2時氧含量的變化,可以看出,在光敏劑含量不變的情況下,功率密度的增加,使氧消耗加快,缺氧的組織范圍加大。功率密度50mW/cm2時,距血管100μm內(nèi)有足夠的氧,有光動力效應(yīng);功率密度200mW/cm2時,只有距血管60μm內(nèi)有足夠的氧產(chǎn)生光動力效應(yīng)?？梢?PDT對組織中氧的消耗是否會引起組織缺氧,與激光、光敏劑的劑量,以及組織原有的氧含量有關(guān),這三方面的變化決定了組織中氧的含量,對它們的調(diào)整,可以在一定程度上調(diào)整組織中氧的含量,達(dá)到調(diào)節(jié)PDT治療效果的目的。3活性成分對光動力效應(yīng)的影響從PDT的光化學(xué)反應(yīng)式(1)可以看出,如果沒有氧分子的存在,O2是不可能產(chǎn)生的,因此,組織中氧含量對以Ⅱ型機(jī)制為主的卟啉類光敏劑的光動力效應(yīng)具有決定性的意義。為了使PDT達(dá)到理想效果,針對治療時組織中的氧消耗狀態(tài),研究者提出了一些改進(jìn)方法,通過數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建分析,獲取一些有意義的信息。3.1不同照光時間和間斷時間對組織中氧含量的影響在對腫瘤治療的研究中,人們發(fā)現(xiàn)由于腫瘤內(nèi)部的血管結(jié)構(gòu)畸形、數(shù)量較少、氧含量少,在PDT過程中極易發(fā)生氧耗竭的情況,使缺氧的腫瘤中心不能產(chǎn)生活性氧物質(zhì),腫瘤細(xì)胞得以保存,影響了臨床療效。針對這一情況,有研究者使用了間斷照光的方法,即在治療中照光30s～60s,間隔30s～60s,讓氧分子有時間重新彌散到距血管較遠(yuǎn)的組織中,改善那里組織的缺氧狀況,在下一個照光周期中能夠有氧參與反應(yīng),增加活性氧物質(zhì)的產(chǎn)生,這種方法改進(jìn)了臨床療效,但不同的照光時間和間斷時間療效差異不大,經(jīng)驗的方法不能解釋,Henning等建立了間斷照光時氧的消耗和彌散模型,仿真了照光和間斷時間分別為5s、30s、60s時組織中氧濃度,如圖2所示,—是激光連續(xù)照射時組織中氧含量曲線,在距血管60μm處就出現(xiàn)了缺氧;—△—顯示激光照射5s、間隔5s時氧含量的變化,有氧的組織距血管150μm;—

—顯示激光照射30s、間隔30s和—□—顯示激光照射60s、間隔60s時氧含量的變化曲線,可以在距血管相當(dāng)遠(yuǎn)的距離處,仍不出現(xiàn)缺氧,使光動力效應(yīng)得以達(dá)到全部組織。間斷30s和60s對缺氧改善區(qū)別不大,對單線態(tài)氧的產(chǎn)生數(shù)量影響也不大,治療效果近似。3.2不考慮光敏劑的共享關(guān)系在氧充沛的組織中,單線態(tài)氧的產(chǎn)量與氧無關(guān),只與光敏劑和激光的量有關(guān),在氧含量不高,容易在PDT過程出現(xiàn)缺氧的組織中,如果光敏劑和激光的量增大,氧迅速消耗,不再產(chǎn)生單線態(tài)氧,也達(dá)不到好的治療效果,因此在相對缺氧的組織中存在光敏劑和激光的最佳劑量,劑量過大和過小的情況一樣,都不能取得理想效果。如圖3所示:在不考慮光敏劑漂白的情況下,單線態(tài)氧量隨每克組織中光敏劑的含量與激光的功率密度的乘積的增加呈弧線型改變,有一個最佳的治療劑量,超過此值,單線態(tài)氧的產(chǎn)生減少。同時,受氧濃度的限制,在不同的地方,這個最佳劑量是可變的,圖中●表示的是距毛細(xì)血管240μm處單線態(tài)氧的變化,只有在光敏劑的含量與激光的功率密度的乘積是150mW/cm2μg/kg時,單線態(tài)氧的產(chǎn)量最大;■表示距毛細(xì)血管300μm處,光敏劑的含量與激光的功率密度的乘積則是在90mW/cm2～100mW/cm2μg/kg時,單線態(tài)氧的產(chǎn)量最大。同時,可以看到,距毛細(xì)血管240μm處單線態(tài)氧可達(dá)到3.4pM;距毛細(xì)血管300μm處單線態(tài)氧只有1.5pM,這顯示了氧含量對光動力效應(yīng)的限制作用。利用在相對缺氧的組織中存在最佳治療劑量、在光敏劑含量一致的情況下過大的功率密度與小功率密度的效果相同的現(xiàn)象,研究者用小劑量的功率密度治療皮膚基底細(xì)胞癌,取得與較大劑量的功率密度同樣的治療效果。4不同組織中氧分布的特點以及光動力選擇性的重要性1、pdt治療腫瘤的組織氧環(huán)境優(yōu)化光動力療法最早是用于對腫瘤的治療,與其他療法相比,PDT除副作用小,可以反復(fù)治療外,主要的一個優(yōu)點是它的選擇性。腫瘤組織可以富聚光敏劑,光敏劑的含量能比周圍的正常組織高出數(shù)倍,在激光照射后,腫瘤中活性氧物質(zhì)產(chǎn)生的量多,使腫瘤組織受到破壞;而正常組織產(chǎn)生的活性氧物質(zhì)少,得到了保護(hù)。但在臨床實踐中,發(fā)現(xiàn)PDT的選擇性作用達(dá)不到理想的效果,同時,對直徑較大的實體瘤作用表淺、有效破壞半徑僅達(dá)幾毫米,不能徹底破壞腫瘤。這與激光在組織中的穿透深度有密切關(guān)系,但光敏劑的漂白和腫瘤組織的缺氧狀態(tài)也限制了PDT的破壞效應(yīng)。腫瘤組織與正常組織存在一定的差異,在血液供應(yīng)上,由于腫瘤生長迅速,新生的毛細(xì)血管的生長相對滯后,使腫瘤中的毛細(xì)血管密度降低,血管間距離在100μm～300μm,而正常的組織中血管間距離在50μm～100μm,血管間距的增大,使距離血管較遠(yuǎn)的細(xì)胞處于缺氧狀態(tài),這種情況在腫瘤中心更明顯,缺血缺氧甚至可導(dǎo)致腫瘤中心的壞死。同時,腫瘤內(nèi)血管的血流速度也較正常血管低,使腫瘤靜脈端血液中的氧含量和血漿中氧的溶解量更低,能夠有效供氧的組織更少,通過仿真了解到在PDT中出現(xiàn)缺氧的組織范圍更大,削弱了PDT對腫瘤細(xì)胞的破壞。腫瘤組織這種缺氧狀態(tài),如前所述,使相當(dāng)一部分腫瘤細(xì)胞在PDT中沒有受到活性氧物質(zhì)的攻擊,得以存活,導(dǎo)致治療的不徹底,也限制了治療的深度和均勻性。同時,周圍的正常組織相對于腫瘤組織氧供應(yīng)充分,使PDT效應(yīng)得到完全發(fā)揮,因此,在PDT對腫瘤的治療中,腫瘤組織與周圍正常組織內(nèi)活性氧物質(zhì)的量,不與二者光敏劑含量的差異成正比,降低了治療的選擇性?？梢娊M織中氧含量的不均勻,在PDT對腫瘤的治療中,實際是降低了PDT的選擇性,削弱了PDT的療效。2、治療良性血管性疾病的關(guān)鍵:氧的作用隨著研究的深入,PDT的應(yīng)用范圍不斷拓展,進(jìn)入了良性疾病的治療領(lǐng)域。目前,在國外已獲FDA批準(zhǔn)的是PDT對老年眼底黃斑變性的治療;在國內(nèi)臨床較為成熟的是對鮮紅斑痣的治療,這兩者都是血管性病變,治療老年眼底黃斑變性是要去除新生的毛細(xì)血管,治療鮮紅斑痣是去除畸形擴(kuò)張的毛細(xì)血管。老年眼底黃斑變性上層覆蓋著視網(wǎng)膜色素上皮,如果被破壞會影響視力;鮮紅斑痣上層覆蓋著表皮,破壞后會留下疤痕,因此,對這些良性疾病的治療,周圍組織的保護(hù)更加重要,也是體現(xiàn)PDT優(yōu)于其他療法的關(guān)鍵之處。血管性疾病的病變部位為血管,在PDT過程中,血管及管壁的氧含量是非常充分的,即使在血管的靜脈端,經(jīng)過對組織的供氧,血管內(nèi)氧的總含量也達(dá)到15.3ml/dl,足以滿足PDT中的氧消耗,因此氧的作用不會對靶組織——病變血管的光動力效應(yīng)產(chǎn)生影響。+對于周圍的正常組織,氧對PDT的負(fù)面作用就能體現(xiàn)出來。以鮮紅斑痣為例,病變的血管位于真皮乳頭層,距離皮膚表面150μm左右,距需要保護(hù)的表皮基底層90μm左右,表皮和真皮正常組織相對于病變血管是處于氧含量低的情況,這樣的距離有可能在PDT過程中出現(xiàn)氧的不足,限制活性氧物質(zhì)的產(chǎn)生,尤其在光敏劑和激光劑量較大、使氧消耗加大的情況下,表皮中出現(xiàn)缺氧狀態(tài)