生物医学光子学.ppt

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1、光热治疗技术及其在生物医学中的应用管慧文1015061409目录背景癌症传统治疗方法新的治疗方法光热治疗简介原理光热试剂诊断治疗一体化案例背景癌症对人类健康和生命都有巨大的威胁，是人类死亡的主要原因之一。传统治疗方法癌症的传统治疗方法包括手术切除、化学治疗、放射线治疗等。手术切除在理论上可以通过完全移除肿瘤细胞而将癌症治愈，但外科手术无法切除已经转移到其他部位的癌细胞，同时也无法精确切除所有癌变细胞而有可能导致癌症复发。更为重要的是，对于年老体弱的患者来说，外科手术这种创伤性极大的治疗方法有可能带来比癌症本身更大的危险

2、。化学治疗（或化疗）使用可以杀死癌细胞的药物进行癌症的治疗。由于癌细胞相比正常细胞具有快速分裂和生长的特性，所以化疗用药的作用原理通常是借由干扰细胞分裂的机制来抑制癌细胞的生长。因此，大多数化疗药物都没有对于癌细胞的特异性，会在杀伤癌细胞的同时也影响正常细胞，具有较大的副作用。放射线治疗（或放疗）是通过放射性辐射杀死癌细胞。放疗使用放射源发出的辐射线破坏细胞的遗传物质，阻止细胞生长或分裂，以此杀死癌细胞。然而放疗的效果仅局限与辐射区域内，同时放疗也不具有选择性，会导致正常细胞和组织的损失，造成较大的副作用。癌症治疗的新

3、方法近年来兴起了一系列癌症治疗的新方法，包括光热治疗、基因治疗、免疫治疗、光动力治疗等等，这些方法无一例外的都属于无创性或者低创伤性治疗，可以有效减轻患者的痛苦，同时都具有一定的靶向治疗特性，可以定点杀伤癌细胞而对正常细胞带来很少的伤害。这些新的治疗方法大都处于研究阶段或者临床试验阶段，因此，通过不断的优化调整，这些新兴的癌症治疗方法都具有很大的临床应用潜力光热治疗光热治疗（PTT）通常是通过激光照射给肿瘤组织加热，一般照射时间为几分钟到几十分钟，使肿瘤组织温度升高。在这样的温度下，由于肿瘤细胞对热的耐受性较低，肿瘤细

4、胞被选择性地破坏。光热治疗产生的热量，往往使肿瘤细胞发生不可逆的损伤，主要表现为线粒体膨胀、蛋白质失活、双折射性的丢失、水肿和组织坏死、细胞膜松散及膜蛋白的变性等。光热治疗使用的激光波长多为700~1000nm，电磁波的这一波长区域被认为是人体组织的光学窗口。也就是说，波长为700~1000nm光对人体组织的穿透性最好，实验证明此区域内的光可以穿透约1cm厚度的组织而不对其产生明显的破坏作用。因此，使用近红外激光可以实现穿透皮肤和组织，在不破坏正常细胞的情况下，实现对于深层肿瘤组织的有效热杀伤。治疗原理光热杀死肿瘤细胞

5、的原理主要包括三个方面：（1）间接杀死肿瘤细胞：肿瘤组织的毛细血管在发育上和功能上都比正常血管差，肿瘤组织的毛细血管缺乏弹性，导致肿瘤组织内血流缓慢，易形成栓塞，且不容易散热，在光热治疗条件下，肿瘤组织的温度与正常组织的温差可达5~10°C，可以利用这个温差来杀死肿瘤细胞而又不损伤正常组织的细胞。另一方面，肿瘤组织血流不通畅会导致肿瘤内部缺氧，加热会加剧这一过程，使得肿瘤细胞更容易被杀死。（2）直接杀死肿瘤细胞：加热会使肿瘤细胞细胞膜上磷脂的状态发生改变，从而引起细胞膜的流动性和通透性发生改变，导致膜蛋白发生功能的丧失

6、，甚至导致蛋白质变性。此外，加热还会改变细胞骨架，从而改变细胞的形态，进一步改变细胞的代谢及功能。（3）诱导细胞凋亡：很多研究表明，加热会引起细胞内凋亡促进基因（包括野生型p53等）和凋亡抑制基因（bcl-2，突变型p53等）的表达改变，从而引发细胞发生凋亡。光热试剂人体中固有的光吸收剂包括水、血红蛋白、氧和血红蛋白和黑色素等。这些物质吸收光能后，会引发一定程度的组织温度升高，但是由于生物体对可见光较强的散射和吸收，使得可见光对组织的穿透深度不够，产生的热量不足以杀伤肿瘤细胞。同时，这些光吸收剂是人体本身固有的，在全身

7、都有分布，因此，以这些物质作为光吸收剂，很难分辨出正常组织和肿瘤组织，从而引起对正常组织的热损伤。为了提高激光诱导的光热治疗的效率和肿瘤选择性，通常会将具有光吸收性能的光热治疗剂导入肿瘤部位，使得肿瘤组织温度迅速升高，同时不会引起周围正常组织温度的明显升高。光热试剂的要求与分类首先，最重要的就是具有良好的光热转换效率其次，应该无毒或只有较低的生物毒性第三，材料应该是易功能化的，可以在其表面修饰其他分子，如药物分子，光敏剂等。材料类型代表优点缺点第一代贵金属纳米颗粒Au、Ag、Pt光热转换效率较高价格昂贵第二代碳类材料石

8、墨烯、碳纳米棒较大的光热转换面积近红外区吸收能力差第三代金属与非金属化合物CuS、ZnS处于研究的热潮第四代有机染料物质吲哚菁绿、普鲁士蓝处于研究的热潮金纳米材料诊断治疗一体化从发现疾病到恢复健康，一般需要经过诊断和治疗两个阶段。疾病的诊断和治疗在传统的临床应用中是两个相对独立的过程，所以诊断用造影剂和治疗试剂也需要分别使用。两次