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1、光熱治療技術及其在生物醫(yī)學中的應用管慧文1015061409目錄背景癌癥傳統(tǒng)治療方法新的治療方法光熱治療簡介原理光熱試劑診斷治療一體化案例背景癌癥對人類健康和生命都有巨大的威脅，是人類死亡的主要原因之一。傳統(tǒng)治療方法癌癥的傳統(tǒng)治療方法包括手術切除、化學治療、放射線治療等。手術切除在理論上可以通過完全移除腫瘤細胞而將癌癥治愈，但外科手術無法切除已經(jīng)轉(zhuǎn)移到其他部位的癌細胞，同時也無法精確切除所有癌變細胞而有可能導致癌癥復發(fā)。更為重要的是，對于年老體弱的患者來說，外科手術這種創(chuàng)傷性極大的治療方法有可能帶來比癌癥本身更大的危險
2、?；瘜W治療（或化療）使用可以殺死癌細胞的藥物進行癌癥的治療。由于癌細胞相比正常細胞具有快速分裂和生長的特性，所以化療用藥的作用原理通常是借由干擾細胞分裂的機制來抑制癌細胞的生長。因此，大多數(shù)化療藥物都沒有對于癌細胞的特異性，會在殺傷癌細胞的同時也影響正常細胞，具有較大的副作用。放射線治療（或放療）是通過放射性輻射殺死癌細胞。放療使用放射源發(fā)出的輻射線破壞細胞的遺傳物質(zhì)，阻止細胞生長或分裂，以此殺死癌細胞。然而放療的效果僅局限與輻射區(qū)域內(nèi)，同時放療也不具有選擇性，會導致正常細胞和組織的損失，造成較大的副作用。癌癥治療的新
3、方法近年來興起了一系列癌癥治療的新方法，包括光熱治療、基因治療、免疫治療、光動力治療等等，這些方法無一例外的都屬于無創(chuàng)性或者低創(chuàng)傷性治療，可以有效減輕患者的痛苦，同時都具有一定的靶向治療特性，可以定點殺傷癌細胞而對正常細胞帶來很少的傷害。這些新的治療方法大都處于研究階段或者臨床試驗階段，因此，通過不斷的優(yōu)化調(diào)整，這些新興的癌癥治療方法都具有很大的臨床應用潛力光熱治療光熱治療（PTT）通常是通過激光照射給腫瘤組織加熱，一般照射時間為幾分鐘到幾十分鐘，使腫瘤組織溫度升高。在這樣的溫度下，由于腫瘤細胞對熱的耐受性較低，腫瘤細
4、胞被選擇性地破壞。光熱治療產(chǎn)生的熱量，往往使腫瘤細胞發(fā)生不可逆的損傷，主要表現(xiàn)為線粒體膨脹、蛋白質(zhì)失活、雙折射性的丟失、水腫和組織壞死、細胞膜松散及膜蛋白的變性等。光熱治療使用的激光波長多為700~1000nm，電磁波的這一波長區(qū)域被認為是人體組織的光學窗口。也就是說，波長為700~1000nm光對人體組織的穿透性最好，實驗證明此區(qū)域內(nèi)的光可以穿透約1cm厚度的組織而不對其產(chǎn)生明顯的破壞作用。因此，使用近紅外激光可以實現(xiàn)穿透皮膚和組織，在不破壞正常細胞的情況下，實現(xiàn)對于深層腫瘤組織的有效熱殺傷。治療原理光熱殺死腫瘤細胞
5、的原理主要包括三個方面：（1）間接殺死腫瘤細胞：腫瘤組織的毛細血管在發(fā)育上和功能上都比正常血管差，腫瘤組織的毛細血管缺乏彈性，導致腫瘤組織內(nèi)血流緩慢，易形成栓塞，且不容易散熱，在光熱治療條件下，腫瘤組織的溫度與正常組織的溫差可達5~10°C，可以利用這個溫差來殺死腫瘤細胞而又不損傷正常組織的細胞。另一方面，腫瘤組織血流不通暢會導致腫瘤內(nèi)部缺氧，加熱會加劇這一過程，使得腫瘤細胞更容易被殺死。（2）直接殺死腫瘤細胞：加熱會使腫瘤細胞細胞膜上磷脂的狀態(tài)發(fā)生改變，從而引起細胞膜的流動性和通透性發(fā)生改變，導致膜蛋白發(fā)生功能的喪失
6、，甚至導致蛋白質(zhì)變性。此外，加熱還會改變細胞骨架，從而改變細胞的形態(tài)，進一步改變細胞的代謝及功能。（3）誘導細胞凋亡：很多研究表明，加熱會引起細胞內(nèi)凋亡促進基因（包括野生型p53等）和凋亡抑制基因（bcl-2，突變型p53等）的表達改變，從而引發(fā)細胞發(fā)生凋亡。光熱試劑人體中固有的光吸收劑包括水、血紅蛋白、氧和血紅蛋白和黑色素等。這些物質(zhì)吸收光能后，會引發(fā)一定程度的組織溫度升高，但是由于生物體對可見光較強的散射和吸收，使得可見光對組織的穿透深度不夠，產(chǎn)生的熱量不足以殺傷腫瘤細胞。同時，這些光吸收劑是人體本身固有的，在全身
7、都有分布，因此，以這些物質(zhì)作為光吸收劑，很難分辨出正常組織和腫瘤組織，從而引起對正常組織的熱損傷。為了提高激光誘導的光熱治療的效率和腫瘤選擇性，通常會將具有光吸收性能的光熱治療劑導入腫瘤部位，使得腫瘤組織溫度迅速升高，同時不會引起周圍正常組織溫度的明顯升高。光熱試劑的要求與分類首先，最重要的就是具有良好的光熱轉(zhuǎn)換效率其次，應該無毒或只有較低的生物毒性第三，材料應該是易功能化的，可以在其表面修飾其他分子，如藥物分子，光敏劑等。材料類型代表優(yōu)點缺點第一代貴金屬納米顆粒Au、Ag、Pt光熱轉(zhuǎn)換效率較高價格昂貴第二代碳類材料石
8、墨烯、碳納米棒較大的光熱轉(zhuǎn)換面積近紅外區(qū)吸收能力差第三代金屬與非金屬化合物CuS、ZnS處于研究的熱潮第四代有機染料物質(zhì)吲哚菁綠、普魯士藍處于研究的熱潮金納米材料診斷治療一體化從發(fā)現(xiàn)疾病到恢復健康，一般需要經(jīng)過診斷和治療兩個階段。疾病的診斷和治療在傳統(tǒng)的臨床應用中是兩個相對獨立的過程，所以診斷用造影劑和治療試劑也需要分別使用。兩次
