光动力疗法及在大肠癌治疗中的应用
郁雷王锡山
一、光动力治疗(photodynamictherapy。PDT)PDT是使用光活性药物(又称光敏剂)和非热性
光源有选择性地对靶细胞产生光化学破坏，而对周围正常组织损伤较小的一种治疗技术。光动力治疗的作用机制是光化学反应，它通过激活光敏剂间接产生氧活性物质对肿瘤组织产生杀伤作用，作为近20年间新发展起来的肿瘤治疗技术逐渐被人们认识，它具有：广谱性、可重复、微创性、灵活性等诸多优点。人类对于光化学作用余年前就有一定的认识，Raab于年首先发现用吖啶橙染色的草履虫被日光照射后导致死亡，他把其称为光毒性现象，年Lip—son等研制出血卟啉衍生物，并于6年后应用于皮肤肿瘤的治疗，PDT的出现给肿瘤治疗提供了新途径。
20世纪80年代随着光物理技术的发展尤其是激光技术的突飞猛进，光动力治疗的重心已从实验研究过渡到临床应用，如今已应用到皮肤癌、肺癌、Ⅲ期头颈部癌、I／Ⅱ期食管癌、乳腺癌等多种恶性肿瘤的诊断和治疗。
二、光动力治疗组成的三要素
1．光源：作为光动力治疗的重要组成部分之一，光源已从最初的可见光发展到现在的二极管激光光源，它的光谱更窄，组织的穿透力更强，从而使治疗体内深部肿瘤成为可能。因为不同的光敏剂的激发光波长不同，因此今后光源的发展方向趋向于可调的二极管光源以用于不同的光敏剂的激活。
2．光敏剂：光敏剂发展至今已经有3代。第1代光敏剂是以PhotofrinI1为代表的血卟啉衍生物，它的发现为光动力治疗提供了可能性，虽已广泛应用到临床，但有很多不足，如肿瘤组织的选择性较差，在皮肤中滞留时间过长等，因此患者在治疗的过程中需要长时间地避光，即使这样皮肤的副损伤也很长见，并且由于其激发光波长较短，组织的穿透性较差。基于补
充这些不足，第2代光敏剂应运而生，它们是以二氢卟啉骨架的苯丙卟啉衍生物(BPD)为代表的新一代卟啉衍生物，它们优点是对肿瘤组织的选择性更强，避光的时间短于第1代光敏剂。第3代光敏剂多处在动物实验阶段，其表面结合靶组织表达的抗原或受体的相应抗体和配体，因此进一步提高了靶组织的选择性。
3．氧：在光动力治疗的过程中，氧分子起了重要的作用，在PDT过程中，光敏剂吸收光能，从基态经历一个短暂的单重激发态后转变为存在期相对较长的三重激发态。处于激发态的光敏剂可以发生两种类型.的光动力反应。(1)三重激发态的光敏剂可以直接与细胞膜或一些生物大分子等底物发生反应，转移一个氢原子(电子)而形成自由基。自由基与组织氧相互作用生成可以杀伤目标细胞的ROS(I型反应)。(2)三重激发态的光敏剂也能够把能量直接转移到氧分子上，形成一种高效的R0s——单线态氧来杀伤目标细胞(1I型反应)。I型反应和Ⅱ型反应同时发生，两者的比率取决于使用的光敏剂类型、底物和组织氧的浓度及光敏剂与底物结合的紧密性。
在整个过程中，光敏剂从基态到激发态又回到基态，起催化剂的作用。足够浓度的组织氧和适当剂量的光照是PDT所必需的，光敏作用不能在组织缺氧的区域发生。实体肿瘤组织由于代谢旺盛大都处于乏氧状态，因此提高靶组织的氧浓度从而增强光动力治疗效果成为研究的一个方向。
三、光动力治疗的机制
光动力治疗对肿瘤细胞的杀伤机制并没有被人们完全揭示，从目前的研究表明其机制主要包括以下3个方面：①通过诱导肿瘤细胞凋亡和坏死导致其死亡；②破坏肿瘤组织的微循环系统导致肿瘤细胞缺少生长的营养物质，问接杀伤肿瘤细胞；③提高机体的免疫功能，增加肿瘤组织局部炎性因子的浸润。虽然很难阐明这些机制通过何种途径相互协同，但它们在
光动力治疗中都是至关重要的。
1．直接杀伤肿瘤细胞：光动力对肿瘤细胞杀伤作用表现为坏死和凋亡两种形式。凋亡与坏死细胞的比例会由肿瘤细胞的类、光敏剂和光源的改变发生变化。光动力治疗可以导致肿瘤细胞的多种细胞器受损，其中以早期线粒体损伤多见，其镜下表现为线粒体的聚集和空泡化。由于光敏效应可以抑制细胞的分裂但不影响细胞核的分裂，因此导致多核细胞的产生，并可出现畸形核，从而引起细胞的凋亡。
PDT治疗后一般12h左右发生凋亡，大约48h达到高峰，其表现为细胞膜收缩，核染色质浓缩、边集，大部分核分裂，扭曲，并裂解成凋亡小体。Henderson等人在实验中发现，在相同的光功率密度下，低能量密度(2．5～3．5J／em)可使人源性表皮样癌细胞产生凋亡和坏死两种死亡方式，而高能量密度(6J／em)则大部分表现为坏死。由此可见不同的光敏剂
的光毒性导致肿瘤细胞的凋亡和坏死的比例也不尽相同，即使是相同的光敏剂针对不同肿瘤细胞也是以不同的细胞内信号通路来诱导细胞的凋亡。因此光毒性引起细胞的凋亡的机制比较复杂。
2．损伤与肿瘤有关的脉管系统：这种光毒性作用不仅作用于肿瘤细胞光动力可以造成血管内皮的损伤，表现为内皮细胞肿胀，出现空泡，内皮细胞间隙增大，血管周围出现水肿，从而血小板的聚集和黏附，
随后血栓形成，血流停滞从而造成肿瘤组织缺血缺氧，从而造成肿瘤细胞的间接死亡。这种现象在毛细血管表现得最早。其次为微静脉，而动脉系统这种反应出现较晚，这可能与动脉系统的管腔结构、管径和血液流速等因素有关。越来越多的实验证据表明，肿瘤内微循环损伤后的缺血缺氧可能是光动力学作用引起肿瘤组织坏死的关键，其意义可能大于对肿
瘤细胞的直接杀伤作用。
3．激活机体的抗肿瘤免疫反应：光动力治疗的效果依赖免疫系统。在免疫细胞剔除模型中，光动力的疗效会降低。相反的，当免疫刺激因子或免疫调节因子过继性转接到免疫细胞时会提高光动力的抗肿瘤的作用。PDT可以引起实体肿瘤的强烈的炎症反映，表现为淋巴细胞、巨噬细胞、中性粒细胞反应性增多。除了炎性细胞外还有IL一1B、IL一6、IL一10、TNF、G—CSF、前列腺素、组胺等补体成分的表达上调，这些补体成分的表达上调与中性粒细胞的趋化、增生相互协同扩大从而引起更强的免疫作用杀伤肿瘤细胞。并且PDT可提高荷瘤小鼠的淋巴细胞转化率，提高CD4／CD8的比值，增强脾中自然杀伤细胞(NKcel1)、LAK细胞的活性，从而增强免疫功能。
由此可见，光动力治疗肿瘤的机制比较复杂，一种光敏剂引起的光毒性可能通过多种机制起到杀灭肿瘤细胞的作用，因此从多学科角度探明光动力治疗的机制对于提高光动力治疗的疗效致关重要。
四、光动力治疗在结直肠肿瘤方面的应用大肠癌(colorectalcancer)是我国的常见的恶性
肿瘤之一，并且呈现出逐年上升的趋势。就上海市的一项调查来看，结直肠癌的发病率在恶性肿瘤中男性居第3位，女性的患病率居第2位。而在全国城市肿瘤的发病率已居4～5位。而在欧美一些发达国家结直肠的患病率更高。可以预见随着我国人民生活水平的提高及生活方式的改变，结直肠肿瘤在我国的发病率仍然会上升。虽然年轻患者的报道屡见不鲜，
但其总的发病平均年龄却有逐年升高的趋势，在我国的结直肠癌患者中中老年占79．1％，其中很多患者发现时已到晚期，失去了手术的宝贵时机。再加上结直肠癌的5年生存率一直徘徊在50％～60％之间，其原因之一就是结直肠癌的术后复发，而这些患者又很难耐受二次手术。因此如何找到一条有效的途径来解除无法接受手术治疗和术后复发癌患者的痛苦是抗肿瘤医务人员应尽的责任。
1．PDT在结直肠肿瘤诊断方面的应用：在肿瘤组织中选择聚集的光敏剂接受特定波长的照射后可以发射出荧光，这种光学现象可以应用到肿瘤的定位诊断，这种技术被称为光动力诊断技术(photodynamicdiagnosis，PDD)。PDD是一种基于光敏剂选择性聚集于肿瘤组织的诊断方法，它不仅可以用于肿瘤的诊断，而且还可以在PDD的引导下进行活检，从而提高
以往难以检出的隐性肿瘤的诊断率。LiG等人利用了光敏剂鲍光素选择性的聚集在肿瘤组织这一特性，应用鲍光素与二乙烯三胺五乙酸(DTPA)结合物增强MRI的诊断敏感性，并且达到了诊断与治疗同时进行的目的。
2．PDT在结直肠肿瘤治疗方面的应用：对于无法手术治疗的结直肠癌，光动力治疗能有效地解除梗阻，控制出血和缓解疼痛，同时可以用激光切除较大的肿瘤病灶，对于结肠癌的患者可以不损伤结肠的胶原纤维，不但很大程度地保留了肠管功能，而且减少了穿孔的危险，从而大大提高了生存质量。在一项应用光动力治疗直肠癌的临床研究中65例患者收录，其中控制出血率达85％，梗阻症状缓解率为54％，有效时间为3个月。Dohmoto等对7l例晚期直肠癌患者给予光动力治疗，结果表明79％的患者症状有所缓解，其中完全缓解率为35％，结果喜人。在早期的结直肠癌及癌前病变的治疗方面PDT的疗效令人振奋，Barr等报道2例早期的结肠癌患者接受PDT治疗后接受肠镜检查，癌灶消失，病理检查正常，无瘤生存期分别达到20和28个月，PDT可以对早期直肠癌达到根治。
众所周知结直肠癌的肝转移是造成结直肠癌手术失败的主要原因，也是结直肠癌5年生存率一直徘徊不前的重要原因。目前PDT已经被证明可以应用到结直肠癌肝转移的治疗。一项关于PDT治疗结肠癌肝转移的大宗临床I期实验表明，以菌绿素为光敏剂的光动力治疗应用在结直肠癌的肝转移方面是安全并且充满希望的，在实验收录23例患者的31处肝转移灶中30个转移灶通过CT扫描可以观察到坏死，治疗后1个月后85％的转移灶达到稳定。
3．PDT在治疗结直肠方面的基础研究：为了使PDT在治疗结直肠肿瘤时取得更好的疗效，人们在探究光动力的治疗作用机制上做了大量基础性研究。
尤其在PDT通过何种机制导致细胞凋亡和对免疫系统的激活。在CecliliaM等人的研究中表明，以硅酞菁(PC4)作为光敏剂的光动力治疗对荷SW的裸鼠模型治疗有效，但其疗效不依赖P53的状态，P38的磷酸化可能是肿瘤细胞凋亡的触发点。ChiuSM等人以PC4为光敏剂的光动力治疗应用到HCT细胞株，观察Bax(+／一)在光动力导致凋亡中的作用。他们发现Bax敲除组的细胞不能通过释放细胞色素C引导经典的凋亡，但它们可以通过半光天冬
酶一依赖途径来诱导凋亡，虽然这种途径要比经典途径缓慢，这种途径对肿瘤的杀伤敏感性是相同的。在两组细胞中也观察到了相同的现象，比如线粒体膜电位的消失，Bcl一2的光动力损伤等。AhmadJalili等人报道将不成熟的树突状细胞与PDT处理过的c一26细胞共同培养后其肿瘤杀伤力将提高，通过共聚焦荧光显微镜观察51％的树突状细胞中含有荧光，
而对照组只有3％，这说明了经过PDT治疗后的肿瘤细胞更多地被树突状细胞识别和摄取。
五、制约光动力治疗在结直肠肿瘤方面应用因素虽然在多种实体瘤的治疗方面光动力都有着不错的疗效，但毕竟作为一种新开展的肿瘤治疗技术，尤其在结直肠癌的治疗方面其仍然存在很多不足之处，这些都制约了光动力技术在临床治疗中的应用。
1．光动力治疗的不彻底性：虽然文献报道PDT对很多肿瘤都有抑制作用，无论其分化程度的高低和组织源性，光动力治疗都有一定的疗效。但它与其他的治疗手段一样都存在着一定的弊端。以5一ALA为光敏剂的光动力治疗应用在大肠癌细胞SW时，我们可以观察到治疗后24h大部分肿瘤细胞死亡，24h可见坏死的肿瘤细胞中散在地分布着再生瘤细胞，24h后瘤细胞的总数和存活率开始缓慢地上升。为了探求这种抵抗机制ChenXY等报道了PDT
抵抗的大肠癌细胞株HT29的线粒体的改变和凋亡相关基因表达变化情况。他们应用不同的光敏剂的PDT筛选出PDT抵抗株，通过应用mRNA研究发现雌激素受体连接相关基因一9，胞质动力蛋白轻链一1，微小膜蛋白一1的表达增加。相反还有一些因子表达下调，其中有谷氨酸脱氢酶，肝癌源性生长因子，还有线粒体基因编码16SRNA和NADH脱氢酶亚基
一4，并且还观察到了在抵抗株中，突变型P53、Bcl一2和热休克蛋白27(HSP27)的表达上调和BAX的表达下降。这些因素都有可能使肿瘤细胞出现PDT一抵抗。因此对大多数肿瘤患者而言，有手术机会者应尽量手术切除，对于有深度浸润或远处转移的肿瘤，不宜单纯采用PDT治疗，而应进行综合治疗。
2．光源的穿透性：光动力治疗实体肿瘤的过程中，由于光源的组织穿透力的限制远离光源照射端的治疗效果可能较差。不同波长的光对组织的穿透深度是不同的，波长越长的光对组织的穿透深度越深，比如photo~ind(光敏剂的一种)的激活波长在nm，而这一波长的光穿透组织的深度只有0．5cm左右，因此对于体积较大或深在的肿瘤以photo,in为光敏剂的光动力治疗并不十分理想。而当光源波长达到nm时，组织的穿透深度可达到1．0cm，寻找激活波长较长的光敏剂是研究热点。
3．光动力治疗的不良反应：PDT疗法较少，主要为光敏剂的过敏反应如发热、皮疹、也有出现胸闷、心悸等，及时处理可很快恢复，以上可以通过皮肤划痕实验避免。其次还有皮肤的光敏反应、色素沉着、少数会出现转氨酶升高一过肝损伤，因此光动力治疗前有必要检查肝功，治疗过程中减少皮肤暴露于可见光的机会。
六、展望
总之，光动力治疗作为一种新的治疗方法已证明对很多肿瘤有效，但在很多方面仍需进一步改进，比如发展新型廉价激光器，将光敏剂与单克隆抗体或脂蛋白结合使药物具有导向性从而增加药物在肿瘤组织的浓度分布，提高疗效。
虽然光动力在应用肿瘤治疗方面已有数十年历史，但由于光源和光纤的发展的限制，这种治疗方法在结直肠肿瘤领域的应用才刚刚起步，随着这项技术的发展，它很可能作为辅助治疗而广泛应用或成为结直肠肿瘤的主要治疗手段。可以预见，光动力治疗将在结直肠肿瘤治疗，尤其在早癌、癌前期病变和无法接受手术的晚期病变的治疗中将发挥重要作用，给更多的肿瘤患者带来希望。
涂士虎赞赏
