研究進展：雙光子激發光動力治療（PDT）技術的發展及應用
光動力治療（PDT）作為一種新興的癌癥治療技術，以其獨特的優勢引起了廣泛關注。PDT利用光敏劑在特定波長光的照射下產生具有細胞毒性的活性氧（ROS），從而選擇性地殺傷癌細胞。這種治療方式具有高度的選擇性，能夠精準地作用于腫瘤組織，減少對正常組織的損傷。同時，它還具有低侵入性的特點，患者在治療過程中的痛苦相對較小，恢復也較快。
在PDT中，光敏劑、光源和分子氧是三個關鍵要素。光敏劑是整個治療過程的核心物質，它能夠吸收特定波長的光并將其轉化為能量，進而產生ROS。理想的光敏劑應具備強吸光能力、高光穩定性和高ROS量子產率等特性。光源則需要與光敏劑的吸收波長相匹配，以確保光敏劑能夠被有效激發。目前，臨床上常用的光源包括可見光和近紅外光等，其中近紅外光由于其在生物組織中的穿透能力較強，受到了越來越多的關注。分子氧在PDT中也起著至關重要的作用，它參與了ROS的產生過程，而腫瘤組織中的缺氧狀態常常會影響PDT的治療效果。
隨著納米技術和先進光子技術的不斷發展，雙光子激發光動力治療（2P- PDT）應運而生。2P-PDT利用近紅外光激發光敏劑分子實現雙光子吸收，產生ROS來治療疾病。近紅外光在生物組織中的散射更小，能夠更深入地穿透組織，從而有望實現對深層腫瘤的治療。雙光子激發是一種非線性過程，其光能量在激發過程中的分布更加精準，能夠在三維組織內精準地實施光動力治療，避免對周圍正常組織造成不必要的損傷。
實驗背景
一、2P-PDT的原理
1.基本過程
光敏劑分子在近紅外光激發下吸收兩個光子，從基態躍遷到激發態，通過能量轉換使周圍分子氧產生單線態氧，實現與單光子激發光動力治療類似的過程。
2.優勢
近紅外光在生物組織中散射小、穿透能力強，雙光子激發可提升治療深度，且激發具有高度空間選擇性，僅在聚焦位置發生，避免了離焦信號干擾，能實現高信噪比成像和精準治療。
典型應用案例
一、聚集誘導發光光敏劑：突破傳統局限
傳統的光敏劑分子在單分子狀態下通常具有較高的ROS產生能力，但在實際的光動力治療中，由于生命體內環境多為水性，而傳統光敏劑分子疏水性較強，容易在體內聚集。這種聚集現象會導致ROS產率和熒光強度降低，嚴重影響治療效果。為了解決這一問題，研究人員設計開發了具有聚集誘導發光（AIE）特性的光敏劑分子。
雙光子激發下的光動力具有高時空分辨特性，這一特性使得2P-PDT能夠在生物體三維組織空間內精準控制激活ROS的產生，從而實現血管的選擇性閉合。早在2008年，Collins等就首次報道了利用雙光子激發的光動力實現血管閉合的研究。在920n飛秒激光輻照下，直徑為40μm的血管因雙光子激發產生的ROS出現血栓效應而閉合，周圍血管卻未受損傷，充分證明了2P-PDT的高度選擇性和精準性。
此后，Gu等開發的TPEDC雙光子光敏劑進一步推動了這一領域的發展。雙光子激發可精準閉合活體腦部微血管，對研究大腦疾病尤其是制造局部缺血性中風模型具有重要意義。
三、同時提高ROS產率和雙光子吸收：優化治療效果的探索在2P-PDT中，光敏劑的ROS產率和雙光子吸收截面大小是決定治療效果的關鍵因素。為了實現更好的治療效果，研究人員致力于同時提高這兩個關鍵性能。在實驗中，Wang等將高分子聚合物包覆成納米顆粒并分散在水溶液中，通過ABDA降解法表征其ROS產率，并采用雙光子熒光法測試雙光子吸收截面。結果表明，共軛聚合物光敏劑的雙光子吸收能力得到明顯提升。
四、近紅外二區激發2P-PDT：拓展治療深度的新途徑
目前，2P-PDT主要利用近紅外一區光（NIR-Ⅰ）激發光敏劑，但近紅外二區光（NIR-Ⅱ）具有更好的組織穿透能力，在生物組織中的散射更小，傳輸損耗更低，能使更多光能量到達深處組織，有利于激發熒光和光動力治療。然而，能夠被NIR-Ⅱ光雙光子激發的高效光敏劑相對較少，開發此類光敏劑成為當前研究的熱點和挑戰之一。
五、實體腫瘤治療：從細胞模型到臨床應用的嘗試
在雙光子光動力治療研究中，早期多在離體培養的細胞層面評價其對腫瘤的治療效果。這是因為雙光子激發的作用截面相對較小，產生ROS的效率和范圍比單光子激發小。為了更真實地模擬實體腫瘤環境，研究人員開發了癌細胞球模型。例如，Dobos等開發的骨肉瘤三維細胞球模型，可用于篩選高效的雙光子光敏劑分子。在激光輻照過程中，通過調整物鏡的數值孔徑（NA），可以獲得不同體像素大小的聚光效果，以適應高精度或高通量的光動力治療需求。
近年來，2P-PDT在實體腫瘤治療方面取得了一些進展，出現了成功消融皮下實體腫瘤的報道。Karges等設計的基于釕和聚吡啶復合物的光敏劑，在二維單層細胞、三維細胞球以及皮下腫瘤模型中均驗證了其2P-PDT效果。對體積為80mm³的皮下腫瘤進行光動力治療，結果顯示對腫瘤生長的抑制效果良好，甚至優于500nm光的單光子光動力治療效果。然而，這項工作中未詳細說明飛秒脈沖激光在實體腫瘤輻照中的實驗參數和裝置。
然而，目前在實體腫瘤治療應用中，光學裝置系統、操作流程和光學輻照參數等存在較大差異，許多關鍵參數在報道中未提及或詳細描述，尚未形成統一方案，這是2P-PDT在臨床應用中亟待解決的問題。
雙光子激發光動力治療的未來展望
一、技術優化和挑戰
盡管2P-PDT在癌癥治療領域展現出了巨大的潛力，但目前仍面臨一些挑戰。其中，最為突出的問題是雙光子激發效率相對較低。與單光子光動力激活相比，非線性的雙光子激發過程使得其效率明顯降低，這直接影響了ROS的產率，進而影響了對腫瘤細胞的殺滅效果。在實體腫瘤治療中，這一問題尤為關鍵，因為實體腫瘤通常較大且結構復雜，需要更高的ROS產率來確保治療效果。
另一個挑戰是如何進一步提高光敏劑的性能。雖然目前已經開發出了多種光敏劑，但在ROS產率和雙光子吸收能力方面仍有很大的提升空間。同時，還需要解決光敏劑在體內的遞送效率、腫瘤靶向性以及生物安全性等問題。
二、發展方向與潛力一是深入研究雙光子激發的機制，探索提高激發效率的新方法。例如，通過優化飛秒脈沖激光的參數、改進光敏劑的分子結構等方式，提高雙光子吸收的概率，從而增強ROS的產生。二是開發新型的光敏劑材料，使其能夠在近紅外二區甚至更長波長處具有更強的吸收能力，同時保持較高的ROS產率。這將有助于進一步提高2P-PDT的治療深度和效果，實現對深層腫瘤的更有效治療。
雙光子激發光動力治療作為一種新興的癌癥治療技術，在典型應用案例中已經展現出了獨特的優勢和巨大的潛力。盡管目前還面臨一些挑戰，但隨著技術的不斷發展和研究的深入，相信在未來，2P-PDT將為癌癥治療帶來新的突破，為廣大癌癥患者帶來新的希望。我們期待著更多的科研人員能夠投身于這一領域的研究，共同推動2P-PDT技術的發展和完善，使其在癌癥治療的舞臺上發揮更加重要的作用。
聲明：本文僅用作學術目的。文章來源于：王少偉, 雷銘. 雙光子激發光動力治療研究進展[J]. 中國激光, 2022, 49(15): 1507101. Shaowei Wang, Ming Lei. Recent Advances in Two-Photon Excited Photodynamic Therapy[J]. Chinese Journal of Lasers, 2022, 49(15): 1507101.
