评估光动力血管损伤的光学监测技术

光动力疗法(Photodynamic therapy, PDT)是一种结合光敏剂、氧分子，在特定波长的光激发下选择性治疗恶性肿瘤、局部组织增生、良性皮肤疾病及血管病变的新型微创性疗法[1]。患者在静脉注射或局部涂抹光敏剂后，光敏剂分子通过组织代谢被选择性的潴留在肿瘤或病变组织中。

在特定波长的光照下，潴留在组织中的光敏剂和组织中的氧分子发生吸收激发、体系间跨越和能量交换等一系列光物理、光化学反应，产生大量具有生物毒性的活性氧物质(Reactive oxygen species，ROS)，其中，单线态氧(Singlet oxygen，1O2)，被认为是主要的细胞毒性物质[2]。PDT因具有作用靶向精确，毒副作用小，可重复治疗等优点，已在恶性肿瘤、良性增生组织和血管性病变组织、以及抗菌和抗病毒等领域得到了广泛的应用。

光敏化生成的1O2因寿命短而限制其在人体组织中的扩散传输范围(～ 85 nm)[3]，因此PDT的作用范围仅局限在照光且光敏剂存在的区域。以上特点是PDT与传统疗法相比具有更高选择性和精准性的主要原因。血管靶向光动力疗法(Vascular targeted photodynamic therapy, V-PDT)，作为PDT一个重要应用领域，临床治疗病种主要包括恶性肿瘤(例如，膀胱癌和前列腺肿瘤等)，以及良性血管性疾病(例如，老年性眼底黄斑变性(Age-related macular degeneration, AMD)，鲜红斑痣(Port wine stain, PWS)和消化道黏膜血管性疾病等)。V-PDT通过照射光和光敏剂对病变血管的双重选择作用，在光动力反应过程中生成1O2，导致靶血管的破坏以实现治疗血管性疾病。根据治疗时血管是否具有主动摄取光敏剂分子的能力，V-PDT作用机制可分为主动血管靶向与被动血管靶向作用机制。目前，临床V-PDT治疗主要都是基于被动靶向作用机制，其特点是在患者静脉注射给药后，短时间内光敏剂在血管内达到最高的浓度潴留，这时对血管进行光照治疗[4]。由于，V-PDT能够引发肿瘤血管封闭，造成局部缺血而导致肿瘤组织养料供应不足，进而导致肿瘤或病变组织坏死。因此，开展治疗前、后血管结构和血流状态的实时监测和定量评估，是优化V-PDT治疗剂量方案以实现个性化、精准治疗的前提。本文将简要介绍V-PDT的血管作用机制，重点讨论已应用于V-PDT血管损伤评估的各种光谱与成像监测技术。

Castelanid等人显微观察了PDT治疗后，青蛙舌头及小白鼠肠系膜微血管PDT损伤情况，发现经PDT治疗后，靶向区的血液出现停滞以及红细胞聚集等不可逆PDT损伤现象[5]。随后，Star等人利用小鼠皮窗模型，观察到血卟啉衍生物(HPD)介导的PDT对植入性乳腺肿瘤血管和肿瘤周边正常组织血管微循环的影响[6]。如图1所示，V-PDT引起的血管光动力损伤主要表现为血管的收缩、出血、血栓形成，最终导致血管封闭和血流停滞等生物学响应[7]。

图1　V-PDT中的血管损伤Fig.1　Blood vessels damage after V-PDT

在V-PDT过程中，1O2作为细胞主要毒性物质能够氧化细胞膜中的脂质，导致细胞内钙离子浓度的增加，而后激活磷脂酶A2。活化的磷脂酶A2具有促进细胞膜磷脂释放花生四烯酸的能力。花生四烯酸一旦从细胞膜磷脂释放后，就立即被代谢。其代谢途径主要有两种：一种是通过环氧酶的催化产生前列腺素和血栓素类物质。血栓素具有控制血管收缩，促进凝血及血栓形成功能。研究结果表明，利用各种血管活性物质抑制剂，如吲哚美辛(Indomethacin)、阿司匹林等来降低血液中血栓素的含量，可抑制PDT治疗后产生的血管收缩及血栓形成等血管响应[8, 9]。另一种是通过脂氧合酶的催化产生白三烯。白三烯B4具有改变微血管通透性，促进大分子从循环系统中渗出的能力[10]。Gillssen等人通过研究PDT对Wistar大鼠胸主动脉松弛程度的影响，发现PDT能抑制血管内皮细胞产生和释放血管内皮舒张因子(Endothelium-Derived relaxing factor, EDRF)。EDRF是PDT早期血管响应的因素之一[11]。此外，V-PDT还会引起血管内皮细胞损伤，随后进一步引发系列复杂的血管生物学响应，如内皮细胞收缩，基底膜暴露，血管通透性增加，白细胞粘附，血小板聚集以及血栓形成等。

随着V-PDT基础研究的不断深入和临床应用的广泛开展，如何精确量化V-PDT过程中各个剂量参量，并根据患者的个体差异进行剂量的实时调整和优化已成为亟待解决的挑战性难题[12]。在血管性疾病治疗中，作为V-PDT剂量学研究方法之一的生物学剂量法是通过监测微血管和血流量的变化预测V-PDT的疗效，以指导治疗方案。研究结果表明，光学监测技术具有快速、无损、便携性强等优点，因此特别适合于生物学剂量法的研究[13, 14]。目前，针对血管光动力损伤的光学监测主要通过监测血管形态学以及血流等功能性变化获得定性或定量评估。

文章来源：《无损检测》 网址: http://www.wsjczzs.cn/qikandaodu/2021/0708/589.html