生物医学光子学培训ppt课件

生物医学光子学生物医学光子学生物医学光子学1目目录背景背景癌症传统治疗方法新的治疗方法光光热治治疗简介原理光热试剂诊断治断治疗一体化一体化案例2生物医学光子学目录背景2生物医学光子学2背景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。3生物医学光子学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3传统治治疗方法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。4生物医学光子学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4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。5生物医学光子学化学治疗（或化疗）使用可以杀死癌细胞的药物进行癌症的治疗。由5癌症治癌症治疗的新方法的新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6生物医学光子学癌症治疗的新方法近年来兴起了一系列癌症治疗的新方法，包括光热6光光热治治疗光热治疗（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7001000nm，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7001000nm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。7生物医学光子学光热治疗光热治疗（PTT）通常是通过激光照射给肿瘤组织加热，7治治疗原理原理光热杀死肿瘤细胞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510C，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。8生物医学光子学治疗原理光热杀死肿瘤细胞的原理主要8生物医学光子学8（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，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。9生物医学光子学（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9光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。10生物医学光子学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10光光热试剂的要求与分的要求与分类首先，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11生物医学光子学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11金金纳米材料米材料12生物医学光子学金纳米材料12生物医学光子学12诊断治断治疗一体化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。两次医疗过程间隔较长，容易贻误最佳的治疗时机，同时两次注射药物所带来的副作用叠加效应也会增加患者的痛苦和风险。于是，一种全新的医疗处理方式诊断治疗一体化逐渐发展起来13生物医学光子学诊断治疗一体化从发现疾病到恢复健康，一般13生物医学光子学13诊断治疗一体化将诊断和治疗两个过程合二为一，在得到诊断结果的同时，立即基于诊断结果进行对症治疗。它将诊断用造影剂和治疗用试剂结合为一体，得到可同时应用于医学成像诊断和治疗的多功能试剂，即诊断治疗一体化试剂造影剂可以显著提高医学图像的对比度和分辨率，帮助临床医师对疾病进行更为快速准确的诊断，是各种医学成像诊断中不可或缺的辅助试剂。受益于纳米技术的发展，我们现在可以有目的的设计和构建一系列具有多种功能复合于一体、靶向性较好、无毒副作用的多功能造影剂，其中研究最多的就是多模式造影剂和诊断治疗一体化试剂可同时进行多种模式医学成像诊断和治疗的多功能纳米材料的研究不仅代表了纳米科技发展的尖端水平，同时具有巨大的经济价值和市场潜力。14生物医学光子学诊断治疗一体化将诊断和治疗两个过程合二为一，在得到诊断结果的14具有超声成像和光具有超声成像和光热治治疗功能的金功能的金纳米棒微胶米棒微胶囊的研究囊的研究-金金纳米棒聚乳酸微胶囊米棒聚乳酸微胶囊体外体外/体内超声造影成像效果体内超声造影成像效果在体外用乳胶管模拟人体血管进行超声造影成像。在乳胶管中充满脱气生理盐水时，无论PIHI造影模式还是普通B模式，在其截面只能看到管壁出现高亮的强回声，管内完全没有回声增强(a)。注入GNR-MCs多功能微胶囊后，在PIHI造影模式下，管腔内出现了明显的回声增强，同时B模式下也有一定程度的增强效果(b)15生物医学光子学具有超声成像和光热治疗功能的金纳米棒微胶囊的研究-金纳米棒15应用新西用新西兰大白兔作大白兔作为动物模型，物模型，对兔兔肾脏进行行扫查,进行行了了体内体内进行的造影成像行的造影成像。可以看到兔肾脏在两种模式下几乎都看不到回声增强信号（a）。通过耳缘静脉通道注射GNR-MCs悬液，并推注生理盐水以保证所有造影剂进入循环系统。静脉团注后数秒钟，即可在超声仪监视器上看到PIHI模式下的兔肾脏呈现较强回声，并且可以动态观察到肾脏血流从皮质到髓质的整个充盈过程（b）16生物医学光子学应用新西兰大白兔作为动物模型，对兔肾脏进行扫查,进行了体内进16体外光体外光热升温效果升温效果为了验证制备的GNR-MCs复合物的光热治疗效果，用功率2W的808nm半导体激光器对水、空白聚乳酸微胶囊MCs（1mg/mL）和复合微胶囊GNR-MCs（1mg/mL）在同样条件下进行了辐照，并监测了照射过程中温度的变化说明金纳米棒的加入显著的增强了聚乳酸微胶囊对于近红外辐照的光热转换效率，GNR-MCs复合物可以用于近红外光热治疗。17生物医学光子学体外光热升温效果17生物医学光子学17对癌癌细胞的光胞的光热杀伤效果效果通过对体外培养细胞应用GNR-MCs造影剂（浓度1mg/mL）和近红外激光辐照（中心波长808nm，能量密度10W/cm2，照射时间10min）的不同组合，来评价GNR-MCs的光热治疗效果。使用钙黄绿素乙酰甲酯（calceinAM）进行细胞染色。a)无处理b)仅激光辐照c)仅加入GNR-MCsd)加入GNR-MCs用激光进行照射18生物医学光子学对癌细胞的光热杀伤效果18生物医学光子学18在一次用药的前提下实现超声造影成像诊断和光热治疗的同时进行。这样即可以避免诊断治疗的多次用药对于人体血液循环系统和血液清除机制带来巨大压力，同时也缩短了诊断和治疗的间隔时间，对于一些发展快速疾病的治疗有很重要的意义。金纳米材料和超声造影剂的成功结合，验证了超声造影成像联合近红外光热治疗的诊断治疗一体化的可行性，对提高诊断和治疗效率的探索可能具有一定的积极影响。19生物医学光子学在一次用药的前提下实现超声造影成像诊断和光热治疗的同时进行。19集超声集超声/CT 成像和光成像和光热治治疗于一体的金于一体的金纳米壳米壳纳米胶囊的研究米胶囊的研究-金金纳米壳液米壳液态氟碳氟碳纳米胶囊米胶囊体外双模式成像表征体外双模式成像表征(1)使用PGsPNCs造影剂进行的体外超声造影成像a)乳胶管中充满生理盐水，无造影剂b)乳胶管中充满造影剂结果表明PGsPNCs悬液具备良好的超声造影增强功能，可以用于增强超声成像的对比度。20生物医学光子学集超声/CT 成像和光热治疗于一体的金纳米壳纳米胶囊的研究20(2)不同浓度的PGsPNCs悬液的体外CT造影成像图使用小动物microCT对于不同浓度的PGsPNCs悬液进行了CT造影成像，结果如图所示。随着浓度从样品5至样品0的逐渐降低(40.4，20.2，10.1，4.04，2.02，0mgAu/mL)，样品悬液的亮度也逐渐降低表明CT增强效果随浓度减小而呈下降趋势。21生物医学光子学(2)不同浓度的PGsP NCs 悬液的体外CT 造影成像图21光光热转换性能性能评价价不同浓度的PGsPNCs（0.005，0.01，0.025，0.05，0.1mg/mL）在相同近红外激光（中心波长808nm，辐射功率2W）辐照下的升温情况证明了PGsPNCs可以高效的将近红外激光辐照转变为热能，实现良好的光热治疗效果。22生物医学光子学光热转换性能评价22生物医学光子学22生物医学光子学培训ppt课件23体内双模式成像性能体内双模式成像性能(1)使用PGsPNCs造影剂进行的兔肾脏超声造影成像a)注射PGsPNCs前b)注射PGsPNCs后实验结果表明PGsPNCs可以在动物体内呈现出良好的造影增强效果，具有作为超声造影剂辅助超声诊断的潜力。24生物医学光子学体内双模式成像性能24生物医学光子学24(2)使用PGsPNCs对鼠进行肌肉注射前后的CT造影图（箭头显示增强效果）使用PGsPNCs对鼠进行尾静脉注射前和注射100min后的CT造影图（箭头显示增强效果）25生物医学光子学(2)使用PGsP NCs 对鼠进行肌肉注射前后的CT 造影25肿瘤光瘤光热治治疗效果效果在证实了PGsPNCs可以成功进行动物体内超声和CT造影成像，使用荷瘤裸鼠动物模型来进行移植瘤的光热消融治疗实验使用U-87MG癌细胞移植瘤荷瘤裸鼠共32只，随机平均分为4组：对照组、试剂组、光照组和治疗组在进行不同治疗处理后，各组荷瘤鼠的移植瘤在16天内的生长曲线如图所示。26生物医学光子学肿瘤光热治疗效果26生物医学光子学26体外细胞毒性实验证实了PGsPNCs良好的生物相容性之后，通过体内外超声/CT造影成像评价证明金纳米壳液态氟碳纳米胶囊不仅保持了原来液态氟碳纳米胶囊良好的超声造影特性，同时可以成功实现体内血液循环，得到对比增强的CT成像效果，此外光热升温和光热癌细胞杀伤实验都表明PGsPNCs可以在近红外光照辐射下有效杀伤肿瘤细胞，这样金纳米壳纳米胶囊就成为了一种新型的同时具备超声/CT双模式造影成像功能和光热治疗功能的诊疗一体化试剂这种纳米诊疗一体化试剂介导的肿瘤诊断和治疗的新模式，可能会对以后癌症的诊疗方式产生积极的影响。27生物医学光子学体外细胞毒性实验证实了PGsP NCs 良好的生物相容性之后27用于超声用于超声/MRI 成像引成像引导下光下光热治治疗的金的金纳米米壳磁性壳磁性纳米胶囊米胶囊-金金纳米壳磁性液米壳磁性液态氟碳氟碳纳米胶囊米胶囊体外超声体外超声/MRI 双模式造影成像性能双模式造影成像性能评价价(1)使用PGS-SPNCs造影剂进行的体外超声造影成像a)乳胶管中充满生理盐水，无造影剂b)乳胶管中充满造影剂28生物医学光子学用于超声/MRI 成像引导下光热治疗的金纳米壳磁性纳米胶囊28(2)不同浓度的PGS-SPNCs悬液的MRI造影效果PGS-SPNCs悬液在磁铁旁放置10min前后的照片(左)未经吸附的纳米胶囊呈均匀散布的黑色悬液(右)磁性纳米胶囊完全被吸附于靠近磁铁的一侧表明纳米胶囊在磁场中具有顺磁性响应。29生物医学光子学(2)不同浓度的PGS-SP NCs 悬液的MRI 造影效果29(3)PGS-SPNCs悬液的MRI造影效果将6个浓度梯度的PGS-SPNCs悬液样品置于Bruker7T小动物MRI仪器中进行扫描（从0到5的Fe浓度依次升高：0，4.97，9.93，19.9，39.7，9.93M），可以看到随着悬液浓度的升高，在T2加权的MRI造影图中成像逐渐变暗的趋势(a)，在对应的1/T2强度图中呈现逐渐增强的趋势(b)表明PGS-SPNCs的T2加权的MRI造影增强效果是具有浓度依赖性的，随着浓度增加，“负对比”的效果越好30生物医学光子学(3)PGS-SP NCs 悬液的MRI 造影效果30生物医30体外光体外光热升温效果升温效果评价价不同浓度的PGS-SPNCs（0，0.01，0.05，0.1，0.5mg/mL）在相同近红外激光（中心波长808nm，辐射功率2W）辐照下的升温情况PGS-SPNCs可以在一个相对较低的浓度下，通过近红外激光辐照将肿瘤细胞从37C加热到4243C，实现对肿瘤细胞的有效光热杀伤31生物医学光子学体外光热升温效果评价31生物医学光子学31对正常正常细胞的毒性研究胞的毒性研究通过MTT法测试不同浓度PGS-SPNCs对正常细胞HUVECs的细胞毒性，可以对金纳米壳磁性纳米胶囊的生物相容性进行评价浓度高达0.5mg/mL的纳米胶囊处理之后的细胞活力仍保持在90%以上，同时浓度从0mg/mL到0.5mg/mL的纳米胶囊几乎都未对HUVECs的细胞活力产生影响证明了PGS-SPNCs良好的生物相容性，可以应用于动物体内实验。32生物医学光子学对正常细胞的毒性研究32生物医学光子学32动物体内超声造影成像效果物体内超声造影成像效果使用PGS-SPNCs造影剂进行的兔肾脏超声造影成像a)注射PGS-SPNCs前b)注射PGS-SPNCs后实验结果表明PGS-SPNCs具有良好的超声造影增强效果，具有作为超声造影剂辅助超声诊断的潜力。33生物医学光子学动物体内超声造影成像效果33生物医学光子学33移植瘤裸鼠模型的建立移植瘤裸鼠模型的建立使用人纤维肉瘤细胞HT-1080荷瘤裸鼠作为肿瘤动物模型。在接种15天后，当移植瘤平均体积达到729mm3开始进行实验将24只荷瘤鼠分为4组：对照组（只静脉注射生理盐水，不进行激光照射）、试剂组（只静脉注射PGS-SPNCs悬液，不进行激光照射）、光照组（静脉注射生理盐水后进行激光照射）治疗组（静脉注射PGS-SPNCs悬液后进行激光照射）34生物医学光子学移植瘤裸鼠模型的建立34生物医学光子学34瘤内注射后的瘤内注射后的肿瘤超声造影成像瘤超声造影成像实时超声成像引导下的PGS-SPNCs悬液的瘤内注射（T表示移植瘤）a)注射前b)注射中c)注射后说明通过超声实时造影成像成功的监测和引导了瘤内造影剂的注射过程。35生物医学光子学瘤内注射后的肿瘤超声造影成像35生物医学光子学35静脉注射后的静脉注射后的肿瘤瘤MRI 造影成像造影成像治疗组荷瘤鼠麻醉后，通过尾静脉注射将PGS-SPNCs悬液（0.15mL，2mg/mL）注射入小鼠体内，使用Bruker7T小动物MRI成像仪对静脉注射后的小鼠移植瘤的横截面每隔一段时间进行扫描，记录MRI成像结果36生物医学光子学静脉注射后的肿瘤MRI 造影成像36生物医学光子学36荷瘤鼠移植瘤内的磁共振荷瘤鼠移植瘤内的磁共振图像像强度平均度平均值随随时间的的变化化静脉注射后肿瘤的MRI造影图像表明，PGS-SPNCs在注射后0.52h内均可以有效聚集并停留于肿瘤部位，所以我们选择注射后1h进行近红外激光辐照介导的光热消融治疗。37生物医学光子学荷瘤鼠移植瘤内的磁共振图像强度平均值随时间的变化37生物医学37静脉注射后静脉注射后肿瘤的光瘤的光热治治疗效果效果在第0天和第4天时对各组荷瘤鼠进行了两次不同处理的治疗，并通过肿瘤生长曲线来评价不同治疗方式的疗效说明PGS-SPNCs介导的光热治疗成功抑制了肿瘤生长38生物医学光子学静脉注射后肿瘤的光热治疗效果38生物医学光子学38通过体外细胞毒性实验证实PGS-SPNCs良好的生物相容性后，应用体内外超声造影成像证明金纳米壳磁性纳米胶囊保持了原来液态氟碳纳米胶囊良好的超声造影特性，同时通过体外MRI造影成像证明纳米胶囊具有非常好的T2加权的MRI造影增强特性，最后进行的光热癌细胞杀伤实验表明PGS-SPNCs可以在近红外光辐照下有效杀伤肿瘤细胞，这样这种金纳米壳磁性纳米胶囊就同时具备超声/MRI双模式造影成像功能和光热治疗功能，是一种具有临床应用潜力的诊疗一体化试剂，这种超声和MRI双重介导下的光热肿瘤消融治疗方案，将可能会对未来癌症的诊断治疗提供积极的借鉴意义以及深远的影响。39生物医学光子学通过体外细胞毒性实验证实PGS-SP NCs 良好的生物相容39谢谢40生物医学光子学谢谢40生物医学光子学40