研究进展：双光子激发光动力治疗（PDT）技术的发展及应用
光动力治疗（PDT）作为一种新兴的癌症治疗技术，以其独特的优势引起了广泛关注。PDT利用光敏剂在特定波长光的照射下产生具有细胞毒性的活性氧（ROS），从而选择性地杀伤癌细胞。这种治疗方式具有高度的选择性，能够精准地作用于肿瘤组织，减少对正常组织的损伤。同时，它还具有低侵入性的特点，患者在治疗过程中的痛苦相对较小，恢复也较快。
在PDT中，光敏剂、光源和分子氧是三个关键要素。光敏剂是整个治疗过程的核心物质，它能够吸收特定波长的光并将其转化为能量，进而产生ROS。理想的光敏剂应具备强吸光能力、高光稳定性和高ROS量子产率等特性。光源则需要与光敏剂的吸收波长相匹配，以确保光敏剂能够被有效激发。目前，临床上常用的光源包括可见光和近红外光等，其中近红外光由于其在生物组织中的穿透能力较强，受到了越来越多的关注。分子氧在PDT中也起着至关重要的作用，它参与了ROS的产生过程，而肿瘤组织中的缺氧状态常常会影响PDT的治疗效果。
随着纳米技术和先进光子技术的不断发展，双光子激发光动力治疗（2P- PDT）应运而生。2P-PDT利用近红外光激发光敏剂分子实现双光子吸收，产生ROS来治疗疾病。近红外光在生物组织中的散射更小，能够更深入地穿透组织，从而有望实现对深层肿瘤的治疗。双光子激发是一种非线性过程，其光能量在激发过程中的分布更加精准，能够在三维组织内精准地实施光动力治疗，避免对周围正常组织造成不必要的损伤。
实验背景
一、2P-PDT的原理
1.基本过程
光敏剂分子在近红外光激发下吸收两个光子，从基态跃迁到激发态，通过能量转换使周围分子氧产生单线态氧，实现与单光子激发光动力治疗类似的过程。
2.优势
近红外光在生物组织中散射小、穿透能力强，双光子激发可提升治疗深度，且激发具有高度空间选择性，仅在聚焦位置发生，避免了离焦信号干扰，能实现高信噪比成像和精准治疗。
典型应用案例
一、聚集诱导发光光敏剂：突破传统局限
传统的光敏剂分子在单分子状态下通常具有较高的ROS产生能力，但在实际的光动力治疗中，由于生命体内环境多为水性，而传统光敏剂分子疏水性较强，容易在体内聚集。这种聚集现象会导致ROS产率和荧光强度降低，严重影响治疗效果。为了解决这一问题，研究人员设计开发了具有聚集诱导发光（AIE）特性的光敏剂分子。
双光子激发下的光动力具有高时空分辨特性，这一特性使得2P-PDT能够在生物体三维组织空间内精准控制激活ROS的产生，从而实现血管的选择性闭合。早在2008年，Collins等就首次报道了利用双光子激发的光动力实现血管闭合的研究。在920n飞秒激光辐照下，直径为40μm的血管因双光子激发产生的ROS出现血栓效应而闭合，周围血管却未受损伤，充分证明了2P-PDT的高度选择性和精准性。
此后，Gu等开发的TPEDC双光子光敏剂进一步推动了这一领域的发展。双光子激发可精准闭合活体脑部微血管，对研究大脑疾病尤其是制造局部缺血性中风模型具有重要意义。
三、同时提高ROS产率和双光子吸收：优化治疗效果的探索在2P-PDT中，光敏剂的ROS产率和双光子吸收截面大小是决定治疗效果的关键因素。为了实现更好的治疗效果，研究人员致力于同时提高这两个关键性能。在实验中，Wang等将高分子聚合物包覆成纳米颗粒并分散在水溶液中，通过ABDA降解法表征其ROS产率，并采用双光子荧光法测试双光子吸收截面。结果表明，共轭聚合物光敏剂的双光子吸收能力得到明显提升。
四、近红外二区激发2P-PDT：拓展治疗深度的新途径
目前，2P-PDT主要利用近红外一区光（NIR-Ⅰ）激发光敏剂，但近红外二区光（NIR-Ⅱ）具有更好的组织穿透能力，在生物组织中的散射更小，传输损耗更低，能使更多光能量到达深处组织，有利于激发荧光和光动力治疗。然而，能够被NIR-Ⅱ光双光子激发的高效光敏剂相对较少，开发此类光敏剂成为当前研究的热点和挑战之一。
五、实体肿瘤治疗：从细胞模型到临床应用的尝试
在双光子光动力治疗研究中，早期多在离体培养的细胞层面评价其对肿瘤的治疗效果。这是因为双光子激发的作用截面相对较小，产生ROS的效率和范围比单光子激发小。为了更真实地模拟实体肿瘤环境，研究人员开发了癌细胞球模型。例如，Dobos等开发的骨肉瘤三维细胞球模型，可用于筛选高效的双光子光敏剂分子。在激光辐照过程中，通过调整物镜的数值孔径（NA），可以获得不同体像素大小的聚光效果，以适应高精度或高通量的光动力治疗需求。
近年来，2P-PDT在实体肿瘤治疗方面取得了一些进展，出现了成功消融皮下实体肿瘤的报道。Karges等设计的基于钌和聚吡啶复合物的光敏剂，在二维单层细胞、三维细胞球以及皮下肿瘤模型中均验证了其2P-PDT效果。对体积为80mm³的皮下肿瘤进行光动力治疗，结果显示对肿瘤生长的抑制效果良好，甚至优于500nm光的单光子光动力治疗效果。然而，这项工作中未详细说明飞秒脉冲激光在实体肿瘤辐照中的实验参数和装置。
然而，目前在实体肿瘤治疗应用中，光学装置系统、操作流程和光学辐照参数等存在较大差异，许多关键参数在报道中未提及或详细描述，尚未形成统一方案，这是2P-PDT在临床应用中亟待解决的问题。
双光子激发光动力治疗的未来展望
一、技术优化和挑战
尽管2P-PDT在癌症治疗领域展现出了巨大的潜力，但目前仍面临一些挑战。其中，最为突出的问题是双光子激发效率相对较低。与单光子光动力激活相比，非线性的双光子激发过程使得其效率明显降低，这直接影响了ROS的产率，进而影响了对肿瘤细胞的杀灭效果。在实体肿瘤治疗中，这一问题尤为关键，因为实体肿瘤通常较大且结构复杂，需要更高的ROS产率来确保治疗效果。
另一个挑战是如何进一步提高光敏剂的性能。虽然目前已经开发出了多种光敏剂，但在ROS产率和双光子吸收能力方面仍有很大的提升空间。同时，还需要解决光敏剂在体内的递送效率、肿瘤靶向性以及生物安全性等问题。
二、发展方向与潜力一是深入研究双光子激发的机制，探索提高激发效率的新方法。例如，通过优化飞秒脉冲激光的参数、改进光敏剂的分子结构等方式，提高双光子吸收的概率，从而增强ROS的产生。二是开发新型的光敏剂材料，使其能够在近红外二区甚至更长波长处具有更强的吸收能力，同时保持较高的ROS产率。这将有助于进一步提高2P-PDT的治疗深度和效果，实现对深层肿瘤的更有效治疗。
双光子激发光动力治疗作为一种新兴的癌症治疗技术，在典型应用案例中已经展现出了独特的优势和巨大的潜力。尽管目前还面临一些挑战，但随着技术的不断发展和研究的深入，相信在未来，2P-PDT将为癌症治疗带来新的突破，为广大癌症患者带来新的希望。我们期待着更多的科研人员能够投身于这一领域的研究，共同推动2P-PDT技术的发展和完善，使其在癌症治疗的舞台上发挥更加重要的作用。
声明：本文仅用作学术目的。文章来源于：王少伟, 雷铭. 双光子激发光动力治疗研究进展[J]. 中国激光, 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.
