光谱治疗

光学治疗技术以其高能量、低功耗、无污染、靶向性强等特点已经广泛应用于临床各个学科，成为重要的治疗手段。经皮无创光谱治疗技术，是利用光与人体组织的光物理、光化学、光机械、光磁等作用原理，对人体产生神经干预、免疫调节、组织修复等效应，有望取代药物和传统治疗手段为临床慢性病、免疫性疾病以及恶性疾病治疗输入一种安全、无创、绿色的治疗方法。但现有的光谱治疗技术普遍存在能量低、治疗深度浅、见效慢等缺点，限制了该治疗方法的临床研究和应用推广。　　苏州医工所将雄厚的光学基础与生物医学相融合，采用多项专利技术和特殊工艺研究出与人体对光吸收曲线一致的特殊治疗光谱。该治疗光具有从可见光到近红外的超宽光谱，涵盖了多种有效治疗谱段，可用于慢性炎症、血管及组织再生、炎性疼痛、运动损伤、恶性疾病治疗等多个领域。研究人员利用专利技术滤除了易引起皮肤热灼伤作用的近红外B和C以及部分A段光谱，有效提高了现有光谱治疗技术的安全性，也因此可将治疗光功率提高至数百瓦，穿透深度可达皮下5cm以上，远远超过现有光疗产品的穿透深度，不仅对浅表病灶有直接的治疗效果，更可作用到腹腔、盆腔等深层病变组织。 目前，基于该技术，医工所开发了用于炎症和慢性疼痛治疗的医院康复疼痛科用医疗设备，已经通过江苏省医疗器械检测所全性能检测，完成了临床试验并已申报医疗器械产品注册证。同时，产品样机在吉林大学附属第一医院、吉林大学附属第二医院、苏州大学附属第一医院、广州正骨医院等临床基地开展针对带状疱疹、膝关节炎、术后疼痛、肿瘤治疗开展临床验证，效果显著。后续还将开发面向社区诊所、家用、健身中心等不同用户群体，以及针对老年康复、动物康复、肿瘤治疗等特殊领域的系列专用治疗产品，将深层光谱治疗技术推向临床、真正服务于百姓，为慢性病防治输入一种有效的新型治疗手段。

导读 细胞中的氧化还原平衡，是指氧化性物种和还原性物种之间的动态平衡，在大多数生理过程中发挥着至关重要的作用，尤其是细胞凋亡(名词解释)过程。通过提高肿瘤微环境 (名词解释)中活性氧（ROS）的浓度，打破氧化还原稳态，是介导癌细胞死亡，进而达到肿瘤治疗目的的有效手段。目前，基于纳米酶(名词解释)催化的一些新型化学动力治疗、光动力治疗方法被用于肿瘤治疗领域，旨在达到肿瘤细胞中原位催化产生ROS的效果。但是，大多数对于上述治疗的机理研究仍然只停留于纳米酶级联催化反应的结果，无法做到对整个治疗过程的监测。表面增强拉曼光谱（SERS）(名词解释)作为一种快速、无损的测试技术，其灵敏度甚至可以达到单分子级，在监测细胞内相关生化反应方面具有巨大潜力。将SERS技术应用于上述肿瘤的光动力治疗过程的监测，不仅能帮助进一步理解纳米酶催化过程的具体机制，更能得到肿瘤微环境中氧化还原状态的具体信息。研究亮点 近日，吉林大学宋薇教授、刘卓副教授和赵冰教授团队将一种金/碳量子点(Au@CDs)复合材料级联纳米酶用于对肿瘤细胞的光动力治疗，并且采用SERS技术监测了整个光动力治疗过程中肿瘤微环境内氧化还原平衡的打破与再修复过程。该成果以“SERS monitoring of photoinduced-enhanced oxidative stress amplifier on Au@carbon dots for tumor catalytic therapy”为题发表在Light: Science & Applications，吉林大学博士研究生李林甲为第一作者，宋薇教授、刘卓副教授和赵冰教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金，吉林省教育厅科技研究计划等项目的支持。研究人员首先以CDs作为模板剂和封端剂设计构筑了一种具有级联模拟酶活性的核壳结构Au@CDs材料，相比于单独的金纳米粒子，CDs外壳避免了Au核的聚集，并提供了致密且均匀的SERS热点。在808 nm近红外光激发下，Au@CDs表现出近红外光致增强的类过氧化物（POD）酶和近红外光诱导的类谷胱甘肽氧化酶（GSHOx）活性：即在近红外光照射下，表面等离子体共振（SPR）激发的大量热载流子可以有效地参与反应，金纳米粒子典型的等离子体光热效应可以增强POD活性；另外Au@CDs介导谷胱甘肽（GSH）参与反应，加速ROS的生成，呈现出光热增强的光动力治疗效果。这种级联纳米酶催化过程将迅速打破肿瘤细胞内的氧化还原稳态，产生大量ROS，最终导致癌细胞凋亡。图1 Au@CDs的级联纳米酶催化机制及其光热增强的光动力治疗肿瘤过程。为了监控这一催化过程，研究人员利用SERS技术，通过对四甲基联苯胺（TMB）底物分子的氧化产物的识别，实现了对光动力治疗肿瘤过程中，肿瘤微环境内活性氧动态变化过程的监控。即在近红外激光的辐照下，肿瘤细胞内活性氧水平会随着Au@CDs催化反应的开始而迅速上升，在很短的时间内（3min）即达到拉曼信号的峰值，实现氧化应激损伤效果；而激光辐照结束后，肿瘤微环境则会在一个相对较长的时间（33 min）进行自修复，即过表达的GSH等还原性物质消耗过量ROS的抗氧化过程，最终肿瘤微环境回到氧化还原平衡态。图2 （a-c）光动力治疗肿瘤过程中拉曼信号的变化及（d-e）对应的肿瘤微环境内氧化还原平衡的打破和再修复过程。总结与展望 Au@CDs级联纳米酶与传统的纳米药物和免疫治疗剂相比，具有通过级联反应中的光热性质促进光动力治疗效果的优点，能快速提高肿瘤内ROS的浓度，打破氧化还原稳态，进而达到肿瘤治疗目的，由于过表达的GSH等还原性物质消耗过量ROS，抑制了ROS向细胞外扩散。通过SERS策略，获得了光动力治疗过程中完整的氧化应激过程，对基于肿瘤微环境氧化应激损伤的光疗机制进行了深入的研究，为肿瘤光动力治疗的实时监测提供了最有价值的机制和数据支持。论文信息 Li, L., Yang, J., Wei, J. et al. SERS monitoring of photoinduced-enhanced oxidative stress amplifier on Au@carbon dots for tumor catalytic therapy. Light Sci Appl 11, 286 (2022).https://doi.org/10.1038/s41377-022-00968-5

张丁可，中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学博士，现任重庆师范大学物理与电子工程学院副院长。兼任能源材料与器件专家委员会副主任委员、重庆功能材料学会理事、重庆产学研促进会常务理事、重庆国际智能传感技术联盟专家委员会委员、重庆海外技术合作平台“生物医学材料与仪器技术国际研发中心”领衔专家、沙坪坝区女科技工作者协会副会长、《Metals》杂志Guest Editor，重庆市“五一劳动奖章”获得者。本信息整理自其参评“2022十大重庆科技创新年度人物”评奖资料。张丁可瞄准有机激光器件的重大需求和应用前景，围绕低能耗、高稳定性、模式可控的有机激光器件开展了深入的研究。她率先将激光光谱技术应用到癌症的早诊和跟踪治疗中，并与悉尼科技大学在生物医疗和精密光学仪器领域开展合作，领衔建立“生物医学材料与仪器技术国际研发中心”（中心负责人）。同时，张丁可提出采用离子液体溶剂一步法空气处理工艺，大幅度提高钙钛矿激光器件的光、热和高湿稳定性，其成果发表在《Small》，并被编辑推荐写入最新钙钛矿进展报告。张丁可率先提出激发金属表面等离子体参与激光发射降低激光阈值的新方法。利用局域金属表面等离子体与发射光的光-电子高效耦合，是抑制金属接触损耗的一种有效方法，为电泵有机激光的制备提供新的思路。率先利用波导结构，既解决钙钛矿材料的稳定性问题又利用光波限制作用提高了激光器件的发光效率， 组建了新型钙钛矿发光器件。通过调节器件的空穴注入机制，同时实现了电致发光器件的低驱动电压，高发光效率和高器件稳定性三种重要的性能指标。率先利用界面调控思想实现优异光响应性能的有机光电探测器，通过功能层和过渡层的引入，解决了有机光电探测器线性度问题，为实现低成本高效率的紫外光探测器开辟了新途径。张丁可 重庆师范大学物理与电子工程学院副院长