生物医学光学第四组-活体成像技术

坏死
坏死被认为是因病理而产生的被动死亡，如物理 性或化学性的损害因子及缺氧与营养不良等均导 致细胞坏死。坏死细胞的膜通透性增高，致使细 胞肿胀，细胞器变形或肿大，早期核无明显形态 学变化，最后细胞破裂。另外坏死的细胞裂解要 释放出内含物，并常引起炎症反应。
坏死的作用
对 caspase 凋亡信号转导通路进行抑制后发现 ， PDT 对肿瘤细胞的直接杀伤作用并未消失， 并且产生更强的细胞坏死效应。
除了直接损伤，坏死细胞成分及降解产物在释放 后，可作为促炎因子诱发炎症反应，为后续的肿 瘤持续性杀伤效应奠定了基础。
自噬相关性细胞死亡
细胞通过自噬产生自噬小体，后者与溶酶体结合 ，分解消化受损的细胞器及积聚交联的蛋白质以 达到清除及再利用的目的。
是一种自限性的细胞自体保护性行为，可以促进 肿瘤细胞存活。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光动力疗法 光动力作用的发生需要光敏剂、适当波长的光、
适当浓度的氧和适当的温度四个条件的同时存在
因为光敏剂在各组织中的半衰期不同,经过一定时 间后可造成肿瘤组织中光敏剂的浓度高于其周围 正常组织,在特定波长的光的辐射下,基态的光敏 剂由单线态光敏剂转变成激发状态的三线态光敏 剂。
激发状态的三线态光敏剂一方面作用于组织底物 或氢原子或电子,其产物与氧作用形成各种氧化物 ;另一方面它直接将能量转移给氧,形成单线态氧 。
单线态氧与氧化物都具有细胞毒性作用,尤其单线 态氧是光动力作用诱导肿瘤坏死的主要损伤形式 。它能破坏癌瘤中的微血管,造成局部缺血和细胞 死亡,数日后该部组织将坏死脱落,从而达到局部 治癌的目的。
三个基本要素
现代光动力疗法包括三个重要的方面:
光敏剂 光 组织氧
光敏剂
光敏剂在 PDT 中起着能量传递的作用，它们一
影响 PDT 过程中肿瘤组织氧含量的因素很多： 肿瘤性质及体积( 光肿瘤穿透性以及肿瘤细胞自
身耗氧等) 肿瘤血管床因素( 影响氧供) PDT 消耗底物氧等
除了作为底物参与光动力反应， 组织氧还可以连 同组织酸碱度( PH) 共同影响光在组织内的穿透 性。
这与二者能够影响含氧血红蛋白/脱氧血红蛋白 的比例有关。这两种血红蛋白是组织内吸收损耗 光的主要成分，而且二者对不同的频谱吸收也不 同。
用何种波长进行 PDT 治疗取决于光敏剂类型， 肿瘤类别，大小，生长部位，组织特性以及设备 ， 费用等，但由于此波长区间的光组织穿透性
较差， 只有0. 5 ～ 1. 0 cm， 所以在一定程 度上限制了 PDT 的临床应用。
目前已经研究出的双光子 PDT 疗法，有效地提 高了光的组织穿透性,它采用具有较高峰值辐照功 率密度的脉冲激光作为光源，确保每次辐照有两 个光子同时被光敏剂吸收,此时每个光子只需要提 供一半的活化能,所以具有更强的组织穿透性的近 红外光也可以作为激发光源。
核磁共振层析：对软组织的探测能力高，但设备大， 成本高, 价格高昂。
OCT背景介绍
OCT即光学相干断层成像技术（Optical Coherence Tomography, OCT），是继X射线、CT、MRI和超声诊断 技术之后的又一新的医学断层成像方法
光学相干层析术最大优点是可以获得比X射线CT、超生 成像术、核磁共振成像术等传统医学成像技术高1~2个 数量级的分辨率
目前光敏剂已发展到第三代: 第一代为卟啉衍生物 第二代弱化了上一代的不良反应 第三代着重于与肿瘤细胞的特异性结合
光
光在 PDT 中提供激发能量，按其来源可分为白
炽光，激光及发光二极管等。主流的光敏剂其激 发光波长大都分布在 600 ～800 nm， 过短不 利于穿透组织， 过长则大多被组织内水吸收损耗 ， 而且长波光子能量小，或不足以激发光敏剂。
使用迈克尔逊干涉仪，将时间的测量转变成为空间的测量。 OCT测量的干涉强度而非直接测量反射光的强度，但用这些信 息代表反射光的强度。用光波反射时间和光波延时时间来测 量距离，得到了样本深度方向（Z轴）的一维测量数据。光束 穿过样品扫描，测得平行于样品表面（X-Y方向）的二维数据， 将得到的三维信号经计算机处理，便得到了样本的立体层析 图像
迈克尔逊干涉仪
原理图
图1. 典型的单点光学相干断层扫描的光学设备。通过扫描照射在样品 上的光束可以以微米级的分辨率以无损的方式重建样品的截面图，深 度最深可达3mm。
两种技术：
低相干干涉测量法------提高纵向分辨率 在样品折射率确定的情况下，纵向分辨率只与光源的相干 长度有关，相干长度越短，频率越高，纵向分辨率越高
组织氧
组织氧在 PDT 中的作用主要在于产生 ROS等 细胞毒性物质杀伤肿瘤细胞，它在组织的存在及 浓度对于 PDT 发挥作用也是至关重要的。
肿瘤组织氧的含量除了限制放疗及化疗的效果外 ， 也使 PDT 受到不同程度的影响。一般而言， 肿瘤组织内较正常组织是低氧的，但也有少数肿
瘤由于血供等的原因反而具有更高的氧含量，主 要见于皮肤肿瘤，这类肿瘤往往有着良好的PDT 治疗结果。
控制喜好 诱导记忆 控制行为
刺激肌肉 恢复视力 抑制癫痫
总结展望
待解决问题
以低损伤性、高空间分辨率和遗传特异性为特点的 光学难神以经通信过号单记次录测及量神精经确功地能记的录光一控个制清技晰术的的动应作用电，位在信号 神经膜科电学位研成究像中记已录取的得信了噪一比系的列提突高破受。细若胞能膜在特提异高性动限作制 电位光采学集技的术精会确对性组，织提造高成膜一电定位的成损像伤的信噪比，降低光 信号光对敏组蛋织白的的损表伤达有会所对进组步织，产光生遗一传定技的术影将响对研究生物 体的··大····脑产生极大的推动。
抑制蛋白（ Inhibition Protein）
Hr (Halorbodopsin) 是一类抑制 光敏感蛋白，其在黄光波段光的 持续照射下，可将细胞外的阴离 子(Cl-)不断泵入细胞内，是的神 经元的细胞膜超极化。
相关原理
相关原理
光遗传学的应用
产生绝对焦虑 社会功能障碍 大脑深度刺激
光学相干层析扫描技术
optical coherence tomography
邓月月
层析技术
层析：即逐层分析，通过光、声、核磁共振或电等对 组织进行内部结构分析。可将层析技术分为四大类： 光学层析技术、声学层析技术、电学层析技术、核磁 共振层析技术。
目前应用的有X-ray层析、超声层析、核磁共振层析、 光声层析。
一般主要分布在脂膜结构上，如细胞膜，线粒体 ，溶酶体，内质网等，光敏剂经修饰或与载体等 相连接后，其定位点也可以发生明显的变化。
良好的光敏剂应该具有以下特点: 低不良反应( 过敏，系统毒性，皮肤光毒性，代谢物毒性
及放射损伤等); 不易诱发肿瘤抗性突变; 较好的肿瘤组织靶向累积性; 较容易从正常组织清除; 较强的可修饰性; 较易得的激发条件; 在光疗窗口频段中具有较高的光吸收性; 较高的活性氧产率; 便于商业化生产运输及保存; 较好的使用依从性以及较低廉的价格等；
OCT特性
对散射光的抑制作用
OCT只有当样本光束和参照光束等光程时才会产生干涉 信号，因而对其它杂散光有抑制作用。它带来的好处 是对不透明的生物组织仍能有效成像。因为生物组织 散射很强，在普通光镜下会因为散射过强使反衬度降 为零而不能进行观察。正是充分利用这一点，OCT系统 才会发展应用到冠心病的介入治疗中。
2010年，光遗传学被Nature Methods选 为年度方法
相关原理
光敏蛋白 与靶细胞特异 光敏特异性蛋白 病毒/质粒 光敏蛋白表
性蛋白结合
转染 达于靶细胞
光遗传技术（Optogenetics)，是一
种将光控技术和遗传技术相结合，将光敏
蛋白表达于可兴奋的靶细胞/器官上，再
用相应波长激活光敏蛋白以实现对动物生
具体机制仍有待于继续探究。
光遗传学及其生物医学应用
Optogenetics and its Biomedical Applications
吴纳
目录
1 2 3
4
背景介绍
光遗传学技术之父：
Karl Deisseroth 斯坦福大学，神经科学博士
2005年，发明了光遗传学技术。他在细
菌视蛋白的帮助下用光控制了大脑细胞的开 关
般是两亲性分子。亲水性使得其能够在血液中顺 利运输而不凝结或沉淀。而从血液进入细胞需透 过细胞脂膜，又要求其具备亲脂性。进入血液后 ， 光敏剂常常通过与血清蛋白，尤其是脂蛋白相 结合的方式运输，而后再通过受体介导( 如脂蛋 白受体 ，苯二氮卓受体等) 及胞吞等方式进入细 胞
在细胞内，不同的光敏剂有各自的累积位点。
生物医学光学课程报告 之
2014-12-30
光动力疗法 光动力疗法
Photodynamic Therapy
潘熙杰
背景
传统的肿瘤治疗主要包括手术治疗,放疗以及化疗 等，但是这些疗法几乎都存在着较大的副作用,为 了获得更好的肿瘤治疗方法，人们一直在进行着
积极的探索 .
基本过程
它的基本过程是利用特定波长的光照射事先局部 或全身注入机体的光敏剂，光敏剂随之活化并与 氧分子作用产生具有细胞毒性的单线态氧及活性 氧簇， 经过直接与间接作用对肿瘤组织产生不可 逆的损伤.
各种层析技术的优缺点
X-ray层析：优点是对比度高，分辨率高，缺点是对 一些软组织探测能力有限，并且有致癌的可能。
超声层析：具有价格低廉、设备体积相对较小，穿透 深度高，但在对比度与分辨率弱于X-ray层析。
激光共焦扫描层析：优点是可以达到高对比度，但生 物组织是混浊介质, 光的强散射易造成低灵敏度和低 分辨率。
PDT 抗肿瘤效应的机制
目前认为， PDT 抗肿瘤效应的机制主要包括以 下四个互相关联的方面:
对肿瘤细胞的直接杀伤
对肿瘤血管的损伤
局部炎症反应及后续的抗肿瘤免疫反应
PDT 对肿瘤细胞的直接杀伤作用主要分为三种: 凋亡 坏死 自噬相关细胞死亡
凋亡
细胞凋亡（apoptosis）指为维持内环境稳定， 由基因控制的细胞自主的有序的死亡。细胞凋亡 与细胞坏死不同，细胞凋亡不是一件被动的过程 ，而是主动过程，它涉及一系列基因的激活、表 达以及调控等的作用，它并不是病理条件下，自 体损伤的一种现象，而是为更好地适应生存环境 而主动争取的一种死亡过程。
自噬相关性细胞死亡
将参与调控细胞自噬相关的基因敲除后，肿瘤细 胞，尤其是在低氧区域内的肿瘤细胞，死亡率随 即提高。
但是自噬的持续性存在会导致细胞死亡。
自噬相关性细胞死亡
在 PDT 中，能诱发自噬的因素包括低氧，氧化应激， Bcl- 2 损伤，低氧诱导因子- 1表达上调等。
但对于自噬相关的细胞死亡目前尚无统一的结论。有学者 认为PDT 能够损伤细胞溶酶体，限制自噬的进程，造成 细胞内被损伤的物质堆积，增加了被损伤细胞死亡的可能 性。也有学者认为 PDT 作用后，细胞内自噬抑制因素如 Bcl- 2 /Bcl- xl 抗凋亡蛋白等损伤，自噬增强，最终导 致细胞死亡。
高分辨率
为了保证纵向分辨率，采用低相干照明光源，因为 在样品折射率确定的情况下，纵向分辨率只与光源 的相干长度有关，相干长度越短，频率越高，纵向 分辨率越高。
目前为止，OCT是空间分辨率最高的血管内成像技术， 分辨率可达到10~20um
成像术种类 X射线CT 超声成像 核磁共振成像 OCT成像
分辨率 300um~1mm 500um~1mm 100um~500um 1um~50um
OCT基本原理
它将低相干测量法和光学干涉仪结合在一起 滤掉物镜焦 点之外的散射光 加上现代计算机图像处理技术迅速发展 成为一门新兴的层析成像诊断技术。而且 OCT 可以实现 对活体组织的无辐射无损伤及实时的探测和成像。
理功能的调控的一项新技术
刺激
蛋白开关启动
动物行为
释放电信号
感应波长
激发特异性 光敏蛋白
相关原理
兴奋蛋白（Activation Protein）
Chr (channelrhodopsin) 是一类 兴奋光敏感蛋白，其被蓝光波段 光照射后可通过阳离子(Na+,K+)， 引起神经元的细胞膜去极化，产 生动作电位。