癌症襲來何可奈 雷射技術承厚望

10月29日,李詠妻子哈文發文稱丈夫李詠去世。她原文寫道:「在美國,經過17個月的抗癌治療,2018年10月25日凌晨5點20分,永失我愛……」這是一條令人痛心的消息,癌症這一人類公敵又一次成為公眾焦點。對於癌症,即便醫療水平越來越發達,也還沒能完全攻克,當下對付癌症更多的也是「預防為主」。但癌症總有一天能夠克服,在這條路上,雷射技術被寄予厚望,近年來也取得了一定進展。

在當下主流的癌症治療方法中,化療、放療以及手術不僅費用昂貴,還會造成免疫系統功能退化,且不適用於所用癌症患者。因此,更多的治療手段將逐漸被開發出來。目前,雷射技術在癌症治療中主要包括三個方面:成像診斷、輔助治療、直接治療。OFweek雷射網將從這三個方面梳理雷射技術在癌症研究方面的進展。

成像診斷

雷射在癌症上的成像診斷,可以精確地鎖定癌細胞,對後續選用治療方案提供有效參考。

量子級聯雷射器縮短分析時間

紅外成像是一種可靠的細胞組織分類方法。目前常用的方法是傅立葉紅外光譜儀(FTIR)顯微鏡技術,但這種技術分析所需的時間過長,妨礙了臨床環境中紅外成像的使用。

今年5月,來自德國波鴻魯爾大學(RUB)的一個研究小組部署了一台帶有量子級聯雷射器(QCL)的紅外顯微鏡,用QCL技術取代了FT技術。通過使用QCL簡化測量設置,該團隊將分析所需的時間從一天縮短到了幾分鐘。加之生物信息圖像分析,基於QCL的紅外顯微鏡可以執行無標籤癌症組織分類,並可以做到完全自動化。

與FTIR顯微鏡相比,基於QCL的紅外顯微鏡允許使用單一頻率。因此,在非常短的測量時間內,可以獲得目標區域的概覽圖像,然後可以對其進行詳細分析。該團隊使用基於QCL的紅外成像分析了從結腸直腸癌患者取得的110個細胞組織樣本。與被認為是常規臨床診斷中的黃金標準的組織病理學相比,這種無標記方法的結果顯示了96%的靈敏度和100%的特異性。

太赫茲頻譜:癌症診療新進展

太赫茲(THz)位於電磁波譜的微波和紅外區域之間,頻率範圍在0.3~3x1012Hz,為生物細胞的內部探視提供獨特視角,並提供了一種非電離式的癌症成像方法。隨著實驗室太赫茲光源和敏感探測器的引入,太赫茲技術對臨床應用將產生重大影響。

在今年8月召開的「Towards the THz Imaging of Cancer」(邁向癌症診斷的太赫茲成像技術)會議匯集了研究人員、臨床醫生和業內人士,探討如何將太赫茲成像轉變為有效的臨床工具。

大會上,倫敦帝國理工學院的Norbert Klein表示,太赫茲和微波頻段的測量對細胞的水含量敏感,無需標記即可快速獲取細胞表征。華威大學的Emma Pickwell-MacPherson則致力於研究體內太赫茲成像,她表示,利用太赫茲成像可以發現糖尿病患者和對照組之間組織水含量的差異;也可以對瘢痕愈合的細微組織變化進行成像監測;此外,太赫茲技術還可以檢測正常組織和癌組織之間的差異。然而,由於需要控制大量變量,體內檢測具有挑戰性。

利物浦大學 Peter Weightman教授

在小組討論中,發言者們探討了太赫茲成像的未來潛力。他們認為,要讓太赫茲技術應用於醫療保健行業,需要在一些實際問題上與現有技術競爭,例如癌症管理,任何可以檢測早期疾病的東西都非常重要。另外可能是在手術期間淋巴結的快速評估。也許太赫茲甚至可以癌症治療,選擇性的光熱和破壞癌細胞。利物浦大學物理學教授Peter Weightman指出,區分癌症和非癌症並不困難,組織學可以做到這一點,更具挑戰性的是確定組織是否會發生癌變,病變是否會惡化。

輔助治療

輔助治療,指的是雷射技術作為一種協助手段,配合其他藥物或醫療技術共同對癌細胞發生作用的治療方法,例如雷射微創、光動力療法等。

雷射微創技術

今年5月,美國普渡大學的研究團隊開發出了一種微創技術,可以幫助醫生更好地發現和治療癌細胞、組織和腫瘤,而不會對附近的健康細胞造成影響。這一方法被稱為PLASMAT,通過將冷常壓等離子體(CAP)與電穿孔和/或光穿孔結合,以消滅癌細胞而不損害附近的健康細胞。

CAP是一種近乎室溫的電離氣體,能將活性氧或氮物質引入癌細胞、組織或腫瘤。隨後使用電場或雷射切開細胞膜以方便上述活性氧或氮物質的進入。一旦活性物質數量達到臨界水平,就會導致癌細胞凋亡(死亡)。附近的健康細胞要麼不受影響,要麼受到的影響最小,輕鬆就能恢復到正常水平。該方法在實驗室中已被證明對幾種類型的癌細胞和癌細胞系有效,包括乳腺癌、口腔癌/宮頸癌和前列腺癌等。

PLASMAT開發者之一的Prasoon Diwakar表示:「相比其他治療方法,使用了這三種技術的組合方法,消滅癌症細胞的效果提升了70%到90%。」此外,PLASMAT不會在治療過程中將化學物質引入體內,並且比化療或放療更便宜。該技術比傳統的癌症治療方法移動性更高,因為所需的設備尺寸很小,並且在大多數醫療環境中都很容易獲得。

光動力療法

光動力療法(Photodynamic Therapy,PDT)是用光敏藥物和雷射活化治療腫瘤疾病的一種新方法,是一種有氧分子參與的伴隨生物效應的光化學反應。與傳統腫瘤療法相比,PDT的優勢在於能夠精確進行有效的治療,無創傷,副作用小。

今年8月,韓國科學技術研究院的一組研究人員開發了一種近紅外光動力療法,有效地彌補了當前PDT技術的缺陷。他們開發了一種名為線粒體靶向光動力治療劑(MitDt)的光敏劑,能最大限度地發揮PDT效應,同時減少不必要的副作用。因為線粒體在新陳代謝中發揮重要的作用,且具有較高的跨膜電位,因此將線粒體作為靶點,以最大限度地發揮光敏劑的作用。

根據該研究小組的研究,當線粒體被雷射照射後,會產生活性氧(ROS)並立即失去線粒體膜電位,進而引發細胞凋亡。因此,將PDT試劑與線粒體靶向劑相結合,可造成腫瘤細胞的迅速損傷,提高了治療效果,並減少了不必要的副作用。為了應用線粒體靶向光敏劑,研究小組開發了近紅外區PDT試劑,由於近紅外雷射具有滲透性,該制劑可用於治療深層組織惡性腫瘤。同時也降低了光散射,獲得更高的治療效果。

然而,用近紅外雷射照射時正常細胞產生的單態氧也是個棘手的問題。為了解決這個問題,研究小組開發了一種新的光敏劑,它結合了功能化的近紅外染料和線粒體靶向劑,可在完成治療後快速清除細胞器,並長期存留在癌線粒體中,以增加雷射照射到靶部位的活性氧數量。為了驗證治療效果,研究小組將MitDt注入荷瘤小鼠體內。用波長為762nm的近紅外雷射照射它們來誘導癌症治療,最終將其腫瘤區域降低原來的三分之一。

直接治療

直接治療,實際上指的是利用雷射的精確性以代替標準手術工具(手術刀)。

這種方法是通過把能量比較高的雷射束照射到組織上,使組織溫度升高而發生汽化。對位於人體表面的癌腫瘤可以直接用雷射加熱汽化掉。而對於體積比較大的腫瘤,或者是長在人體內部的大腫瘤,則須先用雷射束的能量加熱燒結在它周圍的血管,使癌組織與周圍組織「斷絕流通」,以減少癌細胞擴散轉移的機會,然後雷射切除癌組織。目前,CO2雷射和氬雷射可以用來切除表面癌,Nd:YAG雷射可配合內窺鏡來治療子宮、食管、結腸等內部器官的癌變。

雷射比標準手術工具更精確,對正常組織傷害小,因此對患者造成的疼痛、出血、腫脹和瘢痕形成較少。

總結

盡管雷射技術取得諸多進展,但在臨床上僅有個別成功案例,還未能廣泛推廣。在未來針對癌症的研究道路中,雷射技術有望取得更大的突破和應用。而在目前面對癌症這一人類公敵,還是只能以預防為主,大家要保持健康的生活習慣。

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