研究脑胶质瘤光动力治疗及光敏剂引导手

脑胶质瘤光动力治疗及光敏剂引导手术的研究与临床应用进展

中南大学学报(医学版),,43(04):-;作者:李学刚,冯华,李飞医院神经外科;神外前沿转载自医脉通网站,转载已获授权

脑胶质瘤是神经外科中最富有挑战性的肿瘤之一，约占颅内肿瘤的40%。除了尚处于研究阶段的分子靶向治疗、免疫治疗、电场治疗外，胶质瘤的治疗仍以手术、放射治疗（以下简称放疗）、化学治疗（以下简称化疗）为主。虽然近年来治疗胶质瘤的手术技术、放射设备、化疗方案等进展迅速，但治疗效果仍不理想，患者的生存期并未得到大幅的提高。

脑胶质瘤具有浸润性生长的特性和多为原位复发的特点，提示最大程度安全切除肿瘤，并辅以有效的局部治疗可改善患者的预后。光动力学疗法（photodynamictherapy，PDT）是20世纪70年代开展起来的一种治疗恶性肿瘤的方法。其基本原理是机体在接受光敏剂后一定时间，光敏剂可较多地存留在肿瘤组织中，此时用相应波长的光照射肿瘤部位，活化光敏剂。光敏剂激发光化学反应可损伤多种细胞靶点，破坏肿瘤组织和细胞，达到治疗目的。PDT已经用于治疗多种恶性肿瘤，包括肺部肿瘤、乳腺肿瘤、皮肤肿瘤以及膀胱和食道肿瘤，对控制局部生长的肿瘤有一定疗效。

PDT对脑胶质瘤的治疗具有较其他治疗方法优越的地方，能破坏肿瘤组织，但在破坏肿瘤的光剂量允许范围内对正常组织基本无毒性，且对肿瘤的浸润边缘有治疗作用。国外由Perria等首次将PDT用于临床脑肿瘤治疗，我国由朱树干等教授率先将PDT用于脑胶质瘤治疗。近年来，应用光敏剂激发后产生的荧光来引导术中肿瘤的切除，提高肿瘤的切除程度，在临床上应用也得到快速发展。

1.PDT的作用机制与临床操作

1.1光敏反应及作用机制

PDT通过光敏反应实现对肿瘤细胞的杀伤效应。光敏剂吸收合适波长的激活光线后，从基态转变为激活的单线态，再以荧光形式释放能量，从单线态衰变为基态。一方面，激活的光敏剂可直接与细胞底物反应，释放出放射性离子损伤细胞；另一方面也可以与组织中的氧反应，产生高活性单线态氧分子（1O2）。这种氧分子具有极强的氧化性，可以对细胞产生损伤。

PDT的生物学效应包括：1）通过直接损伤导致肿瘤细胞坏死或通过诱导凋亡等机制杀死肿瘤细胞；2）损伤肿瘤血管，导致肿瘤血流瘀滞、塌陷、挛缩、闭塞等，肿瘤缺血缺氧，从而间接杀死肿瘤细胞；3）促进靶细胞释放细胞因子、炎症介质及免疫抗原，诱导炎性和免疫反应，损伤肿瘤细胞。

1.2光敏剂

脑胶质瘤PDT使用的理想光敏剂应具有以下条件：1）能选择性地被脑胶质瘤细胞摄取并积聚，不或少进入正常细胞；2）所需激发光在肿瘤组织中穿透性较强，且在具有最大组织穿透性的波长的光波作用下有高峰活性；3）在光作用下能选择性地损伤肿瘤，而对相邻正常脑组织的损伤小；4）化学成分单一、对机体无明确不良反应、能通过血脑屏障进入肿瘤组织；5）治疗后能从机体迅速排泄而无延迟的光敏作用。

目前用于脑胶质瘤研究与治疗的光敏剂主要包括：血卟啉衍生物（hematoporphyrinderivative，HpD）、5-氨基酮戊酸（5-aminolevulinicacid，5-ALA）、硼化卟啉（boronatedprotoporphyrin，BOPP）、他拉泊芬（talaporfin）、替莫泊芬（temoporfin）等。目前，5-ALA主要用于通过其产生的荧光引导术中肿瘤切除。

1.2.1HpD

HpD是最早用于肿瘤治疗的光敏剂。年在加拿大首次获准用于治疗浅表乳头状膀胱癌，年荷兰获准用于治疗非小细胞肺癌以及影响吞咽功能的食管肿瘤，其商品名为Photofrin。我国生产的HpD商品名为喜泊汾，已批准用于临床。静脉注射HpD水溶液后，在波长nm处有一个吸收峰；在肿瘤和正常组织中的浓度比最大值出现在给药后24~72h，给药至光照的时间间隔长，排泄缓慢，易发生光毒性反应，用药前需进行皮试，用药后需避光4周以上。

1.2.25-ALA

5-ALA是目前用于脑胶质瘤PDT和荧光引导手术最常用的药物。年在美国正式获准上市。5-ALA是细胞合成血红蛋白的前体，本身不具备光敏剂特性，但其代谢产物原卟啉IX（protoporphyrinIX，PpIX）在被nm的可见光辐射后会激发出波长为nm的可见红光，可有效区分肿瘤组织与正常脑组织。因为血脑屏障的存在，口服给药的5-ALA一般不会进入正常脑组织，但可以通过胶质瘤组织破坏的血脑屏障，通过代谢为PpIX在胶质瘤细胞中聚积。肿瘤荧光于口服给药后2~6h后达到峰值，12h后消失。5-ALA本身不具有光毒性，而是通过合成PpIX起作用，其皮肤过敏率要比传统的卟啉衍生物低，用药后避光的时间较短。

1.2.3BOPP

BOPP具有卟啉成分，吸收光谱和HpD相似，可作为PDT的光敏剂，同时还含有约30%的硼（boron）而有可能成为硼中子俘获治疗（boronneutroncapturetherapy，BNCT）的敏感剂。BOPP在肿瘤与脑细胞中的吸收比高达:1，比HpD的10:1~50:1要高得多，敏化数天后，这种高选择性比例仍能维持，同时在肿瘤周围水肿的脑组织中单独存在的癌巢中也发现了BOPP，这种水肿脑组织的癌巢中肿瘤细胞可能就是复发的根源，也是临床局部治疗的目标。

1.2.4他拉泊芬

他拉泊芬属于叶绿素降解产物衍生物，年在日本上市，商品名为Laserphyrin。他拉泊芬具亲水性和亲脂性，在肿瘤和正常组织中的分布比良好，最大吸收峰波长为nm，给药后2~4h在肿瘤内的聚集量达峰值，过敏反应弱，水溶性好，可从尿中排出。

1.2.5替莫泊芬

替莫泊芬是四（间苯酚）二氢卟吩，年在欧洲上市，商品名为Foscan，主要用于治疗食管癌、头颈部肿瘤、早期表浅部胃癌及其他消化道肿瘤等。最大吸收峰波长为nm，半衰期约为30h，在肿瘤和正常组织中的分布比为10:1~15:1，毒性低，对皮肤的光敏反应较小，在15d内清除。

1.3胶质瘤对光敏剂的选择性摄取

瘤周不完整的血脑屏障/血肿瘤屏障在光敏剂的摄取中起主要作用。光敏剂能选择性被脑肿瘤细胞摄入而不进入正常脑组织的主要原因是正常脑组织具有完整的血脑屏障。级别越高的胶质瘤对血脑屏障及正常脑实质的破坏越大。胶质瘤的级别与光敏剂在肿瘤中的水平直接相关。胶质母细胞瘤中HpD的水平最高（肿瘤与脑组织比为30:1），间变性星形细胞瘤中（12:1）和星形细胞瘤（8:1）较少。血浆蛋白在光敏剂的转运及细胞的摄取中起重要作用。

HpD能与白蛋白和脂蛋白（尤其是低密度脂蛋白）结合，肿瘤细胞比正常细胞表达更多的低密度脂蛋白受体，介异肿瘤摄取更多光敏剂。细胞内低聚肽转运体（oligopeptidetransporter，PEPT1/PEPT2）则可将外源的ALA转运入目标细胞的胞质中。另外，肿瘤细胞外的pH值多低于正常细胞，细胞外的酸性环境使血卟啉被动扩散入细胞内，也可能是光敏剂选择性进入肿瘤细胞的原因。

1.4光源与光剂量

1.4.1红光

HpD等光敏剂的理想光源波长是nm的红光，该波段光的治疗深度约9mm。Popovic等的实验中，HpD-PDT对肿瘤的选择性破坏可达1.0cm，用CT及MRI辅助评估，PDT的有效治疗深度可达1.8cm。PDT中红光对脑组织的热效应，需用冲洗与体温相当的盐水来避免。

1.4.2激光

临床上常用的激光源有金蒸汽脉冲激光、氩离子泵浦染料激光、He-Ne连续激光等。目前较为理想的是倍频Nd-YAG-KTP（钇铝–石榴石–磷酸氧钛钾）激光器，能激发可调控的染料激光。

1.4.3光剂量

各PDT研究中光剂量的应用不尽不同，一般来说为~J，光照时间20~60min，激光能量输出~mW。

1.5临床操作

PDT治疗各部位的肿瘤已受到广泛的研究。这种新的肿瘤治疗方法的应用大多集中在浅表性肿瘤如皮肤，或能用内镜看到的空腔脏器如胃肠道、膀胱、支气管。颅腔是一个严格密闭的腔，胶质瘤多为球形实体，这给脑胶质瘤的治疗及治疗后的评价带来了困难。由于弥散光纤的发展，激光能被导入瘤体内，使恶性脑肿瘤等深部病变的瘤内PDT成为可能。已有不少机构应用不同的方式进行脑肿瘤的PDT治疗。

手术切除肿瘤后瘤腔内光照射仍为主要方法。按照常规开颅手术，尽可能多地切除肿瘤，止血满意后，肿瘤残腔内不留下任何止血物质，以避免妨碍光线传输至组织的可能。完成肿瘤切除手术后测量将被照射的表面积，校准位于光弥散纤维顶部的激光输出功率。光线通过纤维直接照射在肿瘤残腔。该纤维被附着在一固定的牵开器臂上。整个光照射过程持续12~94（平均50）min。如果切除肿瘤后能产生一个空腔，则可使用稀释至0.5%的脂肪乳剂作为光散射剂，光线能更好地散射至肿瘤残腔各个部位。Muller等还用可膨胀的球囊光导纤维插入肿瘤使光分布均匀。

2.PDT治疗胶质瘤的进展

PDT多用于临床治疗高度恶性或复发的胶质瘤，少数为转移瘤和低度恶性的胶质瘤。自年Perria等开始应用PDT治疗恶性脑胶质瘤，Stylli等应用5mg/kg的HpD治疗例恶性胶质瘤，术后常规放疗，结果新发胶质母细胞瘤中位生存期为14.9个月，复发胶质母细胞瘤中位生存期为13.5个月，总体2年生存率为28%，3年生存率为23%。6年，加拿大Muller等开展了一项随机对照临床实验（randomizedcontrolledtrial，RCT），其中43例进行PDT治疗加术后放疗，对照组34例未行PDT治疗，结果新发胶质母细胞瘤PDT治疗加术后放疗的平均生存期为11个月，对照组为8个月。

Stepp等应用5-ALA进行术中肿瘤定位加J的PDT治疗，6个月的无进展生存期（progression-freesurvival，PFS）为41%，对照组为21%。Kostron等应用替莫泊芬为光敏剂行PDT治疗复发胶质母细胞瘤平均生存期为9个月，对照组为3.5个月。年，Eljamel等应用Photofrin治疗27例胶质母细胞瘤患者，激发光波长为nm，光剂量为J，在接受术后放疗后，PDT治疗组平均生存期为52.8周，对照组为24.2周。

Muragaki等应用他拉泊芬为光敏剂治疗22例胶质母细胞患者，其中13例新发胶质母细胞瘤患者的PFS为12个月，1年生存率为%，中位生存期为24.8个月。我国于20世纪80年代便成功研制了HpD，并在临床应用于PDT治疗颅内肿瘤，但由于纯度差、成份不稳定、无适宜的光源，在前期临床试验中患者不良反应较大，出现大面积的脑水肿及颅内压升高，导致PDT治疗颅内肿瘤的研究进展缓慢。

近年，我国生产的HpD注射液（喜泊汾，重庆华鼎现代生物制药有限责任公司生产）被批准用于临床肿瘤治疗。我们的临床前期研究发现：HpD-PDT对体外培养的大鼠C6胶质瘤细胞有明确杀伤效应，能够引起C6胶质瘤细胞出现细胞自噬、凋亡及坏死，[Ca2+]i可能是PDT诱导C6胶质瘤细胞死亡的重要因素之一。制备VX2肿瘤兔脑内种植模型、C6胶质瘤大鼠脑内种植模型以及不同免疫背景的小鼠脑肿瘤动物模型，对HpDPDT进行安全性和治疗效果的研究，发现采用ALA，HpD及ALA+HpD的PDT治疗可明显延长脑内种植C6胶质瘤荷瘤大鼠和脑内种植VX2肿瘤的实验兔的生存期，虽然PDT治疗可引起暂时性脑组织水肿及颅内压增高，但仍处于较安全的范围内，荷瘤动物脑内微环境（如谷氨酸）及机体的免疫机制均会影响PDT治疗脑胶质瘤的效果。

以兔脑内种植VX2肿瘤为模型，将荷瘤动物分为不治疗组、普通光源显微手术组、单次PDT组、ALA荧光导航显微手术组及ALA荧光导航显微手术后辅以PDT组，观察比较各组荷瘤动物平均生存期。结果发现，单次PDT治疗可延长荷瘤动物生存期，荧光导航显微手术较普通光源显微手术治疗效果好，荧光导航显微手术+PDT能更有效地治疗VX2肿瘤，提示在临床应用荧光导航显微手术切除恶性脑肿瘤，瘤床进行PDT治疗可以在不给患者增加新负担和不良反应可接受的情况下，最大可能地减少肿瘤细胞的残留，尤其对为保存神经功能而残留了较多肿瘤细胞的功能区肿瘤可能更有意义。

应用国产HpD单次PDT治疗恶性脑肿瘤，光敏剂为5.0mg/kg，避光24h后入手术室，PDT治疗仪输出功率为mW、总能量J/cm2、波长nm，有一定的治疗作用，可延长肿瘤复发时间，脑水肿及颅内压可以控制，安全性较好。

3.5-ALA荧光引导胶质瘤手术

自从替莫唑胺应用于脑胶质瘤的治疗以来，单次PDT治疗的应用日渐减少，人们更多地将5-ALA应用于荧光引导的胶质瘤切除手术（fluorescence-guidedsurgery，FGS）。

3.1增强术中对肿瘤的辨识度

5-ALA在术中产生的肿瘤荧光可协助术者在切除肿瘤时确定边界。5-ALA荧光所标记的区域超过了MRI检查中增强的区域，因为MRI增强剂仅能通过破坏的血脑屏障到达肿瘤部位，而PpIX则可显示侵袭到正常脑组织中的胶质瘤细胞。Roessler等认为5-ALA荧光上可以克服神经导航所至的脑漂移，能更实时地显示肿瘤所在位置。Ferraro等总结了至年来应用5-ALA引导肿瘤手术的例患者资料，发现5-ALA在术中区分高级别胶质瘤（WHOIII级+IV级）与脑组织的敏感性达85%（/），特异性达82%（/），但在低级别胶质瘤（WHOI级+II级）中，敏感性仅为16%（13/83）。

3.2提高恶性胶质瘤的切除程度

最大程度安全切除肿瘤是胶质瘤手术的主要目标，但往往难以达到，这与多种因素有关，包括肿瘤所在位置、是否临近功能区和纤维束、肿瘤的大小、是否应用术中定位和监测等。如果不用荧光导航或术中MRI，恶性胶质瘤的全切率仅约为35%。5-ALA通过增加术中对高级别胶质瘤的辨识度，从而更多地完成完整切除。Stummer等最先开始应用5-ALA引导胶质瘤切除手术，52例患者中影像学上的全切率达63%；他们后来开展一组多中心的临床研究，发现不用荧光引导手术全切率为36%，而应用荧光引导手术后可达65%；近来应用5-ALA引导胶质瘤切除手术的临床报告中，功能区和总体全切率分别上升至73%和89%。

Foster等的Meta分析发现5-ALA引导胶质瘤大部切除（grosstotalresection，GTR）为75.4%（/）。DiezValle等报道36例患者的GTR为83%，且所有患者的肿瘤切除程度均超过98%。在一组33例患者的病例报告中，所有胶质瘤患者（WHOII/III/IV级）术中应用MRI可使切除率提高20.5%，但对于高级别胶质瘤患者（WHOIII/IV级），5-ALA联合术中MRI的手术切除程度并不优于单独使用5-ALA。因此，总体而言，5-ALA荧光引导胶质瘤手术有助于提高恶性胶质瘤的切除程度。

3.3改善患者的预后

胶质瘤的切除程度与患者的生存期密切相关。Ferraro等发现：5-ALA荧光引导胶质瘤手术切除率更高，复发再次手术减少，且未全切者PFS明显差于全切者（P=0.）。Stummer等应用5-ALA引导胶质瘤切除手术的52例患者中1例出现永久性偏瘫，3例出现一过性神经功能障碍，其余患者神经功能改善或未出现恶化。III期临床的RCT研究结果显示：接收5-ALA引导胶质瘤切除手术的患者6个月的PFS为41.0%，而对照组为21.1%，并且5-ALA组未出现严重的并发症；就卡氏评分（KarnofskyPerformanceScale，KPS）而言，两组在术后6周时均为90分，6个月后KPS评分下降30%的5-ALA引导胶质瘤手术患者为26%，白光手术组为29%。结果提示5-ALA引导胶质瘤切除手术有助于改善患者的预后，并不会导致患者出现额外的并发症。

4.PDT与其他治疗方法的联合

许多患者在接受PDT治疗前已进行过化疗，或在接受PDT治疗的同时和/或之后进行化疗，故有必要对PDT与化疗联合应用治疗肿瘤进行深入研究，但这方面的报道尚很少。有人研究了PDT联合嘧啶亚硝脲（ACNU）或甲氨蝶呤（MTX）等抗肿瘤的药物治疗脑胶质瘤的效果。结果表明PDT联合应用ACNU对于抑制脑胶质瘤DNA、RNA、蛋白质的合成较单独应用PDT要明显。而PDT联合应用MTX的研究表明：治疗的48h内单独应用MTX的杀肿瘤作用较强，在48h后联合应用MTX时的杀肿瘤作用要明显强于单独应用PDT。

人们还发现替莫唑胺、阿霉素、长春新碱、丝裂霉素C、氨甲喋呤等与PDT联用能产生协同作用。PDT联合化疗药物治疗脑胶质瘤的效果较好的机制尚未完全清楚，可能与化疗药物促进光敏剂在肿瘤内聚积有关；也可能是因为PDT能引起肿瘤血脑屏障进一步损害，使更多的化疗药物及免疫治疗药物透过。研究发现PDT联合去铁敏可增强PDT对胶质瘤干细胞的治疗作用。多数学者认为PDT与放疗有协同作用，放疗可能抑制PDT所致分子损伤的修复，PDT也可能增加了肿瘤细胞对放疗的敏感性。另外，还有PDT与热疗、免疫治疗、BNCT等联合应用的研究。

5.脑胶质瘤PDT的并发症及处理

虽然PDT在脑肿瘤治疗中是一种非常有潜力的方法，并且大多数的研究表明其并发症是轻微的。但在实验及临床应用中都证实PDT有细胞损害及血管损伤作用。其主要发并发症包括：脑水肿、正常脑组织损害及皮肤光毒性。PDT过程中正常脑组织产生脑水肿、脑组织缺氧、脑血管损伤，大面积脑水肿及颅内压增高均有报道。在进行PDT前应充分切除肿瘤组织，必要时行去骨瓣减压，术后行颅内压监测，PDT治疗后的颅内压是可以控制的。PDT对脑胶质瘤治疗的另一个并发症在于其对治疗区域所有结构的非特异性损害，导致相应神经功能的恶化。

PDT可损害肿瘤的微血管系统，并通过血栓及出血性梗死损害正常组织。位于或邻近脑功能部位的恶性肿瘤PDT治疗的安全性及减少损伤取决于光敏剂对肿瘤细胞的特异选择性。另外，光敏剂在皮肤中的潴留，造成皮肤的光敏反应也不容忽视，严重者可致剥脱性皮炎。但是，只要严格避光，应用激素、抗过敏药物及加快光淬灭的胡萝卜素和维生素E，这种反应是可以避免的。

6.问题与展望

虽然近20年来应用PDT治疗脑肿瘤已有了一定量的病例和临床经验，也取得了一些效果，但仍未大规模的发展，主要存在以下问题，如：临床研究中病例选择不统一，治疗中采用的光敏剂种类、剂量、用药方法和途径、光源类型、照光条件（功率、密度、能量、照光剂量及照光间隔时间）不一，疗效判断标准不一致等，使资料可比性差，难以得出极具说服力的结论。5-ALA应用于胶质瘤治疗上虽然取得了很大的进展，但这个领域仍面临着很多挑战。比如，实质恶性肿瘤的特异显像仍是不充分的；由于正常脑组织与恶性胶质瘤细胞的强度对比不够明显，在浸润部位的切除范围的判断仍存在疑问等。

在我国，脑胶质瘤PDT治疗及光敏剂引导手术的发展仍受限于光敏剂的研发和临床研究的滞后。尽管早在十几年前我国就批准了重庆华鼎现代生物制药有限公司生产的HpD（喜泊汾）的临床应用，但在脑胶质瘤PDT治疗方面仍缺乏临床研究的支撑。上海复旦张江生物医药股份有限公司生产的5-ALA（艾拉）和血卟啉单甲醚（海姆泊芬）也批准用于临床，但主要用于皮肤疾病的治疗，其适用范围在脑胶质瘤PDT治疗和光敏剂引导手术中的拓展亦需要荧光手术显微镜的普及与大量临床研究的支撑。尽管面临多种困难，但理论上PDT在恶性脑肿瘤治疗中的研究仍具有良好的前景。通过优化PDT治疗方案，改良现有的光敏剂或开发新的和更特异的光敏剂，进一步的研究阐明光敏剂的摄取机制和治疗原理，PDT治疗及光敏剂引导手术仍不失为脑胶质瘤治疗的一种有潜力的选择。

中国神经学科新媒体；值班