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    中科院納米能源所與北航研究團隊合作《ACS Nano》:用于癌癥長期自主治療的自供電光動力系統
    2020-06-28  來源:高分子科技

      隨著人口老齡化社會的到來,以及生活環境的改變,癌癥早已成為一類嚴重威脅人類健康的疾病,其治療和康復均是一個長期的過程。光動力療法(PDT)作為一種有效的腫瘤治療方式得到了不斷地發展,在實際的臨床治療過程中,通常在腫瘤附近植入光纖,以便在強光照射下進行短期治療。但這種高強度光照可能導致周圍正常組織,特別是神經和血管的熱損傷,從而導致意外的器官功能障礙。但如果光照不足,對腫瘤的抑制又不夠,因此,如何平衡輻射劑量損傷和腫瘤細胞的殺傷效率一直是PDT面臨的一大問題。而低劑量長時間的節奏光動力學療法(metronomic photodynamic therapy,mPDT)的出現可以很好的解決這個問題。其采用的光強度很低,不會對周圍正常組織器官造成影響,在癌癥中展現出了一定潛力,但長時間的治療仍然面臨持續能量供應的問題。目前主要通過兩種方式,無線電傳輸或者儲能器件進行解決。驅動LED工作的無線電傳輸需要一個具有特定工作范圍的能量傳輸裝置,電池等儲能器件也存在能量耗盡的問題,這會給患者的治療帶來時間和空間的限制。此外,在體內接收能量的無線線圈也可能對植入部位周圍的正常組織產生熱效應,這在治療過程中引入了額外的潛在危險因素。近年來,隨著物聯網技術與信息化的不斷進步,發展基于遠程醫療,網絡醫療以及精準化醫療的監護治療系統具有重要的意義,也對患者的依從性和自主管理等治療方法提出了更高的要求。基于上述原因,迫切需要一種可持續供電的可穿戴或可植入PDT裝置。


      針對長期光動力治療能源供給的問題,中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士、李舟研究員團隊與北京航空航天大學生物與醫學工程學院樊瑜波教授團隊合作發開了一種具有兩種不同照射模式,可由患者自主管理的自供電光動力治療(ts-PDT)系統。相關成果以“Human Motion Driven Self-Powered Photodynamic System for Long-Term Autonomous Cancer Therapy”為題發表在ACS Nano(DOI: 10.1021/acsnano.0c00675)上。本文第一作者為北航生物與醫學工程學院劉卓博士,中科院納米能源所博士生胥玲玲鄭強副研究員


    自驅動光動力治療系統概述及皮下腫瘤凋亡過程示意圖


      壓電納米發電機可以將機械能轉化為電能,基于孿生結構的壓電納米發電機ts-PDT系統相比普通單層PVDF壓電膜的納米發電機,其輸出提高兩倍,能很好的滿足LED燈的能量需求。通過將人體運動所獲得的機械能轉化為電能,經能量管理系統(PMU)點亮LED,照射光敏劑后產生光動力治療作用,實現對腫瘤組織的有效殺傷和抑制。通過控制PMU開關的開/關狀態,整個系統可以有兩種的工作模式,脈沖光刺激(PLS)和間歇連續光刺激(ICLS),可適應不同的治療情景需求。在細胞水平上,ts-PDT系統可以通過脈沖光刺激方式顯著抑制腫瘤細胞的生長。將微型發光二極管(LED)植入移植瘤小鼠皮下后,采用不間歇連續光刺激方式照射12天,抑瘤率達87.46%。


      這一創新的ts-PDT系統與兩種治療模式相結合,將為研制可穿戴/可植入和自我控制的長期光動力治療裝置提供一個巨大的機遇,有望成為臨床癌癥治療的一種新方法。


      原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.0c00675


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