中科院纳米能源所与北航研究团队合作《ACS Nano》：用于癌症长期自主治疗的自供电光动力系统
随着人口老龄化社会的到来，以及生活环境的改变，癌症早已成为一类严重威胁人类健康的疾病，其治疗和康复均是一个长期的过程。光动力疗法（PDT）作为一种有效的肿瘤治疗方式得到了不断地发展，在实际的临床治疗过程中，通常在肿瘤附近植入光纤，以便在强光照射下进行短期治疗。但这种高强度光照可能导致周围正常组织，特别是神经和血管的热损伤，从而导致意外的器官功能障碍。但如果光照不足，对肿瘤的抑制又不够，因此，如何平衡辐射剂量损伤和肿瘤细胞的杀伤效率一直是PDT面临的一大问题。而低剂量长时间的节奏光动力学疗法（metronomic photodynamic therapy，mPDT)的出现可以很好的解决这个问题。其采用的光强度很低，不会对周围正常组织器官造成影响，在癌症中展现出了一定潜力，但长时间的治疗仍然面临持续能量供应的问题。目前主要通过两种方式，无线电传输或者储能器件进行解决。驱动LED工作的无线电传输需要一个具有特定工作范围的能量传输装置，电池等储能器件也存在能量耗尽的问题，这会给患者的治疗带来时间和空间的限制。此外，在体内接收能量的无线线圈也可能对植入部位周围的正常组织产生热效应，这在治疗过程中引入了额外的潜在危险因素。近年来，随着物联网技术与信息化的不断进步，发展基于远程医疗，网络医疗以及精准化医疗的监护治疗系统具有重要的意义，也对患者的依从性和自主管理等治疗方法提出了更高的要求。基于上述原因，迫切需要一种可持续供电的可穿戴或可植入PDT装置。
针对长期光动力治疗能源供给的问题，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、李舟研究员团队与北京航空航天大学生物与医学工程学院樊瑜波教授团队合作发开了一种具有两种不同照射模式，可由患者自主管理的自供电光动力治疗（ts-PDT）系统。相关成果以“Human Motion Driven Self-Powered Photodynamic System for Long-Term Autonomous Cancer Therapy”为题发表在ACS Nano（DOI: 10.1021/acsnano.0c00675）上。本文第一作者为北航生物与医学工程学院刘卓博士，中科院纳米能源所博士生胥玲玲和郑强副研究员。
自驱动光动力治疗系统概述及皮下肿瘤凋亡过程示意图
压电纳米发电机可以将机械能转化为电能，基于孪生结构的压电纳米发电机ts-PDT系统相比普通单层PVDF压电膜的纳米发电机，其输出提高两倍，能很好的满足LED灯的能量需求。通过将人体运动所获得的机械能转化为电能，经能量管理系统（PMU）点亮LED，照射光敏剂后产生光动力治疗作用，实现对肿瘤组织的有效杀伤和抑制。通过控制PMU开关的开/关状态，整个系统可以有两种的工作模式，脉冲光刺激（PLS）和间歇连续光刺激（ICLS），可适应不同的治疗情景需求。在细胞水平上，ts-PDT系统可以通过脉冲光刺激方式显著抑制肿瘤细胞的生长。将微型发光二极管（LED）植入移植瘤小鼠皮下后，采用不间歇连续光刺激方式照射12天，抑瘤率达87.46%。
这一创新的ts-PDT系统与两种治疗模式相结合，将为研制可穿戴/可植入和自我控制的长期光动力治疗装置提供一个巨大的机遇，有望成为临床癌症治疗的一种新方法。
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