近日，上海交通大学顾波波团队在Laser & Photonics Reviews发表了题为“Highly Efficient Two-Photon Photodynamic Therapy Using Light-Sheet Excitation”的研究成果。该文的第一作者为上海交通大学生物医学工程学院博士研究生逄雯。该研究工作得到了中国科学技术部、国家自然科学基金委、上海交通大学的支持。

该研究中设计并搭建了一套双光子光片激发系统，用于实体肿瘤的高效双光子光动力治疗（TP-PDT）。优化后的双光子光片激发系统可以在肿瘤组织中实现2.6×2.7×0.09 mm的薄片状的大范围激发域，这是传统双光子激发方法无法达到的。结合简单的一维扫描可覆盖整个肿瘤，基于双光子光片激发的TP-PDT可实现70%的肿瘤生长抑制率，打破了传统的光动力治疗存在的穿透深度与激发体积之间的矛盾，展现出了本研究中所提出的双光子光片激发系统在实体肿瘤TP-PDT治疗的未来转化研究中的巨大应用潜力。

研究背景

双光子光动力疗法利用近红外光通过双光子吸收过程激发光敏剂，可提高激发光在生物组织中的穿透深度，在深层肿瘤或厚肿瘤的治疗中具有广阔的应用前景。作为一种典型的非线性光学现象，TP-PDT中通常以高度聚焦的激光点激发光敏剂，其微小的激发范围远小于肿瘤体积，同时单线态氧的寿命和扩散范围极其有限，因此传统TP-PDT所采用的点扫描方法明显限制了其对肿瘤的治疗效果。因此，开发一种新型高效的双光子激励方法来扩展激励范围，进而提高双光子光动力治疗疗效具有重要意义。光片照明是一种二维平面激发方式，已用于多种成像模式，特别是光片荧光显微镜。对于光片激发，三维体积激发可以简单地通过一维扫描实现，大大提高了激发效率。光片激发为高效的双光子激发提供了一个十分有前景的方案。

主要研究成果

本研究中所搭建的双光子光片激发系统中分别采用焦距为50 mm和200 mm的柱面透镜对飞秒激光进行调制，形成了具有很薄的束腰厚度和一定聚焦深度的双光子光片，并从理论计算、光束轮廓检测、激发不同介质中罗丹明6G的双光子荧光三个层面对所搭建系统形成的双光子光片进行了分析和表征。

经理论和实际轮廓测量，经长焦距柱面透镜调制形成的光片对飞秒光束具有更好的会聚效果，能在更长的范围内保持较薄的厚度，即更深的聚焦深度。在光密度达到双光子激发所需的阈值的前提下，经长焦距柱面透镜调制形成的光片具有相对较薄的束腰厚度和更长的聚焦深度，更适用于后续的应用。

图1 双光子光片激发系统中光片光束特性的表征

随后在溶液、体模、肿瘤组织中验证了双光子光片激发的可行性和有效性。在肿瘤组织中，双光子光片可激发出罗丹明6G的双光子荧光。对于经焦距为50 mm和200 mm的柱面透镜形成的光片，测得的有效纵向激发长度即穿透深度分别约为2.1 mm和2.7 mm。使用焦距为200 mm的柱面透镜形成的光片可实现更大的激发范围，约为2.6×2.7×0.09 mm，具有更好的双光子激发性能，被用于后续的在体实体肿瘤的双光子治疗研究。

图2 溶液、体模、肿瘤组织中双光子

光片激发可行性的验证

使用双亲性聚合物对具有聚集诱导发光特性的TBDTT分子进行包封，形成可在水溶液中稳定分散的纳米颗粒作为双光子光敏剂，结合双光子光片激发系统进行小鼠实体肿瘤的双光子光动力治疗研究。在瘤内注射TBDTT NPs后以更低的光剂量（750 nm, 500 mW, 20 min）对肿瘤部位一维扫描实现三维肿瘤的进行双光子光片激发，实现了约70%的肿瘤生长抑制率。

图3 基于双光子光片激发的在体双光子光动力治疗研究

本研究中所提出的基于双光子光片激发的TP-PDT只需一轮治疗即可取得令人满意的治疗效果，可见本研究中所提出双光子光片是一种高效的双光子光照方式，克服了传统的双光子激发方式激发体积小、治疗方案复杂的问题。同时展现出了本研究中所提出的双光子光片激发系统在实体肿瘤TP-PDT治疗的未来转化研究中的巨大应用潜力。

通讯作者信息

顾波波，长聘副教授，博士生导师。曾于浙江大学、丹麦科技大学、新加坡南洋理工大学、法国XLIM研究所、美国纽约州立大学布法罗分校学习和工作。2017年加入上海交通大学生物医学工程学院，研究工作主要集中于生物医学光学影像技术及临床转化应用。近年来在Light: Science & Applications, Laser & Photonics Reviews, Advanced Science等学术期刊发表论文60余篇。课题组主页：gulab.sjtu.edu.cn

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400753

作者| 逄雯

供稿| 科研与学科办

审核| 叶坚、丁显廷