光動力治療(Photodynamic therapy, PDT)

光動力治療主要是由光、氧氣和不具毒性的光感物質(photosensitizer, PS)所 組成，屬於光醫學的範疇[22]，追溯到數千年前，人類在三千年前的古埃及時代 便知道可以利用陽光來治療疾病，如皮膚上的白斑病(vitiligo)、牛皮癬(psoriasis)、

軟骨病(rickets)等，發現經由陽光照射後能達到治療效果。歷史上經科學家證實 光動力治療的先例在西元 1900 年，德國科學家奧斯卡．瑞伯(Oscar Raab)發現碇 紅（acridine orange）染劑加到草履蟲（Paramecium caudatum）上，經由特定波 長光照射下，會增加對草履蟲的死亡率，其毒性大於單獨碇紅及單獨光的影響 [23]。這當中光動力療法是一直到十九世紀末才被真正的重視及發展，而上述的 發現開啟了利用特定光源結合化學物質的作用方式能使細胞死亡的概念。丹麥科 學家尼爾斯．芬森(Niels Finsen)在西元 1901 年發現利用紅光可以治療天花 (smallpox) ， 減 少 天 花 膿 包 化 膿 並 使 其 脫 落 。 數 年 之 後 也 發 現 使 用 紫 外 光 (ultraviolet light)可以治療皮膚結核病(cutaneous tuberculosis)，因而在西元 1903 年獲頒諾貝爾醫學獎的殊榮[24]，為近代光動力治療的起源。

光動力治療應用在臨床上治療的第一個例子是科學家 Herman Von Tappeiner 及皮膚科醫師 A. Jesionek 以伊紅（eosin）作為光感物質經由照光，運用在局部 性皮膚癌治療(skin cancer)，並稱此治療為光動力作用(photodynamic action)[25]。

Hausmann 是第一個研究血紫質（Heamatoporphyrin，Hp）的科學家，西元 1910 年他發現結合照光後，對草履蟲及紅血球細胞具有毒性，造成其死亡；另外，塗 抹在老鼠的皮膚後照光，也會造成一定程度傷害。Policard 在西元 1924 年利用血 紫質偵測與診斷腫瘤的位置，發現血紫質有選擇性累積情形。Samuel Schwartz 在西元 1955 年合成血紫質衍生物(Hematoporphyrin derivative，HpD)，其光毒性 是血紫質的兩倍。到了西元 1960 年科學家 Lipson 和 Baldes 利用血紫質衍生物應 用於腫瘤的治療研究，發現血紫質衍生物使用的劑量較血紫質低。在西元 1972

年，Diamond 研究發現血紫質衍生物照光後能成功傷害神經膠質瘤細胞(glioma) [26]，這樣的發現被科學家認為光動力治療或許是癌症治療的新方向，帶來新的 契機。西元 1975 年，Dougherty 首先將血紫質衍生物注入活體動物的腫瘤接著照 光後發現能消除腫瘤，而且不會對周圍正常組織細胞造成傷害。隔年西元 1976 年，Kelly 和 Snell 將血紫質衍生物應用在膀胱癌(bladdercancer)治療上[27]，是 光動力治療首次在人體臨床上的試驗。因此，光動力治療逐漸成為科學家研究的 重點以及重要的癌症治療方式。

此後光動力治療已獲得越來越多國家政府相關部門的核准在臨床治療上的 應用。光動力治療在癌症臨床治療目前主要應用在肺癌、口腔癌、食道癌、皮膚 癌、支氣管癌、婦科之腫瘤、胃癌及腹腔內的惡性腫瘤等。除此之外，光動力治 療也可以治療非癌症上的疾病，例如黃斑退化症(Macular degeneration)、類風濕 性關節炎(Rheumatoid)、乾癬症(Psoriasis)、皮膚疾病、心臟冠狀動脈阻塞(Coronary artery)等。

1.3.2 光動力治療作用機制

光動力治療有三要素：光源、光感物質和氧氣，是一種利用不具毒性的光感 物質，經由特定波長的光，激發此光感物質，在有氧氣情況下，產生一連串的光 化學反應，最終產生高活性的單態氧與自由基，其毒性對目標物造成一定程度破 壞，達到治療效果[28]。光動力治療優點有不會傷害其他正常組織以及能和傳統 的化學治療及放射線治療合併使用，受到相當大的重視。

當位於基態（ground state）的光感物質經由特定波長的光源照射後，受到激 發的光感物質躍升成不穩定的激發單態（excited singlet state），激發單態可回復 至基態，或者經系統間跨越（intersystem crossing）形成兩個不成對電子軌域的 激發三態（excited triplet state），其主要有兩種光化學反應路徑機制分別為 type I reaction 及 type II reaction，如附錄二[28]

(1)Type I reaction

經光照射成為激發三態的光感物質，與周邊基質如細胞膜、粒線體等發生碰 撞，造成電子或氫離子的轉移，產生許多自由基(free radical)，包含氫氧自由基

（hydroxyl radical，OH‧）、超氧陰離子（superoxide anion，O2-‧）、過氧化氫

（hydrogen peroxide， H2O2）等，進而對細胞造成嚴重破壞。

(2)Type II reaction

成為激發態的光感物質，將能量直接轉移給周圍基態的氧分子，使其轉變為 單態氧分子(singlet oxygen)，不穩定的單態氧具有高度反應活性，容易與附近生 物分子如蛋白質、脂質、細胞膜、核酸等物質作用造成傷害，但單態氧只對在附 近周遭範圍內的生物分子造成傷害，是由於其存在週期短(lifetime：＜200 ns)以 及擴散移動距離短(distribution distance ＜45 nm)的因素。

1.3.3 光感物質

光感物質一般是毒性低、半衰期短且帶有芳香環的化學物質，芳香環特性是 能幫助激發三態維持較長時間。光感物質吸收特定波長的光後被激發，能將光能 轉 變 為 化 學 能 。 光 感 物 質 依 作 用 機 制 可 分 為 外 生 型 (exogenous) 及 內 生 型 (endogenous)，大多數的光感物質當受到光源激發後會直接進行光動力作用，屬 於外生型，少數為內生型，其為光感物質前驅物，是需要經由細胞代謝才會形成 具光感性質的產物，像是δ-ALA(δ-aminolaevulinic acid)，其本身並不具光感物 質的特性，是原血紅素生合成路徑的前驅物，必須經由細胞代謝才會產生具有光 感性質的原紫質(protoporphyrinⅨ，ppⅨ)，此外，原紫質也是原血紅素生合成的 速率決定步驟，因此外加δ-ALA 後，可以大量累積光感物質在細胞內，造成細 胞傷害。光動力治療的所使用光感物質的選擇需要對細胞的毒性低、激發三態維 持較久、對目標物具有專一性以及當光動力作用結束後，剩餘的光感物質要能快 速從生物體內排除。

本研究使用的光感物質為屬於外生型的 TBO (Toluidine Blue O)，本身為帶正 電的光感物質，其化學結構如附錄三，主要的吸收波長約為 630 nm。TBO 是在

醫學領域研究方面很常使用的組織切片、血液染劑，可將目標物染成藍色，例如 肥大組織、軟骨細胞或是電子顯微鏡的薄切片等。此外，TBO 也常使用在外科 手術上，即使濃度高達 1％(w/v)對人體組織細胞也不會產生毒性，研究發現使用 對細菌可以達到完全殺菌效果的 TBO 劑量，並不會對人類的纖維母細胞 (fibroblasts) 及角質細胞(keratinocytes)產生毒性[29]。Aoki A 等人在 2014 年發表 的文獻指出，利用 TBO 所進行的光動力作用，會產生較高的氫氧自由基[30]。

而光動力作用反應機制中的 Type I reaction 是透過電子的轉移產生許多自由基，

包含氫氧自由基、超氧陰離子、過氧化氫等，進而對細胞造成嚴重破壞，因此作 者認為 TBO 所進行的光動力作用中 Type I reaction 扮演重要角色。

1.3.4 光動力殺菌

光動力殺菌（Photodynamic inactivation，PDI）是指將光動力作用在微生物 所造成的感染，產生抑制或殺菌的效果，達到治療疾病目的。光動力殺菌的過程 是多重作用目標(multi-target)，光感物質會累積在菌體表面，透過特定波長光照 射激發後，產生單態氧及自由基對菌體產生毒性，造成不可逆的傷害，與大部分 的抗菌藥物作用方式不同。當光動力作用在細胞膜時，可能會發生像是蛋白質與 脂質間的交互作用增加、氧化磷脂質等化學反應，細胞膜完整性因而受到破壞，

造成離子通透性的增加或喪失細胞膜的流動性，再加上細胞膜是電子傳遞鏈及產 生能量的主要位置，當其受到破壞便可能有機會使微生物死亡。除此之外，有研 究發現光動力作用所產生的自由基會氧化菌體內的核酸，造成 DNA 斷裂，抑制 菌體的複製[31]。

光動力殺菌所使用的光感物質對人體細胞組織不容易造成傷害且其多重作 用目標的特性被認為菌體較不容易產生抗性，與抗生素等藥物殺菌的作用機制不 同，因此若能將光動力殺菌應用在局部或表層性傷口感染的治療，不僅可減少抗 菌藥物使用的次數，也能降低正常菌叢與抗菌藥物頻繁的接觸，進而減低抗藥性 產生的機會，避免抗藥性菌株的形成。