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新型癌症治療試劑與近紅外光熱療法

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試想在一座廣大的叢林裡,有一位技術精湛的獵人,正尋找著這座叢林裡最肥美的獵物,然而因為叢林的廣闊無邊,獵人最終無功而返;如果這時候有一盞聚光燈,精準地照出獵物的位置,獵人也能用準確的槍法迅速射殺獵物,獵人就不至於空手而歸。癌症的治療也是如此,如果能在人體內投入一種藥物,既具備聚光燈找到獵物(癌細胞)的能力,也有獵人的精準槍法(療效),就能減輕許多治療期間的病痛。

 

叢林裡的聚光燈

 

本文要介紹的是一種新型的癌症治療試劑(以下稱本藥物),它可以藉由近紅外光啟動光熱療法直接殺死癌細胞,也能在磁振造影(MRI, magnetic resonance imaging)當中,擔任聚光燈的角色,清楚地呈現出癌細胞的位置。

 

本藥物的結構可以想像成是一顆雞蛋,蛋殼的成分是善於吸收紅外光的硫化銅,而蛋黃則是帶有磁性的四氧化三鐵,兩個部分各司其職,前者負責將光轉為熱能殺死癌細胞,後者則是導航系統。

 

近紅外光的光熱療法

 

過去的化療藥物好壞通殺,癌細胞周圍的健康細胞常被波及,因此新型癌症治療都希望能避開對正常細胞的傷害,光熱療法就是其中之一。

 
 

所謂的光熱療法,是把光照到對光線敏感的藥物上,使其散發熱能來殺死目標細胞;不過隨著光照的時間越長,散發的熱能越多,周邊健康的細胞也會受影響。因此,目前的研究重點在於如何大幅縮短光照的治療時間,這也是許多研究看上低功率近紅外光的理由。

 

如下圖所示,光熱療法有以下步驟:

1.特定波長的光線

2.光線照射到對光線敏感的藥物上

3.藥物受到光線照射

4.藥物釋放熱能

5.釋放的熱能殺死癌細胞

 

 

蛋殼:善於吸收紅外光的硫化銅殼

 

在許多不同的光當中,本藥物的實驗選擇了近紅外光,由於近紅外光不會被皮膚或其他身體組織阻擋或吸收,能讓治療試劑接受到最完整的光。另外,硫化銅對於近紅外光的吸收、放射熱能的效率都是非常高的,因此很適合作為光熱療法的「光敏劑」,也就是對光線敏感、會散發熱能的物質。

 

硫化銅可以吸收700~1300nm波段的光,這個區間都算是近紅外光的範圍,有兩種波段的近紅外光可經由硫化銅進行光熱治療,分別是808nm以及1064nm。細胞實驗發現,當1064nm和808nm殺死癌細胞的效果一樣時,1064nm的亮度(強度)只需要808nm的一半;如果將808nm的亮度(強度)降到跟1064nm一樣,808nm的近紅外光只能控制細胞增長,無法有效根治,因此,本實驗證實1064nm的近紅外光對於癌症治療是最好的光源。此外,在動物實驗也發現,使用1064nm近紅外光透過硫化銅殼啟動光熱療法,可以完全移除、根治腫瘤。

 

 

蛋黃:帶有磁性的四氧化三鐵

 

磁振造影(MRI, magnetic resonance imaging)可以呈現人體內磁場聚集的情況,四氧化三鐵進入人體後,會聚集在癌細胞位置,就像GPS導航功能,指引近紅外光要照的目標位置。而除了鐵離子以外,鈷離子、鎳離子都是磁性奈米粒子,理論上都可以擔任GPS的角色,不過當我們要將其作用於生物體內時,就必須符合三個條件:沒有生物毒性、可溶於水、具生物相容性,原因在於沒有生物毒性是最重要的,任何有毒性、對人體有害的物質都不能應用在生物體內;再來,人體內的水分占了非常高的比例,因此,不可溶於水的物質也必須淘汰;最後,沒有生物相容性的物質一旦進入人體,就會被視為敵人,引發過敏、免疫等反應。

 

氧化鐵完全符合三要件,生物毒性也是三者裡面最低的,雖然現行的技術可以用其他低毒性、高生物相容性的物質包覆鈷離子、鎳離子,但是人體內的各種酵素侵蝕還是可能會釋放出鈷離子、鎳離子的強烈毒性,因此,在三者比較之下,鐵離子構成的氧化鐵是最適合的。

 

透過本藥物的獨特設計,除了能讓癌症治療更精準、副作用更低,四氧化三鐵在磁振造影當中也扮演了顯影劑的重要角色,對治療後續的追蹤檢查也有很大的幫助。

 

參考資料

1. 黃耿祥。全新中空型金銀合金奈米複合材料之特性研究暨應用於癌症光熱治療劑之開發研究成果報告(精簡版)。行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

2. 生醫奈米科技教學資源中心。生醫奈米技術。教育部「生物及醫學科技人才培育先導型計畫」

3. Ze-Cong Wu ,Wei-Peng Li, Cheng-Hung Luo ,Chia- Hao Su, Chen-Sheng. YehRattle-Type Fe₃O₄ @CuS Developed to Conduct Magnetically Guided Photoinduced Hyperthermia at First and Second NIR Biological Windows. Advanced Functional Materials

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