圖像引導(dǎo)的自適應(yīng)放療_第1頁
圖像引導(dǎo)的自適應(yīng)放療_第2頁
圖像引導(dǎo)的自適應(yīng)放療_第3頁
圖像引導(dǎo)的自適應(yīng)放療_第4頁
圖像引導(dǎo)的自適應(yīng)放療_第5頁
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文檔簡介

圖像引導(dǎo)的自適應(yīng)放療第1頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六何為自適應(yīng)放療?自適應(yīng)放療(adaptiveradiationtherapy,ART)是圖像引導(dǎo)放療(image-guidedradiationtherapy,IGRT)發(fā)展延伸出得一種新型放療技術(shù)。其實(shí)施是通過照射方式的改變來實(shí)現(xiàn)對(duì)患者組織解剖或腫瘤變化的調(diào)整,即通過引導(dǎo)圖像(如CT、EPID等)評(píng)判患者解剖和生理變化,或治療過程中所反饋信息如腫瘤大小、形態(tài)及位置變化,分析分次治療與原計(jì)劃設(shè)計(jì)之間的差異,從而指導(dǎo)后續(xù)分次治療計(jì)劃的重新設(shè)計(jì)。第2頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六目的提高腫瘤放療的精準(zhǔn)性,實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤靶區(qū)高劑量照射的同時(shí),最大限度地減少周圍正常組織受到高劑量照射的可能性,進(jìn)而降低并發(fā)癥發(fā)生概率。第3頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六內(nèi)容提要一、ART概述二、自適應(yīng)優(yōu)化的考慮三、自適應(yīng)放療的過程四、自適應(yīng)放療的臨床應(yīng)用五、結(jié)語第4頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六自適應(yīng)放療(ART)概述一、ART概述第5頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六自適應(yīng)放療:新鮮?陳舊?Mackie等于1993年發(fā)表了螺旋斷層治療(HT)設(shè)計(jì)思路的同時(shí),就從理論上提出了利用其CT影像及劑量重建來修正對(duì)患者后續(xù)分次治療的設(shè)想,這是第1次提及劑量重建和基于治療時(shí)CT圖像所獲取信息的自適應(yīng)放療思想。特別是近年來隨著三維適形放療和調(diào)強(qiáng)放療的開展,越來越多的研究者關(guān)注于腫瘤靶區(qū)定義的精確性和對(duì)正常組織器官位置、大小和形狀的改變都會(huì)影響到放療的精準(zhǔn)性。第6頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六靶區(qū)外加邊界的形成為了確保臨床靶體積(CTV)獲得足夠處方劑量,最簡單方法是在CTV外加一個(gè)邊界形成計(jì)劃靶體積(PTV),而這一邊界則必須考慮到患者治療過程中的擺位誤差、器官運(yùn)動(dòng)以及器官變形。但這種外加邊界方法同時(shí)很有可能會(huì)增加正常組織受照射體積,從而引發(fā)靶區(qū)周圍關(guān)鍵器官的放射性反應(yīng),進(jìn)而增加并發(fā)癥可能。第7頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六ART概念的提出很多研究者希望能在不漏射靶體積條件下最大限度減少外擴(kuò)邊界。為解決這一難題,1997年YAN等正式提出了ART概念。經(jīng)過10多年研究以及放療中影像設(shè)備的快速發(fā)展,ART技術(shù)已逐步成熟并正相繼開展中。第8頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六ART的定義通過歸納總結(jié)可定義ART為一個(gè)閉循環(huán)的放療過程,能通過圖像來檢測系統(tǒng)的變化,繼而根據(jù)變化的反饋信息相對(duì)應(yīng)地重新優(yōu)化治療計(jì)劃。第9頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六IGRT與ART的異同第10頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六IGRT與ART的異同圖1分別表示出IGRT和ART的流程圖,從中可發(fā)現(xiàn)雖然它們各自的時(shí)間順序有所改變,但在獲取患者診斷影像、計(jì)劃設(shè)計(jì)以及治療的基本功能方面是沒有區(qū)別的;ART所表現(xiàn)出的復(fù)雜性主要在于根據(jù)患者影像變化而改變治療計(jì)劃的反復(fù)循環(huán)工作流程上,其中的影像驗(yàn)證和計(jì)劃變換是實(shí)時(shí)、在線的就是在線式ART,非實(shí)時(shí)性的則是離線式ART。第11頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六

在IN-ROOMCT上的應(yīng)用CTVISION系統(tǒng)中所獲得的診斷級(jí)定位圖像可實(shí)現(xiàn)類似往常一樣的靶區(qū)及敏感器官勾畫。同時(shí),這些圖像也可用于與治療時(shí)所獲取的日常驗(yàn)證圖像相關(guān)聯(lián),從而予以執(zhí)行在線或離線式處理。圖2列出了自適應(yīng)放療中在CTVISION系統(tǒng)上使獲取圖像的流程圖第12頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六自適應(yīng)處理流程第13頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六二、自適應(yīng)優(yōu)化的考慮基于患者四維影像的計(jì)劃設(shè)計(jì)是ART中關(guān)鍵性的組成部分之一。本質(zhì)上,治療計(jì)劃設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)當(dāng)是一種四維處理過程。當(dāng)治療期間擺位和(或)組織器官結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí),應(yīng)考慮時(shí)間(一維)相位。這些變化也許發(fā)生在分次放療內(nèi)(分次內(nèi)組織器官或擺位變化),或分次放療間(分次間組織器官或擺位變化)。第14頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六傳統(tǒng)計(jì)劃設(shè)計(jì)的局限性傳統(tǒng)上講,通過采用代表患者的三維輪廓(典型CT圖像)實(shí)現(xiàn)了治療計(jì)劃的設(shè)計(jì),并假定治療期間這種輪廓將得以保持。該方法考慮到了組織器官和(或)擺位可能的改變,導(dǎo)致靶區(qū)和(或)敏感器官的外擴(kuò)邊界增加。即使在一些病例治療中此方法可能足夠,但在靶區(qū)覆蓋和正常組織避讓之間也許不能達(dá)到最后的權(quán)衡,從而患者總劑量可能導(dǎo)致增加。第15頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六時(shí)間變量的考慮隨著圖像引導(dǎo)及其處理過程的有效性,放療中除實(shí)際沉積劑量外還取得了患者體位的時(shí)間變化參數(shù),治療計(jì)劃優(yōu)化已本質(zhì)上獲得一種新維數(shù),或者分次間(內(nèi))可將時(shí)間合并作為可變量之一,從而用于確定如何和什么時(shí)候?qū)嵤?duì)治療的調(diào)整。第16頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六1、治療分次內(nèi)的考慮治療分次內(nèi)的變化是指在各分次治療過程中靶區(qū)位置或形狀隨時(shí)間的變化。臨床中從四維圖像系列可獲得呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)相,在計(jì)劃中形成出四維治療模式,并同時(shí)考慮患者位置和組織器官的改變。第17頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六1、治療分次內(nèi)的考慮該問題的最后表現(xiàn)就是運(yùn)用患者處于呼吸狀態(tài)中的信息形成治療計(jì)劃,然后將最優(yōu)化四維計(jì)劃予以治療實(shí)施,其應(yīng)當(dāng)考慮患者位置和組織器官的反復(fù)改變狀態(tài)。對(duì)不同時(shí)相而言,當(dāng)組織器官變化導(dǎo)致其照射劑量增加時(shí)可通過腫瘤控制和組織并發(fā)癥發(fā)生概率間取得一種較好的折衷,即以這樣方式形成治療計(jì)劃。第18頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六

1、治療分次內(nèi)的考慮另外一種重要考慮就是也應(yīng)通過采用可變形的劑量配準(zhǔn)覆蓋組織的改變。因此,在四維計(jì)劃設(shè)計(jì)和治療實(shí)施討論特定執(zhí)行前應(yīng)描述出需取得該目標(biāo)的一些可變形配準(zhǔn)能力。第19頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六

1、治療分次內(nèi)的考慮圖3描述了不同時(shí)相圖像變形配準(zhǔn)的處理過程,圖像中將每一相位映射到參考相位(圖中為第1相位)圖中。該病例中采用了LU等開發(fā)的變形配準(zhǔn)技術(shù),這種技術(shù)非常有效且在肺癌病例中提供了較好結(jié)果。

對(duì)于螺旋斷層放療技術(shù),ZHANG等作為呼吸同步照射已描述了四維計(jì)劃的最簡單實(shí)施和束流照射。LU等也相繼提出了實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)照射和自適應(yīng)算法的技術(shù)解決方案。第20頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六2、治療分次間的考慮分次治療期間足夠的外擴(kuò)邊界在一定程度上可對(duì)腫瘤劑量覆蓋與危及器官保護(hù)之間提供一種較好的權(quán)衡。然而,腫瘤和危及器官不可能總具有同樣形狀、接受同樣劑量或處于相同位置,所以沉積劑量將會(huì)很明顯地隨時(shí)間而改變,并將與通常假定獨(dú)立于時(shí)間的計(jì)劃相比較。第21頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六三、自適應(yīng)放療的過程放療每分次前、期間或之后在許多成像形式和照射技術(shù)間所選擇的可能性已經(jīng)開啟了放療計(jì)劃管理中許多可能的新事物。CTVISION系統(tǒng)中計(jì)劃圖像可用于與分次治療前所獲取的日常引導(dǎo)圖像相關(guān)聯(lián)對(duì)比,從而可執(zhí)行在線或離線式處理。第22頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六1、治療計(jì)劃產(chǎn)生目前的治療計(jì)劃系統(tǒng)優(yōu)化算法是基于物理(即劑量)目標(biāo)函數(shù),治療計(jì)劃的生物劑量評(píng)估及其生物優(yōu)化算法已在未來考慮之列。通常調(diào)強(qiáng)治療多采用共面7野或9野等角度分布,無需避開直接對(duì)危及器官的照射,通過治療計(jì)劃系統(tǒng)的優(yōu)化可滿足特定劑量約束條件,在取得靶區(qū)劑量均勻性同時(shí)盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)正常組織的保護(hù)。第23頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六2、日常驗(yàn)證圖像的獲取基于CTVISION系統(tǒng)的IN-ROOMCT可獲得患者的驗(yàn)證CT圖像,從而實(shí)現(xiàn)每分次治療對(duì)患者位置的驗(yàn)證。通常驗(yàn)證CT掃描范圍需小于原始計(jì)劃CT影像范圍,以降低不必要的輻射劑量及減少治療占機(jī)時(shí)間。但為了全程性地回顧各靶區(qū)及器官的受照劑量精確對(duì)比,采集驗(yàn)證CT影像條件需與原始計(jì)劃CT影像相同。第24頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六第25頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六3、ART評(píng)估和分析(1)在線處理過程(2)離線處理過程第26頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六(1)在線處理過程

(1)在線處理過程:基于解剖結(jié)構(gòu)信息,利用在線CT圖像可實(shí)施患者的重新擺位?,F(xiàn)代CT圖像性能不僅可辨高對(duì)比度組織如骨,而且也可對(duì)軟組織信息予以辨別。運(yùn)用這些圖像可實(shí)施患者擺位的合適調(diào)節(jié),一些情況下對(duì)擺位偏差進(jìn)行校正是有必要的。特別的,患者擺位中觀察到的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和所產(chǎn)生的變化,這也將有助于對(duì)分次間解剖學(xué)變化給予一定的補(bǔ)救。如靶區(qū)、危及器官、骨組織和外部輪廓均相對(duì)于另一器官發(fā)生移動(dòng)時(shí),可選擇性對(duì)患者重新予以擺位,最初計(jì)劃的劑量分布將最能反映出所需擺位的信息。第27頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六

局限性考慮解剖學(xué)變化而實(shí)現(xiàn)對(duì)患者擺位的調(diào)節(jié),其局限性在于實(shí)施可能位置變化的調(diào)節(jié)通?;诩僭O(shè)以剛性的患者(體)來實(shí)現(xiàn)的。解剖組織結(jié)構(gòu)變化越多,也許越難以確保實(shí)現(xiàn)按照對(duì)患者原始治療計(jì)劃的實(shí)施。第28頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六可選方法原理上,實(shí)現(xiàn)計(jì)劃再設(shè)計(jì)也許會(huì)是最好的選擇,但目前采用在線方式調(diào)整似乎是不太現(xiàn)實(shí)。因此,提議的一種可選方法就是對(duì)于每分次照射,在幾次有效的計(jì)劃變化之間選擇出可利用的治療前患者圖像。該過程的關(guān)鍵好處就是,由于可考慮組織器官的變化,它提供了在線劑量重新優(yōu)化的諸多優(yōu)勢,但所有必要的計(jì)算需治療前來完成。第29頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六治療計(jì)劃的選擇假如能預(yù)測或至少適當(dāng)?shù)仡A(yù)計(jì)患者解剖學(xué)變化的話,則預(yù)先可實(shí)行對(duì)治療計(jì)劃的準(zhǔn)備。處理過程從幾套輪廓和(或)PTV外擴(kuò)邊界的形成開始,計(jì)劃的后續(xù)準(zhǔn)備適用于這些外擴(kuò)邊界或解剖學(xué)變化。治療時(shí),執(zhí)行與日常組織器官相吻合最好的計(jì)劃。這種解決方法被稱為日常選擇的多種外擴(kuò)邊界優(yōu)化法。第30頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六另一種選擇基于在線CT圖像,還可以采用另一種方法實(shí)現(xiàn)在線的優(yōu)化。這種方法的缺點(diǎn)之一就是需為調(diào)強(qiáng)放療每天勾畫出精確的器官輪廓。對(duì)于一定解剖部位而言,通過計(jì)劃CT和日常驗(yàn)證CT圖像之間所創(chuàng)建的扭曲形變可自動(dòng)地形成靶區(qū)和危及器官輪廓。這些形變圖可運(yùn)用原始計(jì)劃內(nèi)輪廓,產(chǎn)生出日常器官輪廓。然而,許多病例中如前列腺癌,每天勾畫出CTV靶區(qū)特別是頭腳方向,這似乎是不太容易。第31頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六理想放療流程在線性能和過程的有效性不僅提供了圖像引導(dǎo)ART的可能性,而且潛在地提升臨床放療標(biāo)準(zhǔn)的再定義。假如優(yōu)化算法計(jì)算快,且足夠靈活地產(chǎn)生在線計(jì)劃,日?!皰呙?、計(jì)劃、再治療”的理想放療流程將最終成為可能。

第32頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六(2)離線處理過程應(yīng)用每天圖像可離線地確定每分次治療中日常擺位和組織器官的改變,或一系列分次中影響靶區(qū)覆蓋和正常組織避讓情況。例如,在幾分次后通過定義關(guān)聯(lián)的特定患者所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)級(jí)別及其組織器官改變,從而可創(chuàng)建出患者特定的輪廓。同時(shí),對(duì)于肺部或頭頸部腫瘤而言,日常圖像有助于實(shí)施跟蹤腫瘤的縮小,而幾分次后該腫瘤縮小也許具有重要的臨床意義。第33頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六實(shí)際劑量分布疊加每分次治療前所獲取的圖像可用于勾畫出新輪廓和必要的重新劑量計(jì)算。為了整體分析計(jì)劃的需要,應(yīng)從多分次角度對(duì)治療劑量分布給予疊加,并將總劑量與所期待的計(jì)劃劑量分布進(jìn)行比較。第34頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六問題假如患者是剛性軀體的話,這一點(diǎn)可能很容易實(shí)現(xiàn),然后實(shí)施在物理空間內(nèi)體素單元式劑量疊加。不幸的是,大多數(shù)病例中假定剛性軀體無法獲得,因而增加基于每體素單元的生物學(xué)劑量將變得更為適當(dāng)些。在這些病例中形成變形圖及使用所謂可變形的劑量配準(zhǔn)過程,這些均是必要的。第35頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六兩步法這應(yīng)是一個(gè)兩步法過程:首先第36頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六醫(yī)用金屬材料臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料,由于有較高的強(qiáng)度和韌性,已成為骨和牙齒等硬組織修復(fù)和替換、心血管和軟組織修復(fù)以及人工器官制造的主要材料?;瘜W(xué)周期表中的大部分金屬不符合生物材料的要求,僅有小部分或經(jīng)處理過的可用于臨床。目前在臨床使用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金和鈦基合金三大類,另外還有記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮和鋯等。第37頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六醫(yī)用金屬材料鐵基耐蝕合金(一般由鐵、鉻、鎳、鉬、錳、硅組成),易加工、價(jià)格低廉。不銹鋼的耐蝕性和屈服強(qiáng)度可以通過冷加工而提高,避免疲勞斷裂。一般不銹鋼制成多種形體,如針、釘、髓內(nèi)針、齒冠、、三棱釘?shù)绕骷腿斯ぜ袤w而用于臨床。不銹鋼第38頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六醫(yī)用金屬材料含有較高的鉻和鉬,又稱鈷鉻鉬合金,具有極為優(yōu)異的耐腐蝕性(比不銹鋼高40倍)和耐磨性,綜合力學(xué)性能和生物相容性良好,可通過精密鑄造成形狀復(fù)雜的精密修復(fù)體,有硬、中、軟三種類型。臨床上主要用于人工關(guān)節(jié)(特別是人體中受載荷最大的髖關(guān)節(jié))人工骨及骨科內(nèi)處固定器件的制造齒科修復(fù)中的義齒,各種鑄造冠、嵌體及固定橋的制造心血管外科及整形科等由于其價(jià)格較高,加工困難,應(yīng)用尚不普及。鈷基材料第39頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六醫(yī)用金屬材料臨床應(yīng)用廣泛,其質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、力學(xué)性質(zhì)接近人骨、強(qiáng)度遠(yuǎn)低于純鈦,耐疲勞、耐蝕性均優(yōu)于不銹鋼和鈷基合金,且生物相容性和表面活性好,是較為理想的一種植入材料??箶嗔褟?qiáng)度較低,耐磨性能不盡人意,加工困難。冶煉及成型工藝復(fù)雜,要求條件較高。主要用于:修補(bǔ)顱骨,制成鈦網(wǎng)或鈦箔用于修復(fù)腦膜和腹膜、人工骨、關(guān)節(jié)、牙和矯形物、人工心臟瓣膜支架、人工心臟部件和腦止血夾、口腔頜面矯形頜修補(bǔ)、手術(shù)器械、醫(yī)療儀器頜人工假肢等。鈦基材料第40頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六醫(yī)用金屬材料自1951年美國首次報(bào)道Au-Cd(金-鎘)合金具有形狀記憶效應(yīng)以來,目前已發(fā)現(xiàn)有20多種記憶合金,其中以鎳鈦合金在臨床上應(yīng)用最大。它在不同的溫度下表現(xiàn)為不同的金屬結(jié)構(gòu)相。如低溫時(shí)為單斜結(jié)構(gòu)相,高溫時(shí)為立方體結(jié)構(gòu)相,前者柔軟可隨意變形,如拉直式屈曲,而后者剛硬,可恢復(fù)原來的形狀,并在形狀恢復(fù)過程中產(chǎn)生較大的恢復(fù)力。形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloysSMA)第41頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六醫(yī)用金屬材料貴金屬:貴金屬具有獨(dú)特穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能、優(yōu)異的加工特性、對(duì)人體組織無毒副作用、刺激小等優(yōu)良的生物學(xué)性能。主要用于口腔科的齒科修復(fù),也可用于小型植入式電子醫(yī)療器械。純金屬:鉭,鈮,鉻等第42頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六醫(yī)用高分子材料高分子材料是通過有方向的共價(jià)鍵結(jié)合而成的具有長鏈結(jié)構(gòu)的有機(jī)材料。舉例:聚乳酸醫(yī)用高分子材料:在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的、尤其能在機(jī)體內(nèi)使用的高分子材料。第43頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六醫(yī)用高分子材料生物醫(yī)學(xué)高分子材料(Biomedical

Polymer)生物醫(yī)學(xué)高分子材料有天然的和合成的兩種,發(fā)展最快的是合成高分子醫(yī)用材料。通過分子設(shè)計(jì),可以獲得很多具有良好物理機(jī)械性和生物相容性的生物材料。其中軟性材料常用作為人體軟組織如血管、食道和指關(guān)節(jié)等的代用品;合成的硬材料可以用作人工硬腦膜、籠架球形的人工心臟瓣膜的球形閥等;液態(tài)的合成材料如室溫硫化硅橡膠可以用作注入式組織修補(bǔ)材料。第44頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六醫(yī)用高分子材料人類機(jī)體的皮膚、肌肉、組織和器官都是由高分子化合物組成的,天然高分子生物材料是人類最早使用的醫(yī)用材料之一。天然材料具有不可替代的優(yōu)點(diǎn):功能多樣性、與機(jī)體的相容性、生物可降解性以及對(duì)其進(jìn)行改性與復(fù)合和雜化等研究。第45頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六醫(yī)用高分子材料目前天然高分子生物材料主要有:天然蛋白質(zhì)材料:膠原蛋白和纖維蛋白兩種天然多糖類材料:纖維素、甲殼素和殼聚糖等第46頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六

甲殼素縫線的電鏡照片

醫(yī)用高分子材料第47頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六甲殼素人工皮的電鏡照片醫(yī)用高分子材料第48頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六合成高分子生物材料合成高分子生物材料是指利用聚合方法制備的一類生物材料。由于合成高分子可以通過組成和結(jié)構(gòu)控制而具有多種多樣的物理和化學(xué)性質(zhì)。醫(yī)用高分子材料科學(xué)是一門新興的邊緣學(xué)科,是生物醫(yī)學(xué)工程的一個(gè)主要分支,合成高分子材料已成為制造各種人工器官、軟硬組織修復(fù)體、醫(yī)用粘結(jié)劑、縫合線、人造血液等的最主要的也是用量最大的生物材料。醫(yī)用高分子材料第49頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六醫(yī)用高分子材料應(yīng)用范圍材料名稱人造血管人造絲、尼龍、腈綸,硅橡膠、聚四氟乙烯人工心臟聚氨酯橡膠、硅橡膠、天然橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龍、聚四氟乙烯、滌綸人工心臟瓣膜聚氨酯橡膠、硅橡膠、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯心臟起搏器硅橡膠、聚氨酯橡膠第50頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六醫(yī)用高分子材料人工食道聚乙烯醇、聚乙烯、聚四氟乙烯、硅橡膠人工氣管聚乙烯、聚四氟乙烯、硅橡膠、聚乙烯醇人工輸尿管聚四氟乙烯、硅橡膠、水凝膠人工頭蓋骨聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、碳纖維人工喉硅橡膠、聚乙烯人工膀胱硅橡膠人工血漿右旋糖肝、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮人工眼球泡沫硅橡膠第51頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料18世紀(jì)初開始應(yīng)用。無毒、與生物體組織有良好的生物相容性、耐腐蝕。包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大類,主要用于齒科、骨科修復(fù)和植入材料?;径际谴嘈圆牧希菀灼屏?,發(fā)展方向應(yīng)向開發(fā)復(fù)合(多相)生物材料以及在金屬基體上加涂無機(jī)生物陶瓷涂層(薄膜)材料的方面引導(dǎo)。醫(yī)用高分子材料第52頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六雜化生物材料(HybridBiomaterials)是由活體材料和非活體材料組成的復(fù)合體。它主要包括合成材料與生物體高分子材料或與細(xì)胞的雜化。從廣義上講,它包括所有的人工材料與生物體高分子和生理活性物質(zhì)的雜化。例如:膠原/聚乙烯醇雜化材料,可增進(jìn)組織細(xì)胞的增殖膠原/葡萄糖膜上被覆一層硅橡膠可作為人工皮使用雜化生物材料主要包括三類:用于組織結(jié)構(gòu)材料的多糖類等生理活性物質(zhì)雜化材料以固定酶為代表的功能性雜化材料雜化細(xì)胞醫(yī)用高分子材料第53頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六生物材料的范圍高度交叉:是生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)交叉形成的邊緣學(xué)科。具體涉及到化學(xué)、物理學(xué)、高分子化學(xué)、高分子物理學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)、生理學(xué)、藥物學(xué)、基礎(chǔ)與臨床醫(yī)學(xué)、工程學(xué)等很多學(xué)科。第54頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六生物材料的開發(fā)和研究已逐步轉(zhuǎn)向復(fù)合型雜化型功能型:指在生理環(huán)境下表現(xiàn)為特殊功能的材料,形狀記憶材料,組織引導(dǎo)再生(GuidedTissueRegeneration,GTR)材料。智能型:指能模仿生命系統(tǒng),同時(shí)具有感知和驅(qū)動(dòng)雙重功能的材料。感知、反饋和響應(yīng)是該材料的三大要素。將高新技術(shù)、傳感器和執(zhí)行元件與傳統(tǒng)材料結(jié)合在一起,賦予材料新的性能,使無生命的材料具有越來越多的生物特性。當(dāng)前國內(nèi)外生物材料開發(fā)研究的主要趨勢,是致力于提高材料的生物相容性,致力于開發(fā)生物相容性好、更能適應(yīng)人體生理需要的新材料。生物材料的發(fā)展趨勢第55頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六在雜化生物材料的基礎(chǔ)上發(fā)展的。組織工程是近年來一門新興的多學(xué)科交叉生命科學(xué),目的是修復(fù)和再生受損組織或器官,幫助病人恢復(fù)受損組織的功能,提高生活質(zhì)量,解決器官短缺和免疫抑制等問題。組織工程的定義:它利用工程學(xué)和生命科學(xué)的基本原理,開發(fā)能恢復(fù)、維持或改善受損組織或器官功能的生物替代物。它綜合了細(xì)胞生物學(xué)、工程學(xué)、材料學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,用活細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)或骨架構(gòu)造一個(gè)新的功能化組織或器官。組織工程領(lǐng)域的研究包括新型聚合物的合成、信號(hào)傳導(dǎo)、培養(yǎng)細(xì)胞的基因調(diào)節(jié)和移植有關(guān)的免疫問題等。組織工程第56頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六組織工程研究的三個(gè)方面是:(1)替換被分離除去的細(xì)胞或功能發(fā)揮所需要的細(xì)胞替代物;(2)產(chǎn)生或傳遞組織誘導(dǎo)物質(zhì),如生長因子、信號(hào)分子等;(3)結(jié)合細(xì)胞與生物材料,具體是在基質(zhì)表面或內(nèi)部接種細(xì)胞。組織工程產(chǎn)品:皮膚組織、軟骨組織、腱組織、骨組織、心臟瓣膜、肝組織等。組織工程第57頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米醫(yī)學(xué)簡介第58頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六人類進(jìn)入納米材料年代第59頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米技術(shù)的起源RichardPFeynman現(xiàn)代最偉大的理論物理學(xué)家之一1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1918-1988第60頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六Abiologicalsystemcanbeexceedinglysmall.Manyofthecellsareverytiny,buttheyareveryactive;theymanufacturevarioussubstances;theywalkaround;theywiggle;andtheydoallkindsofmarvelousthings---allonaverysmallscale.Also,theystoreinformation.Considerthepossibilitythatwetoocanmakeathingverysmallwhichdoeswhatwewant---thatwecanmanufactureanobjectthatmaneuversatthatlevel!There'sPlentyofRoomattheBottomByRichardFeynman,

AmericanPhysicalSocietymeetingatCaltech

onDecember29,1959.納米技術(shù)的起源第61頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六1959: 如果對(duì)物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話,物體就能得到 大量的異乎尋常的特性(費(fèi)曼)1974: 東京科學(xué)大學(xué)教授谷口紀(jì)男(TaniguchiNorio)率先提出 Nanotechnology這一術(shù)語,預(yù)測2000年加工精度可達(dá)到1nm1982: 掃描隧道顯微鏡被成功發(fā)明1984: 德國學(xué)者格萊特(Gleiter)把粒徑6nm的金屬粉末壓成納米塊,并 詳細(xì)研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu),指出其界面奇異結(jié)構(gòu)和特異功能。1990: 第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國巴爾的摩與第五屆國家掃描 隧道顯微鏡學(xué)術(shù)會(huì)議同時(shí)舉行,正式把納米材料科學(xué)作為材料 科學(xué)的一個(gè)新的分支公布于世,標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。1991: 碳納米管被發(fā)現(xiàn)和研制,其質(zhì)量為同體積鋼的1/6,強(qiáng)度為其10倍1999: 納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)逐步走向全面產(chǎn)業(yè)化,2000年納米產(chǎn)品的營業(yè)額為 500億美元。納米技術(shù)的起源與發(fā)展2015年:納米技術(shù)的市場潛力為1萬億歐元第62頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六全球的關(guān)注和投入日本: 2001年召開的“推進(jìn)重點(diǎn)領(lǐng)域戰(zhàn)略國家調(diào)查會(huì)”上,進(jìn)一步確定了 未來納米技術(shù)發(fā)展的重要方向。德國: 從事納米技術(shù)研究與開發(fā)的歐洲公司,有近一半落戶于德國,德 國政府為該領(lǐng)域每年提供大約3億歐元 的支持美國: 2000年克林頓發(fā)表演指出廣泛開展納米尺度下科學(xué)和技術(shù)研究的 重要性,國家納米技術(shù)計(jì)劃(NNI)的投資:1.16億美元(1997) →4.97億美元(2001)中國:《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要2006-2020年》中將“納米 材料和納米技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用”列入重大科學(xué)研究計(jì)劃韓國、俄羅斯、新加坡…納米技術(shù)給人類和社會(huì)帶來的影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算機(jī)革命第63頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米醫(yī)學(xué)納米醫(yī)學(xué):納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,即用工程化的納米器件或納米結(jié)構(gòu)從分子水平來監(jiān)控、修復(fù)、構(gòu)建或控制人體生物系統(tǒng)。特點(diǎn):突出強(qiáng)調(diào)了從分子水平對(duì)人體生物系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)研究方向:RobertAF將納米醫(yī)學(xué)的研究方向歸納為96個(gè)亞類,每個(gè)亞類又可分為幾十種研究方向。微機(jī)電系統(tǒng):Micro-Electro-Mechanicalsystems(MEMS)納米載藥系統(tǒng):DrugDeliverySystem第64頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六微機(jī)電系統(tǒng) MEMS:隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的,具有體積小、精度高、性能穩(wěn)定、多功能和智能化等特點(diǎn)。MEMS涉及精密機(jī)械、微電子、材料學(xué)、微納加工、系統(tǒng)與控制等技術(shù)學(xué)科和物理、化學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科,是一門多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科。MEMS及其相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品已覆蓋從檢測、診斷到治療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,在細(xì)胞操作、介入治療、生物芯片、基因分析和遺傳診斷等各領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。無創(chuàng)或微創(chuàng)治療技術(shù)是現(xiàn)代醫(yī)療領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向,因其具有微創(chuàng)和無創(chuàng)性,更兼具高精確性、可靠性和安全性、智能型等優(yōu)勢,MEMS的研究成果及其應(yīng)用將對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展,對(duì)人類生活質(zhì)量的提高和社會(huì)福利的改善產(chǎn)生積極影響。第65頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六MEMS在疾病診療中的應(yīng)用在糖尿病診療中的應(yīng)用用于藥物輸送或檢測的微加工針第66頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六MEMS在疾病診療中的應(yīng)用糖尿病藥物輸送MEMS系統(tǒng)在糖尿病診療中的應(yīng)用第67頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六MEMS在疾病診療中的應(yīng)用心血管疾病Restenosis:PTCA術(shù)后冠脈血管再狹窄第68頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六MEMS在疾病診療中的應(yīng)用在心血管疾病中的應(yīng)用Dr.JulioPalamz血管支架發(fā)明人認(rèn)為支架材料和表面性能對(duì)血管再狹窄至關(guān)重要裸支架(I代);藥物涂層支架(II代);表面微處理支架(III代??)第69頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六MEMS在疾病診療中的應(yīng)用消化道疾病膠囊結(jié)腸鏡(GivensTM)膠囊在通過消化道的7h內(nèi)傳遞5萬張圖片,經(jīng)無線電頻率發(fā)報(bào)器傳遞給外部接收帶。第70頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六MEMS在疾病診療中的應(yīng)用癲癇癥、腦積水及神經(jīng)創(chuàng)傷中的應(yīng)用神經(jīng)電極脊髓再生的神經(jīng)假體第71頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米載藥系統(tǒng)給藥方式對(duì)血藥濃度的影響第72頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米載藥系統(tǒng) 納米藥物控釋系統(tǒng):將藥物制備成納米級(jí)的膠體載體系統(tǒng),控制藥物在特定的部位以特定的速率釋放。第73頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米載藥系統(tǒng)可緩釋藥物,從而延長藥物的作用時(shí)間;可達(dá)到靶向輸送的目的;可在保證藥物作用的前提下,減少給藥劑量,從而減輕或避免毒副作用;可提高藥物的穩(wěn)定性,有利于儲(chǔ)存;可以提高藥物的生物利用度;可協(xié)助藥物跨過生物屏障;可用以建立一些新的給藥途徑。納米藥物控釋系統(tǒng)的優(yōu)勢和特點(diǎn)第74頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米載藥系統(tǒng)Caelyx?楷萊Doxil?第75頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米載藥系統(tǒng)單個(gè)的乳酸分子中有一個(gè)羥基和一個(gè)羧基,多個(gè)乳酸分子在一起形成聚合物,叫做聚乳酸。聚乳酸也稱為聚丙交酯,屬于聚酯家族。聚乳酸的生產(chǎn)過程無污染,而且產(chǎn)品可以生物降解,實(shí)現(xiàn)在自然界中的循環(huán),因此是理想的綠色高分子材料。常用醫(yī)用生物降解聚合物●聚乳酸(PLA)●聚乳酸/乙醇酸共聚物(PLGA)●溫敏聚乳酸水凝膠(MPEG-PLA、MPEG-PLGA)●聚乙二醇/聚乳酸共聚物(PLA-PEG-PLA、PLGA-PEG-PLGA)●聚己內(nèi)酯及共聚物(PCL,P(LA-CL)●聚三亞甲基碳酸酯及其共聚物(TMC、P(LA-TMC))●聚對(duì)二氧環(huán)已酮及其共聚物(PPDO、P(LA-PDO))第76頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六第77頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米載藥系統(tǒng)高分子納米載藥微球的制備、表征及應(yīng)用:以紫杉醇作為模型藥物以1.6億美元的銷售量位列美國2000年最獲商業(yè)化成功的抗癌制劑之一2002年2億美元2006年3.6億美元(紫杉醇+多烯紫杉醇)第78頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米載藥系統(tǒng)乳化法(單乳化/復(fù)乳化)單體聚合法,

噴霧干燥超臨界流體技術(shù),等第79頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六理化性質(zhì)表面形貌學(xué)(掃描電鏡、透射電鏡、原子力顯微鏡)粒徑分布(激光散射)表面電荷分析(ζ電勢)表面元素分析(XPS)藥物包封率(高效液相色譜)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)細(xì)胞攝取細(xì)胞存活率(MTT法)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)藥物動(dòng)力學(xué)荷瘤動(dòng)物納米載藥系統(tǒng)第80頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米載藥系統(tǒng)聚乙烯醇PVA

乳化TPGS

乳化第81頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六乳腺癌細(xì)胞對(duì)納米紫杉醇的攝取

納米載藥系統(tǒng)第82頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六02040608010012024487296Treatmenttime(hr)HT-29cellviability(%)BlankTaxol?TPGS(Measured)TPGS(Corrected)不同劑型的藥物對(duì)細(xì)胞存活率的影響納米載藥系統(tǒng)第83頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六體內(nèi)藥物動(dòng)力學(xué)納米載藥系統(tǒng)第84頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六*體內(nèi)抗腫瘤能力納米載藥系統(tǒng)第85頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米介質(zhì)的優(yōu)勢納米材料表面可設(shè)計(jì)、修飾;診斷、治療同步化;多種治療模式的協(xié)同性第86頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六腫瘤靶向治療利用功能型載體,將能殺傷腫瘤細(xì)胞的介質(zhì)選擇性地運(yùn)送到腫瘤部位,把治療作用或藥物效應(yīng)盡量限定在特定的治療區(qū)域內(nèi),而對(duì)正常細(xì)胞、組織或器官的功能不產(chǎn)生或產(chǎn)生可忽略的影響,在保證腫瘤治療效果的同時(shí)減少毒副作用。第87頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六腫瘤納米技術(shù)第88頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六

對(duì)惡性腫瘤的預(yù)測(WHO)世界癌癥死亡率到2020年將增加50%達(dá)到1千5百萬例亞洲癌癥死亡率到2020年將增加60%達(dá)到7百1十萬例中國也將有550萬新發(fā)癌癥病例,其中死亡人數(shù)將達(dá)400萬。

第89頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六心血管疾病死亡率的啟示58.1%心臟病癌癥美國近50年心臟病和癌癥死亡率的變化:1950vs2001第90頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六腫瘤納米技術(shù)美國衛(wèi)生及人類服務(wù)部(HHS)國立衛(wèi)生研究院(NIH)國家癌癥中心(NCI)第91頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六腫瘤納米技術(shù)“Cancernanotechnologywillradicallychangethewaywediagnose,treatandpreventcancer……”

“腫瘤納米技術(shù)將從根本上改變?nèi)祟愒\斷、治療和預(yù)防癌癥的策略……”

第92頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六人類基因組計(jì)劃人類基因組計(jì)劃(humangenomeproject,HGP)是由美國科學(xué)家于1985年率先提出,于1990年正式啟動(dòng)的。美國、英國、法蘭西共和國、德意志聯(lián)邦共和國、日本和我國科學(xué)家共同參與了這一預(yù)算達(dá)30億美元的人類基因組計(jì)劃。按照這個(gè)計(jì)劃的設(shè)想,在2005年,要把人體內(nèi)約10萬個(gè)基因的密碼全部解開,同時(shí)繪制出人類基因的譜圖。換句話說,就是要揭開組成人體4萬個(gè)基因的30億個(gè)堿基對(duì)的秘密。人類基因組計(jì)劃與曼哈頓原子彈計(jì)劃和阿波羅計(jì)劃并稱為三大科學(xué)計(jì)劃。

1986年,諾貝爾獎(jiǎng)獲得者RenatoDulbecco發(fā)表短文《腫瘤研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn):人類基因組測序》(Science,231:1055-1056)。文中指出:如果我們想更多地了解腫瘤,我們從現(xiàn)在起必須關(guān)注細(xì)胞的基因組?!瓘哪膫€(gè)物種著手努力?如果我們想理解人類腫瘤,那就應(yīng)從人類開始?!祟惸[瘤研究將因?qū)NA的詳細(xì)知識(shí)而得到巨大推動(dòng)?!钡?3頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六腫瘤納米技術(shù)的進(jìn)展及應(yīng)用在腫瘤診斷及檢測方面的應(yīng)用在腫瘤成像方面的應(yīng)用在腫瘤治療方面的應(yīng)用第94頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米技術(shù)用于腫瘤診斷及檢測Nano-ELISABio-BarCode生物條形碼技術(shù)磁性納米粒子、金納米粒子、量子點(diǎn)等第95頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米技術(shù)用于腫瘤診斷及檢測生物條形碼技術(shù)之介質(zhì)構(gòu)建Bio-BarCode用于前列腺腫瘤的早期診斷:(目標(biāo)蛋白:ProstateSpecificAntigenPSA)第96頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米技術(shù)用于腫瘤診斷及檢測生物條形碼技術(shù)之粒子富集及信號(hào)放大第97頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米技術(shù)用于腫瘤診斷及檢測生物條形碼技術(shù)之檢測結(jié)果利用bio-barcodesDNA標(biāo)記抗體,能大幅度提高檢測的靈敏度此分析方法避免了化學(xué)作用,僅通過DNA雜交、洗脫以及磁性分離,并直接檢測DNA第98頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六QuantumDots(QDs)量子點(diǎn)(LuminescenceSemiconductornanocrystals半導(dǎo)體納米晶體)準(zhǔn)零維(quasi-zero-dimensional)的納米材料,由少量的原子構(gòu)成。量子點(diǎn)內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到局限,所以量子局限效應(yīng)(quantumconfinementeffect)特別顯著。量子局限效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致類似原子的不連續(xù)電子能階結(jié)構(gòu),故量子點(diǎn)可用來作激光器的工作物質(zhì),而量子點(diǎn)也因此被稱為“人造原子”(artificialatom)。納米技術(shù)用于腫瘤成像第99頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米級(jí)超順磁性氧化鐵為磁共振陰性對(duì)比劑:Resovist?納米技術(shù)用于腫瘤成像第100頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米技術(shù)用于腫瘤治療納米釋藥系統(tǒng)的臨床應(yīng)用納米近紅外光療法的臨床應(yīng)用磁感應(yīng)納米熱療的臨床應(yīng)用第101頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六Caelyx?楷萊Doxil?納米技術(shù)用于腫瘤治療紫杉醇白蛋白納米粒Abraxane力樸素第102頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六金的發(fā)現(xiàn):5000年前,保加利亞金溶膠的醫(yī)學(xué)應(yīng)用:古代中國和古代埃及Chrysotherapy:金療法(水痘、皰疹、關(guān)節(jié)炎等)首篇關(guān)于納米金溶膠制備的文獻(xiàn):1857年,法拉第“MichaelFaraday’srecognitionofrubygold:thebirthofmodernnanotechnology”(米歇爾.法拉第對(duì)酒紅色金的認(rèn)知:現(xiàn)代納米技術(shù)的起源)納米材料在生物醫(yī)學(xué)上的首次應(yīng)用:1970年

Faulk,W.P.andTaylor,G.(1971)Animmunocolloidmethodfortheelectronmicroscope.Immunochemistry8,1081-1083.納米技術(shù)用于腫瘤治療第103頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六納米技術(shù)用于腫瘤治療第104頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六“Cancernanotechnologywillradically

changethewaywediagnose,treatandpreventcancer...”腫瘤納米技術(shù)可以從根本上改變?nèi)祟愒\斷、治療和預(yù)防癌癥的策略。

美國衛(wèi)生及人類服務(wù)部(HHS)國立衛(wèi)生研究院(NIH)國家癌癥中心(NCI)“Quaemedicamentanonsanat;ferrumsanat.Quaeferrumnonsanat;ignissanat.Huaeveroignisnonsanat;insanabiliareportarioportet”藥物治愈不了的疾病用手術(shù),手術(shù)治愈不了的疾病,可以用熱來治;用熱不能治好的疾病,就無法治愈了。Hippocrates,現(xiàn)代醫(yī)學(xué)之父納米技術(shù)用于腫瘤治療第105頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六Plasmonicphotothermaltherapy(PPTT)等離激元光熱療法、鐳射電漿光熱療法Near-infrared(NIR)photothermaltherapy近紅外光熱療法Photothermaltherapy(光熱療法):Photothermalinteractionsresultfromlightenergyconversiontoheatwithinthetissue,potentiallyprovidingthesustainedelevatedtemperaturesrequiredforhyperthermiatherapies.Photothermaldamageischaracterizedbymitochondrialswelling,proteindenaturation,lossofbirefringence,edema,whitening,andtissuenecrosis.光熱療法將光能在組織內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能,以期達(dá)到熱療所需的治療溫度。光熱療法以線粒體腫脹、蛋白質(zhì)變性、雙折射缺失、水腫、變白和組織壞死為其特征。納米技術(shù)用于腫瘤治療第106頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六Theprimaryabsorbersintissuearewater,hemoglobin,oxyhemoglobin,andmelanin.Lightabsorptionbythesecomponentscanleadtophotothermaltissuedamage,butitisgenerallydifficulttodiscriminatebetweennormalanddiseasedtissuesviathesemechanisms.組織中基本的熱吸收物質(zhì)為水、血紅素、氧基血紅素和黑色素。--如何區(qū)分正常組織和腫瘤組織??Absorptionoflightisminimalinanear-infraredregion(NIR)betweenapproximately700nmand900nm,asthisregionisabovethehemoglobinabsorptionbandsandbelowwhereabsorptionbywaterbecomessignificant.Thus,thesewavelengthsinduceminimalheatinginnormaltissues.組織對(duì)波長為700nm~900nm的近紅外光(NIR)的吸收最小,血紅素對(duì)光的吸收譜帶高于此波段,而水對(duì)于低于此波段的光的吸收顯著。因此,選擇此波段的光對(duì)正常組織僅產(chǎn)生極小熱量。Photothermaltherapy(光熱療法)納米技術(shù)用于腫瘤治療第107頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六Photothermaltherapy(光熱療法)(750nm~1100nm/805~810nm)Near-infraredabsorbinggoldnanoshellshavebeenextensivelyinvestigatedforNIRphotothermaltherapy,withphaseIhumanclinicaltrialsongoing.納米金介導(dǎo)的光熱療法被廣泛研究,I期臨床試驗(yàn)在進(jìn)行中。Nanoshell,nanorod,nanocage,nanoparticles,nanoclusters納米殼、納米棒、納米籠、納米粒、納米簇…形貌學(xué)(尺寸、大小等)顯著影響光波的吸收。納米技術(shù)用于腫瘤治療第108頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六Photothermaltherapy(光熱療法)PNAS,2003,100(23)13549-13554Thetumorsreceivingthenanoshelltherapyexperiencedrapidtemperaturerisessufficienttocauseirreversibletissuedamagetemperaturesof50°Cwereachievedwithin30sfromthestartoflaserirradiation,whilelaserapplicationtonearbyhealthytissueortotumorsnottreatedwithnanoshellsdidnotinduceasignificanttemperatureincrease.注入了納米殼的腫瘤組織在30秒內(nèi)溫度升高了50°C,而健康組織或未注入納米殼的腫瘤組織溫度無明顯變化。納米技術(shù)用于腫瘤治療第109頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六AMF(交變磁場)Targetedcancertreatment腫瘤局部治療Cancertreatmentbyinductiveheating腫瘤磁感應(yīng)熱療TumorinfusedwithMNPs腫瘤部位注入磁納米介質(zhì)NoharmtothenearbyorgansNanothermotherapyorMagneticFluidHyperthermia(納米熱療,或稱磁流體熱療)Heatupferromagneticnanomaterialsunderalternativemagneticfield(AMF)交變磁場下鐵磁材料感應(yīng)發(fā)熱OrgansorTissuesnearbyAMF(交變磁場)納米技術(shù)用于腫瘤治療第110頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六時(shí)間事件1957197619901992200220042003-200520052006200720072008200920092010Gilchrist等人首次描述磁感應(yīng)熱療的概念

Rand等人最早報(bào)導(dǎo)了應(yīng)用狗腎模型的磁感應(yīng)熱療

Kida等人在日本進(jìn)行熱籽介導(dǎo)的MIH治療惡性膠質(zhì)瘤一期臨床試驗(yàn)Stea等人在美國完成熱籽介導(dǎo)的MIH治療惡性膠質(zhì)瘤一期臨床試驗(yàn)RobertD.Tucker在美國完成熱籽介導(dǎo)的MIH治療前列腺癌臨床試驗(yàn)Deger等人在德國報(bào)導(dǎo)了熱籽前列腺癌的MIHI、II期臨床試驗(yàn)

MagForceNanotechnologyAG在德國進(jìn)行MFH的I期臨床試驗(yàn)MagForceNanotechnologyAG在德國進(jìn)行MFH的I期臨床試驗(yàn)Akiyama等人在日本進(jìn)行食道支架磁感應(yīng)熱療的臨床試驗(yàn)Saida等人在日本信州大學(xué)進(jìn)行磁流體熱療臨床試驗(yàn)Jimbow等人在日本北海道醫(yī)學(xué)院進(jìn)行磁流體熱療臨床試驗(yàn)Tang等發(fā)展了MIH的治療系統(tǒng)并應(yīng)用于臨床MagForceNanotechnology完成腦膠質(zhì)瘤的II期臨床試驗(yàn)經(jīng)磁感應(yīng)納米熱療后患者的尸檢報(bào)告首次發(fā)表清華大學(xué)研究組實(shí)現(xiàn)首次在中國進(jìn)行熱籽的MIH臨床試驗(yàn)納米技術(shù)用于腫瘤治療第111頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六病種Ⅰ期臨床Ⅱ期臨床腦膠質(zhì)瘤完成完成前列腺腫瘤完成正在進(jìn)行中局部復(fù)發(fā)或殘余完成患者招募中食道腫瘤即將完成尚未胰腺癌腫瘤正在進(jìn)行尚未乳腺腫瘤患者招募中尚未德國柏林June28,2010MagForceNanotechnologiesAGreceivesEuropeanregulatoryapprovalforitsNanoCancer?therapy納米熱療獲得歐盟許可;成為第一個(gè)上市的腫瘤納米技術(shù)2007年:成功在法蘭克福股票交易市場上市,開始發(fā)行價(jià)每股1歐元,股價(jià)最高曾達(dá)到每股60歐元以上,目前穩(wěn)定在每股40歐元上下。納米技術(shù)用于腫瘤治療第112頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六第113頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六多功能納米生物材料表面可修飾性:集診斷、治療、靶向、生物相容性于一體化第114頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六特性:MRI顯影增強(qiáng)劑場致靶向性磁感應(yīng)致熱效應(yīng)用途:腫瘤診斷腫瘤靶向熱療腫瘤靶向化療腫瘤靶向放療腫瘤基因治療腫瘤免疫治療多種模式聯(lián)合治療磁性納米生物材料第115頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六磁納米介質(zhì)腫瘤靶向治療診斷

靶向化療

靶向熱療

靶向放療

基因治療

免疫治療體內(nèi)體外細(xì)胞分類酶固定轉(zhuǎn)染MRI復(fù)合功能

栓塞熱療磁性納米生物材料第116頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六載藥磁性納米介質(zhì)熱化療的協(xié)同效應(yīng)1.熱療促進(jìn)藥物進(jìn)入腫瘤細(xì)胞,增加化療藥物的細(xì)胞毒性,誘導(dǎo)更多腫瘤細(xì)胞凋亡;2.升溫可以促進(jìn)藥物的釋放;3.加溫可逆轉(zhuǎn)某些化療藥物的多藥耐藥性(MDR);4.同時(shí)熱化療能降低腫瘤血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)的合成分泌,抑制腫瘤血管形成;5.熱療與化療聯(lián)合可覆蓋腫瘤病灶的全部;6.加強(qiáng)某些基因的表達(dá)及增強(qiáng)細(xì)胞因子的作用等。第117頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六磁性納米載藥系統(tǒng)用于腫瘤靶向熱化療

藥物和磁性納米顆?;旌洗判灾|(zhì)體

藥物與納米顆粒表面吸附熱敏性高分子包埋磁性納米生物材料第118頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六負(fù)載半胱胺基酚的磁性陽離子脂質(zhì)體對(duì)小鼠黑色素瘤的靶向磁熱療磁性納米生物材料第119頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六A(化療組): 44.4±9.9%B(熱療組): 52.5±6.6%A+B(熱化療組): 33.7±10.6%AXB: 34.1±9.5%[A+B]<[A]X[B]/100 協(xié)同(Synergetic)[A+B]=[A]X[B]/100% 疊加(additive)[A]X[B]/100<[A+B]<[A](if[A]<[B]) 次可加(subadditive)[A]<[A+B]<[B](if[A]<[B]) 干擾(interference)[B]<[A+B](if[A]<[B]) 拮抗(antagonistic)磁性納米生物材料第120頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六12d,腫瘤體積比較磁性納米生物材料第121頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六磁動(dòng)力化療的原理第122頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六磁動(dòng)力化療1.將磁性熱化療納米介質(zhì)注入體內(nèi);2.用恒磁場將該介質(zhì)富集于治療靶區(qū);3.MRI檢測納米介質(zhì)在靶區(qū)的分布;4.將靶區(qū)置于交變磁場下,磁介質(zhì)感應(yīng)升溫;5.升溫促進(jìn)化療藥物的釋放,發(fā)揮協(xié)同作用第123頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六磁納米顆粒用于動(dòng)脈栓塞熱療動(dòng)脈栓塞熱療:Rand,1976動(dòng)脈栓塞化療:Kato,1981微球栓塞劑型優(yōu)勢:成球材料多;對(duì)特定組織器官靶向性好;栓塞效果好;可聯(lián)合化療和放療栓塞的基本目的:切斷腫瘤的血供和營養(yǎng)第124頁,共141頁,2023年,2月20日,星期六磁納米顆粒用于基因治療基因治療(genetherapy):是應(yīng)用理化方法或載體(病毒)介導(dǎo)的DNA轉(zhuǎn)移技術(shù),以功能正常的基因置換或增補(bǔ)缺陷基因,或?qū)⑿碌幕蜣D(zhuǎn)移至靶細(xì)胞內(nèi)使其安全、有效地發(fā)揮作用,達(dá)到治療目的

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