光學(xué)與精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)

雷仕湛 陳剛

醫(yī)學(xué)是人類健康的保護(hù)神。精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的提出和發(fā)展，大大提高了疾病預(yù)防、診斷和治療的效果，進(jìn)一步為人類消除病痛、健康生活帶來更有力、更好的保證。

精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)是一種生物醫(yī)學(xué)醫(yī)療保健戰(zhàn)略，對患者進(jìn)行個(gè)性化診斷、醫(yī)療決策、藥物治療及預(yù)后，從而改善生活質(zhì)量。精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)，又稱為“個(gè)性化醫(yī)療”，是一種醫(yī)療模式。是以個(gè)人基因組信息為基礎(chǔ)，結(jié)合蛋白質(zhì)組、代謝組等相關(guān)內(nèi)環(huán)境信息，為患者量身設(shè)計(jì)出最佳治療方案，以達(dá)到治療效果最大化和副作用最小化的一種定制醫(yī)療模式。該模式從對“癥”下藥改變?yōu)閷Α叭恕毕滤帲灤┯诩膊☆A(yù)防、分析、診斷、治療的各個(gè)階段。

精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)是建立在了解個(gè)體內(nèi)環(huán)境（如組織生物大分子、基因的差異）以及其所處的外部環(huán)境（如個(gè)人生活方式）等因素基礎(chǔ)上的疾病診斷、預(yù)后和治療的新策略，它集合了現(xiàn)代科技手段與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)方法科學(xué)認(rèn)知人體機(jī)能和疾病本質(zhì)，它有與依據(jù)患者癥狀和體征“一刀切”的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)不同的新理念，可以說是對患者實(shí)施量身定制的醫(yī)療方式。這也與辨證施治、同病不同治，或同人不同治等理念相通。這種醫(yī)學(xué)新理念將以最有效、最安全、最經(jīng)濟(jì)的醫(yī)療服務(wù)，實(shí)現(xiàn)個(gè)體和社會健康效益最大化。

精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)將推動(dòng)未來的醫(yī)療模式產(chǎn)生革命性變化。首先，疾病的診斷和分類將突破根據(jù)疾病表型分類框架，進(jìn)入分子分型時(shí)代，實(shí)現(xiàn)個(gè)體化診斷和治療；其次，為個(gè)體化選擇疾病治療藥物并控制副作用，能夠?qū)ΠY對人下藥，減少診療彎路，提高診療效率和效果；第三，將疾病預(yù)防能力提高到一個(gè)新水平，除了對家族高危人群外，還能在散發(fā)性高危群體中作出疾病發(fā)生及其進(jìn)程的精準(zhǔn)預(yù)測，使疾病預(yù)測窗口期提前，從而大幅度地提高疾病預(yù)防效率；第四，使人類的保健水平從以疾病治療為主向疾病精準(zhǔn)預(yù)防為主轉(zhuǎn)變，不斷提高人們的健康保障意識和健康保障水平。

精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的主要內(nèi)容包括精準(zhǔn)診斷、精準(zhǔn)治療、精準(zhǔn)用藥、精準(zhǔn)護(hù)理、精準(zhǔn)預(yù)防等，實(shí)現(xiàn)它們需要一些技術(shù)支撐和合適的醫(yī)療體系配合，大數(shù)據(jù)技術(shù)、基因技術(shù)、生物樣本庫、電子病歷和光學(xué)技術(shù)等是其重要的支撐技術(shù)。

精準(zhǔn)診斷是精準(zhǔn)治療的前提和基礎(chǔ)，直接影響著治療方案的正確性，從而關(guān)系到患者的治療效果。

臨床上可進(jìn)行精準(zhǔn)診斷的技術(shù)有多種，如核酸分子雜交技術(shù)、聚合酶鏈反應(yīng)—單鏈構(gòu)象多態(tài)性分析（PCR-SSCP）技術(shù)、高通量測序法、基因芯片技術(shù)和光學(xué)技術(shù)等，其中光學(xué)技術(shù)被認(rèn)為是發(fā)展前景最大的，它開辟了非侵入性、微量化、自動(dòng)化及實(shí)時(shí)快速的疾病診斷模式。

生物體內(nèi)的生物大分子數(shù)量和結(jié)構(gòu)都有其專屬特性，因人而異。在人體組織發(fā)生異變的過程中，組織內(nèi)的生物大分子組分含量及結(jié)構(gòu)都會發(fā)生改變，在疾病早期發(fā)生的變化并不明顯，靠直覺是識別不出的。但是，組織內(nèi)的分子構(gòu)型、生物活性和構(gòu)象的變化，在它們的光學(xué)特性中都會顯露出來，通過光學(xué)探測獲取到其信息，便可以診斷人體哪些組織、哪些器官潛在疾病，患的是什么疾病以及患病的基本原因等。

利用光學(xué)技術(shù)診斷疾病的方法已有多種，如激光光譜診斷技術(shù)、激光流式細(xì)胞診斷技術(shù)、激光動(dòng)力診斷技術(shù)、激光散斑診斷技術(shù)等。

激光自體熒光診斷

自體熒光是指不需要借助外源性熒光物質(zhì)，人體的組織和體液存在的熒光團(tuán)或生熒團(tuán)，例如膠原蛋白、彈性蛋白、還原型輔酶Ⅰ、黃素腺嘌呤二核苷酸等，它們在一定波長的光激發(fā)下可產(chǎn)生熒光，借助于光譜儀和光學(xué)多道分析儀等，可將這些熒光信號記錄形成光譜圖。

正常組織與發(fā)生病變組織，它們的熒光物質(zhì)成分以及其形態(tài)分布不相同，因此，在受到同樣條件的光照射激發(fā)時(shí)，它們所產(chǎn)生的自體熒光光譜的譜線形狀和強(qiáng)度不一樣，而且彼此的差別還比較明顯。比如，正常組織的熒光光譜強(qiáng)度明顯高于病變組織的，以大腸癌患者為例，其光譜強(qiáng)度與相應(yīng)正常組織之比為1∶1.5～5。除譜線強(qiáng)度不同之外，大多數(shù)病變組織光譜的主峰波長位置出現(xiàn)紅移，由人體正常結(jié)腸組織和癌變結(jié)腸組織在波長405納米的光激發(fā)下產(chǎn)生的自體熒光光譜可見，正常結(jié)腸組織和癌變結(jié)腸組織均在波長510納米和625納米附近出現(xiàn)強(qiáng)度峰值。較之正常組織，癌變組織在波長625納米峰值波長位置發(fā)生了約15納米的紅移，并且在波長700納米附近還出現(xiàn)一個(gè)特征波長峰。

有關(guān)研究資料也顯示，激發(fā)光的波長對人體組織的熒光光譜特征也有影響。當(dāng)激發(fā)光的波長小于350納米時(shí)，正常組織和病變組織的熒光光譜形狀雖然相似，但彼此的光譜強(qiáng)度不同；當(dāng)激發(fā)光的波長大于350納米時(shí)，正常組織和癌變組織的熒光光譜除光譜強(qiáng)度不同外，譜線形狀也出現(xiàn)較大差異。如神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的光譜圖，不同的激發(fā)光波長，產(chǎn)生的熒光顏色不同，它們的強(qiáng)度也不同。

激光拉曼光譜診斷

拉曼光譜是獲取生物組織中生物大分子結(jié)構(gòu)和數(shù)量變化的主要技術(shù)之一。人若患了疾病或是存在患病危險(xiǎn)性時(shí)，在他們的組織或者體液的拉曼光譜中都會顯示出來，正常肺組織與病變肺組織的激光拉曼光譜圖雖然相似，但光譜強(qiáng)度彼此有明顯差別，正常組織的光譜強(qiáng)度比病變組織的強(qiáng)。

同樣，癌細(xì)胞可通過血液循環(huán)轉(zhuǎn)移，血液循環(huán)是癌細(xì)胞代謝物的載體。癌變過程中血液的微循環(huán)也發(fā)生改變，最終導(dǎo)致腫瘤患者的血清與正常人的血清中所含的物質(zhì)成分和含量有所不同，拉曼光譜能夠以很高的靈敏度顯示它們的差別，提供一種可以通過常規(guī)體檢得到的血清實(shí)施癌癥診斷，尤其是早期癌癥診斷的新方法。

激光流式細(xì)胞診斷

癌病變是正常組織中的細(xì)胞發(fā)生異型性改變的過程，當(dāng)異型細(xì)胞出現(xiàn)分化和增殖異常等生物學(xué)活動(dòng)時(shí)將演變?yōu)榘??？茖W(xué)研究結(jié)果顯示，惡性腫瘤細(xì)胞與正常組織細(xì)胞的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)存在著明顯差別，用激光流式細(xì)胞技術(shù)可精確測量細(xì)胞的DNA含量及細(xì)胞周期時(shí)相分布改變，從得到的結(jié)果可判定是否為病變組織。

在組織發(fā)生病變早期，不但組織細(xì)胞內(nèi)DNA含量發(fā)生變化，而且RNA含量也發(fā)生變化，有些病變組織還出現(xiàn)RNA變異在先。所以，測定組織細(xì)胞內(nèi)RNA含量及細(xì)胞周期時(shí)相分布的變化，也能辨別病變細(xì)胞，實(shí)施診斷。正常細(xì)胞內(nèi)的RNA表現(xiàn)為單一峰，呈高斯型分布，如果對細(xì)胞做的測量結(jié)果是下面情況之一，也可以判定其所在組織為病變組織：①RNA含量分布峰不對稱或有額外的峰出現(xiàn)；②RNA含量值超過正常細(xì)胞RNA含量值上限的10%。

當(dāng)組織病變屬于低度時(shí)，細(xì)胞增殖不活躍，或者病變早期DNA含量接近正常，這種情況下單獨(dú)測定細(xì)胞內(nèi)DNA含量往往出現(xiàn)假陰性率過高。如果加用RNA作為第二參數(shù)，則診斷的可靠性能夠提高。對48例膀朧乳頭狀瘤病人的診斷結(jié)果顯示，在20例結(jié)構(gòu)規(guī)整的病人中，以DNA單參數(shù)檢測，診斷陽性者6例，檢出率30%；加用RNA作第二參數(shù)檢測，診斷陽性者16例，檢出率80%。在組織結(jié)構(gòu)不規(guī)整的28例病人中，以DNA單參數(shù)檢測，診斷陽性者16例，檢出率為57%；加用RNA作第二參數(shù)檢測，診斷陽性者24例，檢出率為86%，而且，DNA檢測為陽性者，RNA參數(shù)亦全部為陽性。

另外，人體免疫功能狀態(tài)是其是否罹患疾病的重要指標(biāo)，其中最重要的指標(biāo)之一是T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞和NK淋巴細(xì)胞的水平，采用激光流式細(xì)胞技術(shù)可以監(jiān)測這些細(xì)胞水平，即可以診斷人體的免疫狀態(tài)，判斷人體健康水平。

傳統(tǒng)治療方法是將相同的診療方案應(yīng)用于患有同一類疾病的患者，然后根據(jù)病人治療情況的反饋和醫(yī)生的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，制定治療方案；精準(zhǔn)治療是以大數(shù)據(jù)信息和分析檢測患者的基因特征或者“差異”，制定針對性治療方案，進(jìn)行個(gè)性化治療，選擇適合患者的藥物種類、藥物劑量，既可以達(dá)到滿意的醫(yī)療效果，又節(jié)省了藥物資源。

實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療的技術(shù)也有多種，如基因治療技術(shù)、靶向治療技術(shù)、精準(zhǔn)化療技術(shù)、精準(zhǔn)藥物治療技術(shù)和光學(xué)精準(zhǔn)治療技術(shù)等，這里介紹的是光學(xué)精準(zhǔn)治療技術(shù)。

我們知道，外來光輻射作用于人體，與人體生物場相互作用，激發(fā)并調(diào)整人體組織生物大分子結(jié)構(gòu)，讓受疾病影響發(fā)生變化的分子結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常狀態(tài)，或者讓結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生變異的分子消亡，生物組織得以恢復(fù)正常狀態(tài)，疾病便得到治愈。此外，在光輻射作用下，組織內(nèi)的光接收介質(zhì)（如細(xì)胞發(fā)色團(tuán)、血紅蛋白等）吸收了光能量后，將引起細(xì)胞內(nèi)部發(fā)生生物效應(yīng)，相應(yīng)地將產(chǎn)生一些效能作用：如促進(jìn)ATP酶的生成，加快細(xì)胞新陳代謝速度；提高組織內(nèi)紅細(xì)胞運(yùn)輸氧氣能力，利于組織對氧氣的充分利用；促進(jìn)細(xì)胞增殖蛋白合成以及加快三磷酸腺苷分解，從而加快人體康復(fù)；提高組織內(nèi)白血球的吞噬能力，提高機(jī)體免疫能力等。這些效能實(shí)現(xiàn)了對疾病的治療。光學(xué)精準(zhǔn)治療技術(shù)有多種，下面主要介紹激光3D治療技術(shù)和光動(dòng)力治療技術(shù)。

激光3D打印治療技術(shù)

激光3D打印技術(shù)既為臨床提供了個(gè)性化解剖模型，可輔助完成手術(shù)方案設(shè)計(jì)、術(shù)前模擬和手術(shù)演練，又開拓了新型醫(yī)療手段和器械制造技術(shù)，已成為精準(zhǔn)治療的重要手段之一。

一個(gè)比較典型的治療例子是制作個(gè)性化體內(nèi)植入物。創(chuàng)傷、腫瘤、炎癥、退變等疾病引起的骨、軟骨組織缺損、畸形等常需要假體或者骨移植，傳統(tǒng)的做法通常是工廠按流程批量生產(chǎn)的通用物，難以滿足所有患者的要求。從醫(yī)學(xué)角度來看，患者的解剖結(jié)構(gòu)不同，其臨床需求也不盡相同，由批量生產(chǎn)的人體內(nèi)植入物一般都是完全相同的形狀和尺寸，顯然不能滿足每例患者的個(gè)性化需要。利用 激光3D打印技術(shù)，為每例患者量體裁衣制造個(gè)性化體內(nèi)植入物，具有更優(yōu)的解剖適配性。胸壁腫瘤、嚴(yán)重感染等疾病常需要徹底或者擴(kuò)大切除病變組織，根據(jù)不同腫瘤類型進(jìn)行輔助治療，能夠在一定程度上提高生存率，延長生存時(shí)間。但由此也往往造成較大的胸壁缺損，會破壞胸廓的完整性和穩(wěn)定性，使患者出現(xiàn)反常呼吸、呼吸功能障礙等癥狀。因此，大范圍切除胸壁后造成的巨大胸壁缺損需要使用硬質(zhì)材料進(jìn)行重建，以避免發(fā)生反常呼吸和慢性呼吸衰竭。相對于傳統(tǒng)制作技術(shù)，激光3D打印技術(shù)制作胸肋骨植入物不僅能提供足夠的支撐來維持胸壁的外觀，而且還能達(dá)到對胸壁個(gè)性化和解剖性的修復(fù)，減少了手術(shù)后患者疼痛，促進(jìn)手術(shù)后康復(fù)。

第二個(gè)典型的應(yīng)用是打印制作器官模型。對于體內(nèi)器官的外科手術(shù)，在手術(shù)前充分了解它們的組織結(jié)構(gòu)及血管分布是制訂手術(shù)方案的基礎(chǔ)，通過薄層CT掃描、三維重建并利用激光3D打印出體內(nèi)這些器官模型，外科醫(yī)生可以直觀了解病人的個(gè)性化解剖特征，設(shè)計(jì)手術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)性化、精準(zhǔn)化手術(shù)，手術(shù)成功率更高。例如，腎上腺是人體重要的內(nèi)分泌器官，作用重要，不可替代，傳統(tǒng)的腎上腺疾病手術(shù)治療往往會出現(xiàn)破壞腎上腺組織的現(xiàn)象，給人體穩(wěn)態(tài)帶來影響。現(xiàn)在利用激光3D打印技術(shù)協(xié)助手術(shù)治療可收到很好效果，既能降低手術(shù)難度，又能減少因缺血帶來的腎功能損傷，也明顯減少了手術(shù)后內(nèi)分泌改變帶來的并發(fā)癥。

第三個(gè)典型的應(yīng)用是制作人體移植器官。由于疾病、先天畸形和交通事故等原因會造成器官缺損、器官衰竭，器官移植是最根本有效的治療方法，但往往由于供體不足以及人體排異反應(yīng)，給這項(xiàng)醫(yī)療技術(shù)造成嚴(yán)重障礙。全球器官供應(yīng)十分有限，據(jù)報(bào)道，中國每年因末期器官衰竭而需要器官移植的人大約有 150萬，但實(shí)際只有不到 1萬的器官可供移植，供求比例達(dá)到1∶150，比例嚴(yán)重失調(diào)，許多病人因?yàn)榈炔坏胶线m的移植器官而死亡?，F(xiàn)在，憑借激光3D生物打印技術(shù)的進(jìn)步，利用患者自身細(xì)胞打印新的器官以完成移植手術(shù)，不僅擺脫了供體缺乏的困境，又由于打印材料來自患者自身的組織與細(xì)胞，不會產(chǎn)生傳統(tǒng)器官移植帶來的免疫排斥反應(yīng)等問題，這無疑給那些等待器官供體的患者帶來福音。

激光3D打印技術(shù)制作出來的組織器官也為藥物篩選提供新的途徑，有助于解決新藥篩選周期長、成本高和效率低的問題。在制藥過程中，由于缺乏準(zhǔn)確的藥物篩選模型，新藥研發(fā)一直是個(gè)高成本、低效率和高風(fēng)險(xiǎn)的研究領(lǐng)域。激光生物3D打印技術(shù)可以精確地堆疊各種細(xì)胞及支架材料，形成接近實(shí)際器官組織的結(jié)構(gòu)，同時(shí)其細(xì)胞也可采用人類的細(xì)胞，恰好可以彌補(bǔ)目前常用的兩大藥物篩選方式的缺點(diǎn)。因而，用激光生物3D打印技術(shù)制作出來的組織器官進(jìn)行藥物篩選，將給整個(gè)藥物篩選體系帶來革命性的改變。

光動(dòng)力治療技術(shù)

這種治療的做法是首先給病人注射、口服或涂抹光敏劑，稍后，這種光敏劑會在病變組織細(xì)胞中聚集起來，并定位于病變細(xì)胞內(nèi)的亞細(xì)胞器，接著用合適波長的光輻射照射，引發(fā)聚集在那里的光敏劑發(fā)生光動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，以治愈疾病。不同的人體組織，其光學(xué)參數(shù)以及吸收光敏劑能量不同，治療時(shí)采用的光學(xué)參數(shù)和使用的光敏劑劑量也不同，即這種療法是個(gè)體化的。與傳統(tǒng)的藥物治療方法不同，光動(dòng)力療法對生物系統(tǒng)沒有顯著的藥物不良反應(yīng)。與其他常規(guī)治療方法相比，光動(dòng)力療法有微創(chuàng)性、可重復(fù)性、可降低長期發(fā)病率、提高患者生活質(zhì)量等優(yōu)勢。

科學(xué)家也研究了這種治療方法恢復(fù)組織正常狀態(tài)的機(jī)制，認(rèn)為首先是光動(dòng)力學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生單態(tài)氧分子和活性氧自由基，它們是一種細(xì)胞毒性物質(zhì)。在100年前，科學(xué)家觀察到光和化學(xué)物質(zhì)相互作用誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的現(xiàn)象?，F(xiàn)在，有關(guān)實(shí)驗(yàn)觀察到，聚集在組織的光敏劑在受到光輻射照射后幾小時(shí)便出現(xiàn)亞細(xì)胞器損傷，如細(xì)胞膜蛋白的失活、細(xì)胞膜通透性增加、細(xì)胞分裂停止、呼吸作用障礙、細(xì)胞溶解等。通過觀察光照射治療后24小時(shí)和72小時(shí)病變組織內(nèi)的病變細(xì)胞情況，發(fā)現(xiàn)照射治療72小時(shí)后大量病變細(xì)胞死亡。

其次是誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生抗病變免疫能力。人體組織發(fā)生病變后，致使人體不能使用免疫功能破壞病變細(xì)胞。人體的免疫功能與病變的發(fā)生有密切關(guān)系，當(dāng)人體的免疫功能低下或受抑制時(shí)，病變的發(fā)生率往往會增加。同時(shí)，人們也發(fā)現(xiàn)，病變細(xì)胞的消失和人體免疫功能有著密切的關(guān)系，在光動(dòng)力學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的活性單態(tài)氧1O2分子，它可以導(dǎo)致病變細(xì)胞的壞死或凋亡，這些死亡的細(xì)胞會釋放炎性介導(dǎo)因子，如細(xì)胞因子，它被樹突狀細(xì)胞（DC）吞噬并且可以活化這些DC細(xì)胞，而活化的DC細(xì)胞返回淋巴結(jié)內(nèi)可以激活CD8+的T淋巴細(xì)胞，它將進(jìn)一步殺死在那里殘余的病變細(xì)胞。DC細(xì)胞是目前所知的人體內(nèi)功能最強(qiáng)的抗原提呈細(xì)胞（APC），由它激活的細(xì)胞免疫，特別是T細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞免疫反應(yīng)，在人體抗病變反應(yīng)中起著主導(dǎo)作用。

第三是通過間接破壞病變組織微血管（如引起病變組織微血管收縮、血栓形成等）以及造成血管封閉或腫瘤血管壁滲漏等，使病變組織缺氧和營養(yǎng)枯竭而導(dǎo)致病變組織壞死。

這幾種機(jī)制都有利于對病變細(xì)胞的控制，并使病變組織恢復(fù)正常狀態(tài)，而對病變細(xì)胞的殺傷范圍和控制程度是由多方面因素決定的，包括使用的光敏劑類型、光敏劑在細(xì)胞內(nèi)外的定位和積累、光照劑劑量、組織氧濃度等。所有這些因素相互作用、相互依賴。

現(xiàn)在，光動(dòng)力療法廣泛用于治療各種癌癥（膀胱癌、肺癌、食管癌、胃癌、皮膚癌、子宮頸癌、喉癌、鼻咽癌、晚期結(jié)腸癌、肝癌、胰腺癌等）以及其他感染性疾病等。借助光纖技術(shù)可以對巨大型腫瘤、彌散性腫瘤、多發(fā)性腫瘤進(jìn)行治療；同時(shí)也被用作腫瘤切除術(shù)后的輔助治療，以減少殘留的癌細(xì)胞復(fù)發(fā)概率。目前，美國、日本、加拿大、荷蘭、德國、俄羅斯等國家已許可光動(dòng)力療法應(yīng)用于臨床治療。

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關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)醫(yī)學(xué) 光學(xué)技術(shù) 精準(zhǔn)診斷 精準(zhǔn)治療 ■