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光藥理學提供光控藥物和療法

發布:laserpulse    |    2019-06-28 00:23    閱讀:193
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格羅寧根大學醫學中心的研究可以提供更安全,更有效的治療方法。

在控制之下:藥物分子因光而改變

新興的光學藥理學領域旨在利用光作為外部刺激來激活藥物分子,并且通過對這種情況發生的時間和地點的高度控制來實現這一目標 - 這是一項概念上直截了當的任務,實際上需要化學合成和光傳輸技術兩者之間的跨學科努力。與常規抗生素不同,常規抗生素在體內和環境中持久存在導致抗生素抗性,而化學治療劑作為治療的副作用很容易影響健康細胞,其分子的治療作用可以開啟,通過光的作用再次關閉可能會有一些顯著的優勢。

“藥物是非常有效的生物活性物質,其活性僅在身體的疾病部位需要,但通常隨處可見,”Wiktor Szymanski評論說,他在格羅寧根大學醫學中心的實驗室開發了光學藥理學和相關的醫學成像技術。“我們的工作方式是將分子光開關結合到生物活性分子的結構中,并以這種方式制造可以在兩種形式之間進行光交換的藥物,每種形式具有不同的效力。”這種優雅理論帶來了一些挑戰。完美的分子光開關將是一種小分子,在異構化回到具有與起始分子不同的形狀和性質的新基態之前,容易吸收特定波長的光進入激發態。在異構化形式隨后通過吸收另一特定波長的光或通過熱處理再次返回其原始形式之前,這種變化影響摻入開關的藥物的活性。

“直到幾年前,我們才在光學藥理學中使用紫外線,”Szymanski說。“如果醫生想要在給患者服用之前激活一種藥物,這是沒有問題的,但是使用紫外線對身體進行局部激活對細胞有害,并且只能穿透一小部分進入組織。所以近年來化學家們一直致力于開發可以隨意切換的分子光開關 - 甚至采用更好的近紅外光,能夠更深入地穿透身體。“使用可見光可能意味著打開和關閉藥物所需的兩個波長不方便地靠近在一起,但Szymanski的團隊最近報道了新的分子光開關的發展,其中兩個波長相隔100納米,這可能具有重要改進意義。了解異構化形式的分子的半衰期和它恢復到其原始形式的速率,以及異構化過程的量子產率,從化學的角度來看,合成能夠采用兩種形式的不同效力的分子已經成為光學藥理學的一個關鍵方面,同時也是核心挑戰。

需要窄的發射帶

同時,光學藥理學涉及的其他技術是光子學,因為需要能夠有效地將光遞送到目標分子并最終適合轉化為臨床應用的照明源。根據Szymanski的說法,光學藥理學可以從開發人員在光動力療法(PDT)領域的先前經驗中受益。

更安全的治療:藥物僅在需要時活躍

“PDT部門已經面臨同樣的挑戰,我們可以從他們的一些解決方案中學習,”他說。“幾年前,我們和我們醫院的一位外科醫生坐在一起,開始考慮將光線傳送到人體不同部位的可行性。我們將有些容易觸及的器官分類,如皮膚和眼睛;有些可以是通過皮膚照射達到的;有些我們可以通過內窺鏡檢查到達而無需切口,如胃腸道和呼吸系統;有些需要切口,包括大多數內臟;一直到'不可能的任務' - 腦和骨髓這是隱藏的,很難用光來達到。“

對于光學藥理學,理想的光源是具有合適波長的高強度光,加上用于擊中光譜的窄發射帶,其中分子在兩個方向上的異構化是最有效的。“我們目前的體外研究采用商業照明系統,基于LED的輸送系統可以發射10至20納米的FWHM,對我們來說效果很好,”Szymanski評論道。“我的團隊最近還與Mountain Photonics合作開發了一個專用系統,允許我們按照規定的時間間隔按照選定的順序照射六種不同波長的樣品,避免了手動操作。但我們當然最終需要允許設備用于臨床前和臨床使用,這可能會限制所使用的光傳輸平臺。“

除了光學藥理學,Wikron Szymanski在格羅寧根的小組也參與了醫學成像技術的發展,他認為這兩個領域之間存在健康的協同作用。Szymanski實驗室目前的一個項目將光活化背后的分子概念應用于脂質體的構建,用于光觸發藥物輸送,這可以使該過程跟隨MRI。諸如超聲波或光聲成像之類的其他技術也可能在將光學藥理學技術靶向期望區域和評估結果中起作用。“我們對我們新的分子光開關感到非常興奮,我們相信它可以解決可見光范圍內的光譜分離問題,”他評論道。 “然而,我們仍然需要開發具有改善的半衰期的新分子設計;更好地控制從不穩定形式恢復到穩定的異構化;以及充分研究我們的光開關的穩定性和毒性,這是任何臨床轉換的明顯先決條件。我們欣賞這些當前的突破,朝著這個大目標邁出的一小步:用光來控制藥物,以獲得更安全,更有效的治療方法。“

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