植入式柔性生物光子装置：为术后感染与肿瘤复发的无线光动力治疗带来新希望

《Device》：Implantable, flexible biophotonic device for wireless photodynamic therapy of postoperative infection and tumor recurrence

本文介绍了一种可植入、柔性的生物光子装置用于无线光动力治疗（PDT）。该装置能有效解决骨肉瘤（OS）术后耐药感染和肿瘤复发问题，克服传统 PDT 局限，在体内外展现出优异抗菌和抑制肿瘤效果，极具临床应用潜力。

　　### 研究背景
手术是多数实体肿瘤的主要治疗手段，但骨肉瘤（OS）作为一种位于深部组织的恶性原发性骨实体肿瘤，手术切除后转移和复发风险高，5 年总生存率仅 20% - 30%。同时，术后感染也是一大难题，耐药菌感染会延长住院时间、增加经济负担和死亡率，且感染部位易促使肿瘤细胞再定植，进一步提高癌症复发风险。

光动力治疗（PDT）是一种非侵入性、时空选择性高的医疗技术，在多种疾病治疗中有所应用。其原理是光敏剂（PS）在光激发下产生具有杀菌作用的活性氧（ROS），氧化损伤周围生物分子，从而消除转化细胞或病原体。然而，目前大型光学仪器的使用受限，可穿戴设备光穿透深度不足，植入式光电器件在电源耐久性和安全性方面存在挑战。

研究设计

本研究设计了一种用于深部组织术后耐药感染和肿瘤复发的无线 PDT 的可植入、柔性治疗系统。该多层贴片式生物光子装置具有重量轻（16mg）、厚度薄（160μm）和柔韧性好的特点，能在宽场、可调电磁场空间中实现向深部病变的可控光能传递。

装置的电源模块包含信号发生器、功率放大器和电磁线圈，可传输 13.56MHz 的信号。柔性生物光子装置由谐振电路、整流倍压电路和激发光源组成。接收线圈和电容 C₁构成谐振电路用于能量收集，优化电路性能；整流倍压电路由电容 C₂、C₃和肖特基二极管 D₁、D₂组成，能实现输入电压翻倍，为负载电路供电，且能耗更低、稳定性更好。装置采用双环天线设计提高空间利用率和电磁感应效率，还配备蛇形连接的激发光源，可按需调整光源位置。

装置的印刷电路使用聚酰亚胺（PI）基板，与刚性电路板相比更具柔韧性、更薄且更轻。装置由多层材料构成，多层电路板能提高空间利用率、加速传输速度和增强抗干扰能力。在输出功率 > 5W 的电磁场中，装置可发射绿色荧光，当激发光源距离延长至 2cm 时仍能保持稳定发光，为激活 PS 奠定基础。将装置浸入 PBS 溶液中测试其体内功能，结果显示在至少 60 天内装置保持一致的发光性能，发光强度无明显衰减，证明了其成功封装和长期可靠的电磁感应效率。

光学性能评估

评估生物光子装置的光学性能时发现，其发光强度随能量供应模块功率增加而增强，当输出功率达到 20W 时，发光强度最高（212cd/m²），因此后续测试选择 20W 的输出功率。装置在不同位置和角度下都能实现荧光发射，且发射稳定，不受入射角度（30°、60° 或 90°）影响，这确保了在不同体位下 PDT 治疗的有效性。

为达到最佳治疗效果，选择吸收范围在 460 - 580nm 的孟加拉玫瑰红（RB）作为 PS，它具有高¹O₂量子产率、良好的生物相容性且广泛可得，常用于临床眼科诊断和癌症治疗。装置的发射光谱设置在 500 - 580nm，与 RB 的吸收光谱匹配。未照射的 PS 显示稳定的¹O₂特征信号背景，激活 30min 后，¹O₂诱导信号大幅增加，表明有 ROS 产生。

体内实验验证

将柔性装置植入小鼠模型进行体内验证。在小鼠病变部位附近切开，植入柔性生物光子装置，光源对准胫骨部位，缝合切口。植入一个月后，手术切口愈合，小鼠生理状态稳定，装置无结构损坏，植入部位位移极小，表明装置与宿主的解剖和功能特征相匹配，成功实现体内植入且性能长期保持稳定。通过 X 射线成像检查发现，装置固定在病变部位，激发光源位于胫骨上方，骨骼系统和周围组织未受损伤。

对植入装置的小鼠进行行为分析，让小鼠在开放场地（25×25cm）自由活动 20min，记录其活动轨迹和总移动距离。结果显示，植入装置的小鼠与未植入装置的小鼠行为模式相似，总移动距离差异不显著（p = 0.98），表明植入装置对小鼠行为影响可忽略不计。

生物相容性研究

生物相容性是植入式 PDT 的前提条件。使用红外（IR）热成像监测生物光子装置在运行过程中的温度变化，发现其在外部环境中连续运行 1h 后，温度变化不明显（从 23.4°C 到 23.8°C）；在小鼠模型中连续运行 40 - 60min 后，组织温度虽有升高但幅度较小（从 35.8°C 到 37.0°C - 37.1°C），且在约 40min 后趋于平稳，运行 12h 后对周围组织损伤极小。

对主要组织进行苏木精 - 伊红（H&E）染色的组织学分析，4 周后皮肤和主要器官未观察到明显炎症反应或组织损伤，表明装置对宿主无不良副作用。研究电磁场所产生的生物效应，发现暴露于电磁场（20W，12h）的小鼠与对照组在血液学参数（白细胞、红细胞、血红蛋白等）、免疫细胞计数（中性粒细胞、淋巴细胞、单核细胞）以及肝脏和肾脏功能指标（丙氨酸转氨酶、天冬氨酸转氨酶、白蛋白、血尿素氮、肌酐、尿酸）上均无统计学显著差异，主要器官结构保持完整，说明该电磁场对免疫系统、血液生化指标和主要器官影响可忽略不计。

体外 PDT 疗效评估

临床上，OS 手术可能导致术后感染，如耐药菌感染。本研究选择代表性革兰氏阳性菌，包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、耐苯唑西林金黄色葡萄球菌（USA - 300）、耐万古霉素肠球菌（VRE）和表皮葡萄球菌，评估装置的抗菌能力。

传统 PDT 设备激光（532nm）直接照射 PS 时，对 MRSA 的杀菌效果 > 99%，但当有 2mm 猪皮屏障时，杀菌效果降至 < 10%。本植入式装置在无光照时，与 PS 共孵育的细菌存活率高；连续照射 PS 12h 后，细菌存活率大幅降低，杀菌效果超 99%，几乎无细菌菌落存活。

通过活 / 死染色观察发现，未照射时细菌呈现绿色荧光，照射后出现大量红色荧光，表明细菌细胞膜结构受损、通透性增加。扫描电镜（SEM）图像显示，经 PDT 装置处理的 MRSA 细胞膜塌陷、出现孔洞。激光扫描共聚焦显微镜观察发现，PS 照射组生物膜受损，杀菌效果显著，与未照射组相比，PS 照射组生物膜的对数减少量为 8.12±0.45（杀灭率 > 99.9%）。

在抗肿瘤性能方面，激光无法透过猪皮抑制 OS 细胞。143B 细胞在黑暗条件下与不同浓度 PS（25、50 和 100μg/mL）共孵育 12h，细胞存活率均高于 80%，表明 PS 的暗毒性较低。而在装置连续照射 12h 后，143B 细胞存活率随 PS 浓度增加而逐渐降低。活 / 死染色显示，黑暗中与 PS 共孵育的 143B 细胞呈现大量绿色荧光，形态正常；照射 12h 后，红色荧光增加，绿色荧光减少，细胞形态收缩变形，表明细胞受损凋亡。

使用 2′,7′ - 二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH - DA）探针进行荧光成像，发现装置照射 30min 后，143B 细胞出现明显绿色荧光，表明装置能激活 PS 产生 ROS。通过流式细胞术分析发现，PDT 装置处理组的 143B OS 细胞凋亡率约为 95%，细胞死亡主要归因于¹O₂诱导的凋亡，¹O₂会导致线粒体释放凋亡因子，触发半胱天冬酶级联反应，同时受损的内质网和溶酶体释放钙，加剧线粒体功能障碍。

体内 PDT 疗效评估

建立小鼠胫骨感染模型，通过胫骨内注射 MRSA，植入生物光子装置进行体内抗细菌感染治疗。结果显示，PBS、PS 单独处理和光照单独处理组的胫骨组织出现明显细菌脓肿和分泌物，表明这些处理无法抑制细菌繁殖；而 PS 在连续照射下处理的胫骨部位无红肿和脓性分泌物，说明 PDT 能有效抑制体内骨感染。

X 射线成像显示，PBS 处理组胫骨出现部分骨缺损和明显皮质反应，而 PDT 系统处理组胫骨皮质无明显骨感染迹象，与未感染的胫骨组织结构无明显差异。对处理后的胫骨及周围组织进行 CFU 计数，发现 PBS、PS 单独处理和光照单独处理组的组织中存在大量细菌（7.6 - 11.1×10⁶CFU/g），而连续 PDT 处理组细菌数量减少约 2 个数量级。细菌菌落图像也显示，PDT 组的活菌菌落极少，证明了 PDT 系统在体内的抗菌效果。

Masson 染色显示，PDT 处理组的组织胶原纤维和肌肉纤维完整，骨组织形态与未感染正常组织无明显差异；H&E 染色显示，PDT 处理组的胫骨组织中性粒细胞积累极少，炎症减轻，而其他处理组出现大量中性粒细胞，伴有骨组织破坏、侵蚀和坏死碎片，表明 MRSA 感染引发了严重炎症反应，进一步验证了无线 PDT 系统在体内抑制细菌增殖和减轻炎症反应的有效性。

体内抗 OS 治疗效果

建立裸鼠胫骨 OS 模型，将荷瘤裸鼠随机分为 PBS 对照组、PS 单独处理组、光照单独处理组和 PDT 组。结果显示，PBS 对照组、PS 单独处理组和光照单独处理组的肿瘤体积持续增大，而 PDT 组在注射 PS 并经无线生物光子装置照射后，肿瘤增殖速率显著抑制，肿瘤体积（234mm³）无明显增加（p < 0.001）。

通过 H&E 染色、TUNEL 和 Ki67 免疫染色进行组织病理学分析，发现 PBS 对照组、PS 单独处理组和光照单独处理组的肿瘤组织呈现大量紫色，表明肿瘤细胞处于活跃增殖状态，无明显损伤；而 PDT 处理组的 OS 细胞出现凋亡，增殖受到抑制。TUNEL 免疫染色显示，PDT 组大部分肿瘤细胞凋亡；Ki67 免疫荧光分析显示，PDT 处理组肿瘤组织中 Ki67 表达水平低于 PBS 处理组，进一步证明了 PDT 对肿瘤细胞增殖的抑制作用。

研究结论与展望

本研究展示了一种可植入、柔性的生物光子装置，用于无线 PDT 治疗 OS 手术后的深部感染和肿瘤复发等并发症。该系统克服了传统光电器件组织穿透深度不足的问题，能在体内深部病变部位实现能量传输。装置具有柔韧性和轻便性，适合长期植入体内治疗，对动物行为轨迹无明显影响，植入后主要组织无明显热损伤和免疫反应。

目前报道的植入式 PDT 装置多集中于抗肿瘤应用，而本研究表明 PDT 还可用于治疗骨组织中的耐药<