新發現為光動力療法和藥物開發開闢了新途徑

日期：2019年1月16日

引源：哥倫比亞大學

摘要：科學家們成功地開發了一種化學工藝，該工藝可將可見光轉換成紅外光，使紅外光的無害輻射穿透活體組織和其他材料，同時也能避免受到高強度光照射造成的損害。

數十億個分子可以像燈泡一樣，它們由不可見的紅外光子驅動，產生可見光。

圖片來源：Melissa Ann Ashley

哥倫比亞大學的科學家們與哈佛大學的研究人員們合作，成功地開發了一種化學工藝該工藝可將可見光轉換為紅外光，使紅外光的無害輻射穿透活體組織和其他材料，同時能避免受到高強度光照射造成的損害。

他們的研究發表在1月17日出版的「自然」雜誌上。

「研究結果是令人興奮的，因為我們能夠進行一系列複雜的化學轉化，這些複雜的化學變化通常需要使用無創紅外光源來產生高能量可見光，」哥倫比亞大學化學教授，該研究成果的共同作者Tomislav Rovis說道。「可以想像許多潛在的應用，例如一些應用的障礙是難以控制物質。例如，該研究有望增強光動力療法的範圍和有效性，而光動力療法在治療癌症方面的全部潛力尚未實現。」

該團隊包括哥倫比亞大學化學副教授Luis M. Campos和哈佛大學Rowland研究所的Daniel M. Congreve，他們使用少量新化合物進行了一系列實驗，這些新化合物在光照刺激下可以介導分子之間的電子轉移，在沒有光照的情況下它們會反應更慢或根本不反應。

他們的方法，稱為三重融合上轉換，該轉換涉及一系列過程，該轉換本質上是將兩個紅外光子融合成一個可見光光子。大多數技術只捕獲可見光，這意味著太陽光譜的其餘部分會浪費掉。三重融合上轉換可以捕捉低能紅外光並將其轉換為可見光，然後被太陽能電池板吸收。可見光也很容易被許多表面反射，而紅外光具有更長的波長，可以穿透緻密的材料。

「通過這項技術，我們能夠將紅外光調整到需要的、更長的波長，使我們能夠無創地穿過各種各樣的障礙物，例如紙張，塑料模具，血液和組織，」坎波斯說。研究人員甚至通過纏繞在長頸瓶上的兩條培根進行脈衝照射。

科學家們長期以來一直試圖解決如何在不損傷內臟或健康組織的情況下使可見光穿透皮膚和血液的問題。用於治療某些癌症的光動力療法（PDT）使用一種特殊的藥物，稱為光敏劑，由光觸發產生高反應性的氧氣，能夠殺死或抑制癌細胞的生長。

目前的光動力療法局限於局部或表面癌症的治療。「這項新技術可以將PDT帶入身體以前無法進入的區域，」Rovis說道。

「與採用導致惡性細胞和健康細胞死亡的藥物毒害整個身體相比，本文所述的過程可以看作一種與紅外線結合的無毒藥物，其可以選擇性地靶向腫瘤部位並照射癌細胞。」

該技術可能產生深遠的影響。紅外光療法可以有助於治療許多疾病和病症，包括創傷性腦損傷，受損的神經和脊髓，聽力喪失以及癌症。

其他潛在的應用包括遠程管理化學品倉庫、太陽能發電和數據存儲、藥物開發、感測器、食品安全方法、可模塑骨模擬複合材料和處理微電子元件。

研究人員們目前正在其他生物系統中測試光子上轉換技術。「這為改變光與生物體相互作用的方式開闢了前所未有的機會，」Campos說道。「事實上，目前我們正在採用上轉換技術進行組織構建和藥物輸送。」

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