浙大团队造出新型医疗导光贴片，能用于心脏等体内组织的照明，可改善微环境氧气不足难题

近日，浙大团队造出一种名为 iCarP（illuminative cardiac patch）的柔性导光贴片。该贴片具备可生物降解的特点，能用于心脏以及其他体内组织器官的照明，它可以起到导光器件的作用。iCarP 的面世，意味着体内组织器官的光学治疗迎来了新思路。

图 | 散射光子器件的设计、功能和演示及其在体内器官和组织上的应用（来源：Nature Communications）

由于小球藻/iCarP 体系可以按需在体内目标的局部部位产生氧气，因此在心梗等缺血、缺氧疾病中，可以改善微环境中氧气不足的问题。

对于肿瘤等“喜好”缺氧环境的疾病，则可通过增加局部氧分压的方式进行治疗。

鉴于氧气与细胞的能量代谢存在紧密关系，所以理论上这种小球藻/iCarP 体系可以通过调控组织能量代谢的方式，来影响其他生命活动。因此，肿瘤和关节炎等疾病的治疗，是小球藻/iCarP 体系进入临床的优先方向。

与目前市售的医用光纤相比，iCarP 兼具大光照面积和大光照深度的优势。同时，对于不同波长光，其具备一定的普适性，并能实现多种模式的照明。

这也意味着它能用于包含光动力治疗、光热治疗、以及光遗传治疗在内的光疗手段之中，并有望在某些疾病治疗上替代现有的导光设备。

而此次器件的制备要从藻类说起。藻类是一种新型的天然活性物质，它不仅具备低毒性和高生物相容性的特点，还兼具药物递送和成像功能，故被广泛用于组织工程和微纳医学等领域。

与此同时，藻类还拥有良好的光合产氧能力，这让其成为生物体内潜在的氧气来源，并已被用于乏氧疾病的治疗之中。

此前，浙江大学教授课题组借助藻类的光合作用，将藻类的局部供氧功能用于肿瘤和感染性疾病的治疗。

图 | 周民（来源：）

在心肌梗死中，缺氧是组织坏死的直接原因。也正因此，多年来学界一直致力于开发各种原位供氧体系来缓解缺氧。

据介绍，当向梗死的心肌组织植入小球藻等生物相容类藻类，通过光合作用的产氧能力来挽救心肌，这在理论上是可行的。

然而，心脏处于胸腔之内，外部光源照射过来的光线，会被肋骨和皮肤阻挡，这时就需要大面积、大深度的心肌原位光照方法。

此外，对于局部定点光照来说，心脏的持续跳动增加了前者的难度。也正因此，目前的体内光照技术都无法满足心肌光照的特殊需求。

针对上述问题，团队联合浙江大学研究员、教授和教授团队，基于研究员和教授开发的专利技术（ZL 202111497836.3）研发出了 iCarP。

图 | 朱旸（来源：）

据介绍，iCarP 能够实现较大的照射面积、以及较深的穿透深度。在微创技术的辅助之下，它能被植入到体内并贴附在目标组织表面，从而提供稳定持续的照明。

在设计 iCarP 的时候，课题组将拉锥光纤（TOF，tapered optical fiber）整合到可生物降解的透明聚酯贴片之中，并在两者之间保留高度在微米级的空气层。

这让通过光纤传导过来的光线，先是可以在拉锥光纤端发生衍射，然后依次在空气/拉锥光纤和空气/透明聚酯界面上发生折射，从而显著增强对光的散射，进而将普通光纤面向前方的出射光模式转变为侧面出光为主的照射模式。

值得一提的是，在透明聚酯贴片的内部，拉锥光纤出射的光可以发生反射，从而让 iCarP 后部也能发生光的出射，这种发光方式和灯泡的照明十分相似。

因此，只需把 iCarP 贴在目标器官组织的表面，就可以实现大面积、大深度的照明，根本无需侵入目标组织的内部。

同时，由于 iCarP 是一款柔性贴片，故能实现在跳动心脏和其他组织器官之间的紧密贴附，从而能对同一目标实现长时间的光照。

在 iCarP 帮助之下，该团队顺利开展了小球藻在大鼠梗死心肌中的光合产氧的研究。他们在心梗大鼠的梗死部位，原位注射了小球藻悬液，然后将 iCarP 通过生物胶贴到梗死心肌的表面，随后进行单次的长时间光照。

图 | iCarP 照明诱导原位光合作用产氧用于心肌梗死治疗（来源：Nature Communications）

短期和长期的实验结果均表明，小球藻原位光合产氧的方法，可以减少梗死心肌的中心肌细胞的死亡，从而降低心肌的纤维化，进而维持心脏泵血的功能。

进一步地，课题组在大动物实验中证明：大面积的 iCarP 器件可以顺利通过胸腔镜通道，因此能以微创的方式植入至心脏表面。这也说明，通过微创手术的方式，小球藻/iCarP 治疗系统可被用于各种大动物疾病模型之中。

此外，iCarP 还能支持不同的波长，并能实现程序化的反复光照。理论上，利用小球藻的分布特点和滞留特性，能给相关疾病带来更好的治疗效果。

日前，相关论文以《一种用于体内光疗的可生物降解的柔性光子贴片》（）为题发在 Nature Communications 上[1]。

浙江大学博士生邓凯铖和唐瑶、华东理工大学副研究员、浙江大学博士后钟丹妮是共同一作；浙江大学研究员、教授、教授和研究员担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

据介绍，此次课题起始于和合作者的一次讨论。表示：“朱老师了解到我们团队发表的小球藻产氧抑制肿瘤的论文之后，向我提出使用小球藻治疗心肌梗死的合作邀约，并和我一起分析这种策略的可行性。”讨论之后，他们都认为这个课题既有趣又有意义。

与小动物的皮下瘤模型不同之处在于，小动物的心脏与心脏外界，被囊括在厚度较大的组织分隔之内，在这里面还有肋骨的存在，因此很难用体外光源进行照射。

查阅相关文献之后，建议使用光纤来向体内传输光能，并建议要把光纤固定到心外膜表面的补片之中，以便保持照射位置的不变。

后来，他们意识到需要将光线从侧面导出，于是便邀请同校的教授加入合作，以便更好地完成器件设计。

表示：“张老师对于微纳光纤的医疗应用极富热情，欣然加入了合作。而在经过多轮讨论之后，我们终于确定了研究框架。”

这时，周、朱两支团队先后探索了小球藻心肌注射的安全性、以及开胸光照之下小球藻产氧保护心肌的效果。

随后，又与针对 iCarP 中贴片的组成、光纤的几何形状、以及两者的组合方式，提出了集中设计方案。

期间，同样来自浙江大学的教授也给予重要支持。在大家的通力合作之下，一且都进展得很顺利。“尤其是朱老师和张老师提出的光纤拉锥与空气薄层结合的设计方案，完美满足了我们的需要。”说道。

图 | iCarP 的微创植入（来源：Nature Communications）

这次成功的跨领域合作也让颇为感慨：“之前我们团队在藻类的医疗应用上开展了一系列工作，但是并没有将其与心肌修复建立紧密联系。”

而本次项目的开展，也让有机会深入思考小球藻等藻类在心血管疾病治疗中的潜在应用。此外，尽管课题组曾开展过大量的光疗研究，但是对于体内光照方法却鲜少涉猎。

“因此，这次合作不仅为我们今后的光疗研究提供了极具实用性的光照器件，也让我们更加关注藻类转化疗法的可行性。”他说。

如前所述，小球藻已能在心肌注射中体现良好的扩散性。相对应的，iCarP 的组织光照深度也已经超过 1.5cm，因此小球藻/iCarP 体系的治疗范围还能被继续扩大，理论上还能用于体积较大的人体组织器官。

因此针对大动物的缺氧疾病模型，课题组将探索小球藻/iCarP 体系的有效性和安全性。

前面提到，本次研究利用了小球藻的光合产氧能力。事实上，将藻类进行工程化改造，使其成为具有靶向性能的药物载体、微反应器、微传感器等都已经有过相关报道。

所以，该团队打算将更多功能性设计，整合到小球藻/iCarP 体系，以便实现更好的治疗效果。

此外，在本次工作中 iCarP 只能提供光照，而微纳光纤器件则能监测和传输多种物理信号比如温度、心率、形变等。

因此，他们也将尝试整合光照和监测功能，以期实现诊疗的一体化。同时，也会考虑使用无线供能和通信技术来替代光纤的作用，借此拓展小球藻/iCarP 体系的使用范围。

参考资料：

1.Deng, K., Tang, Y., Xiao, Y. et al. A biodegradable, flexible photonic patch for in vivo phototherapy. Nat Commun 14, 3069 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38554-x

运营/排版：何晨龙

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