综述：切伦科夫辐射诱导光动力疗法的系统评价：机制、成像与治疗潜力

《Photodiagnosis and Photodynamic Therapy》：Systematic Review on Photodynamic Therapy Induced by Cherenkov Radiation: Mechanisms, Imaging, and Therapeutic Potential

　　

背景：传统光动力疗法（Photodynamic Therapy, PDT）受限于光线在组织中的穿透深度不足。切伦科夫辐射诱导的光动力疗法（Cherenkov Radiation-induced PDT, CR-PDT）利用带电粒子穿过组织时产生的切伦科夫发光作为内部光源，激发光敏剂（Photosensitizer, PS）以治疗深部肿瘤。方法：本系统评价遵循PRISMA 2020规范，并在PROSPERO数据库注册（CRD420261309392）。研究人员检索了PubMed、Web of Science和Scopus数据库中2015年1月至2026年2月的文献，经筛选894条记录后，共纳入16项临床前研究（14项为体外/体内实验，2项为早期转化研究）。结果：β衰变核素（主要为89Zr、18F-FDG、90Y）可激活多种光敏剂，且常采用纳米颗粒包封形式（如介孔二氧化硅纳米颗粒、细胞外囊泡或氧化石墨烯杂化物），通过I型/II型机制产生活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）。体外实验中，经优化的纳米平台可实现代谢活性呈剂量依赖性降低（通过MTT/MTS assay和流式细胞术评估，反映急性生物学反应，但两项研究未检测克隆存活率），细胞活力降低幅度超过70%-80%。体内实验中，在小鼠乳腺癌、卵巢癌、肝癌及胰腺癌异种移植模型中观察到显著的肿瘤生长抑制和生存获益。切伦科夫发光成像（Cherenkov Luminescence Imaging, CLI）可对分布及疗效进行天然的诊疗一体化监测。总体偏倚风险（Risk of Bias, ROB）较低。结论：CR-PDT是针对深部肿瘤模型的一种实验性临床前策略，可实现内部激活的诊疗一体化PDT。纳米技术可提升其疗效，但其临床转化仍需标准化的剂量测定及更大规模的验证研究。

1. 1.
   引言
   切伦科夫辐射诱导光动力疗法（CR-PDT）是癌症治疗领域的革新性进展，其无需外部光源即可实现光束导向的肿瘤治疗，从而突破了传统PDT仅适用于浅表肿瘤的核心深度限制。近年来，基于光能和能量的疗法因微创特性，已成为化疗、手术和放疗之外的重要替代或补充手段。光热疗法（Photothermal Therapy, PTT）是其中之一，其利用近红外光激发光热剂将吸收的能量转化为局部热量，直接诱导肿瘤细胞高热消融、蛋白质变性及血管损伤，并凭借时空定位的准确性保护周围健康组织。同样，声动力疗法（Sonodynamic Therapy, SDT）利用可穿透深部组织的超声波刺激声敏剂，通过空化效应和声能转移产生活性氧（ROS）。这些模式均体现了利用物理能量实现靶向细胞毒性并降低全身毒性的刺激响应型疗法正日益受到关注。
   在此背景下，CR-PDT作为一种极具创新性的方法被提出，其利用带电粒子（如放射性核素的β粒子）在介质（如组织）中传播速度超过该介质中光速时产生的切伦科夫辐射（Cherenkov Radiation, CR）作为电磁辐射源。CR产生的连续光谱在紫外和蓝光区域亮度较高，可为深部肿瘤内富集的光敏剂（PS）提供内部光照以激发其产生活性氧——主要包括通过II型机制产生的单线态氧和通过I型机制产生的自由基，从而诱导靶癌细胞的细胞毒性、凋亡、坏死，甚至免疫原性细胞死亡（Immunogenic Cell Death, ICD）。将临床批准或新兴的放射性核素（如⁹⁰Y、¹⁸F、⁶⁸Ga、¹⁷⁷Lu或³²P）与合适的PS分子结合，研究人员已证实了其可行性。
   CR-PDT的基本过程建立在放射性核素β衰变释放的能量向PS的精准传递之上。高能β发射体每次衰变产生的切伦科夫光子更多，且产额随衰变粒子能量升高而增加（如⁹⁰Y在治疗窗口400-800 nm范围内产生的光子多于¹⁸F）。这种内部光激活方式消除了困扰外部激光或LED光源的组织吸收和散射问题，后者通常仅能实现数毫米的穿透深度。临床前研究已在乳腺癌、黑色素瘤和宫颈癌细胞系的体外实验中证实了PDT的ROS产生及细胞活力受损效应，涉及的PS包括卟啉类（如TPPS_2a）、伊红衍生物或纳米颗粒（Nanoparticle, NP）增强体系（如TiO₂或氧化石墨烯杂化物）。在CR-PDT中，吸收切伦科夫光的PS从基态跃迁至激发态，再通过系间窜越（Intersystem Crossing, ISC）进入寿命更长的高能级三重态。从三重态出发，PS可通过两种主要途径造成细胞损伤：I型损伤中，PS激发邻近分子产生活性氧（超氧和羟基自由基），该机制在低氧肿瘤微环境中具有优势；II型损伤中，PS激发分子氧产生单线态氧，对细胞的脂质、蛋白质和DNA等关键结构与功能组分造成不可逆损伤。
   CR-PDT的一个显著优势在于成像协同性。其天然伴随切伦科夫发光成像（CLI），可利用灵敏的光学探测器实时监测放射性核素分布、PS定位及治疗反应。这种将诊断成像与治疗相结合的诊疗一体化特性，提升了治疗精准度，便于剂量测定，并更易监测深部肿瘤靶向情况，尤其是结合纳米颗粒时可改善生物分布和能量传递效率。本系统评价是对CR-PDT新兴趋势的全面评估，据研究人员所知，这是首个聚焦CR-PDT及其机制、协同成像和未来癌症治疗潜力的系统评价，旨在通过综合临床前数据中的光物理与生物学过程，明确其作为下一代深部组织癌症管理技术的潜力。
2. 2.
   方法
   本系统评价方案依据《系统评价与荟萃分析优先报告条目》（Preferred Reporting Items for Systematic Review and Meta-Analysis, PRISMA）2020指南撰写，详见补充材料S1，并在研究启动前前瞻性注册于PROSPERO数据库（CRD420261309392），以确保方法学透明度、减少潜在偏倚，并为系统识别提供更清晰的框架。
   2.1 文献检索
   研究人员于2026年2月15日在PubMed（MEDLINE）、Web of Science和Scopus三大电子数据库进行了全面系统的文献检索，未设置起始时间限制，检索范围为2015年1月至2026年2月的所有记录。检索策略结合了受控关键词（PubMed中尽可能使用医学主题词MeSH）和自由词，涵盖CR的基本概念及其诱导PDT用于癌症治疗的核心思想。初始检索未设置语言、出版物类型或物种过滤，以避免遗漏可能相关的早期转化或比较研究。去重后，研究人员手动筛查了所有纳入全文文献、相关叙述性综述以及该主题（CLI、PDT内部光源、放射性核素疗法）的已知系统或范围综述的参考文献列表，以识别其他符合条件的出版物。
   为明确检索问题并提供概念清晰度，研究人员将PICO框架（人群、干预、对照、结局）调整适配于本临床前系统评价。其中，人群为临床前癌症模型（体外细胞系/球体、体内动物肿瘤、早期转化研究）；干预措施为切伦科夫辐射诱导光动力疗法（CR-PDT）；对照为无治疗/仅光敏剂/仅放射组，以及报告的传统外部光源PDT或放疗；结局指标包括ROS生成、细胞毒性、肿瘤反应（活力、凋亡、生长延迟、生存）、切伦科夫光子产额/光谱/注量、CLI成像、剂量测定、免疫原性细胞死亡标志物。核心检索式在PubMed/MEDLINE中组合了三组概念：切伦科夫相关术语（“Cherenkov radiation”“Cerenkov radiation”“Cherenkov luminescence”等）、光动力相关术语（“photodynamic therapy”“PDT”“photosensitizer activation”等）及癌症相关术语（“cancer”“tumor”“carcinoma”等），Scopus和Web of Science采用适配其要求的相同语法，检索范围覆盖标题、摘要和关键词，同时手动筛查纳入文献及相关综述的参考文献以补充合格研究。
   2.2 纳入与排除标准
   纳入标准为：原创实验报告（体外、体内临床前模型或早期转化/试点人体研究），以放射性核素（如⁹⁰Y、¹⁸F、⁶⁷Ga、³²P、¹⁷⁷Lu）产生的CR作为内部光源激活PS开展癌症PDT，且至少报告一项治疗结局，包括ROS生成、细胞毒性（MTT/MTS等 assay测定的代谢活性活力、凋亡/坏死标志物、可用的克隆存活率）、抗肿瘤效应（生长延迟、体积缩小、生存）或通过CLI实现的成像协同（光子产额、光谱、注量或剂量测定）。
   排除标准为：综述、社论、摘要、信件、评论、书籍章节及无实验证据的理论/建模研究；仅涉及CLI而无光动力治疗组分的研究；仅使用外部光源（激光、LED）的研究；非肿瘤应用（如抗菌PDT）；方法学描述不充分的研究。
   2.3 研究筛选
   所有记录导入EndNote X9（Clarivate Analytics）进行自动和手动去重，由两名独立研究者根据纳入排除标准进行标题和摘要初筛，再对疑似相关记录的全文进行独立获取与评估，分歧通过讨论解决，必要时咨询第三位研究者裁定。
   2.4 数据提取
   两名研究者使用预试的Excel表格独立提取数据，记录变量包括年份、国家、研究设计、样本量、癌症模型（细胞系/动物/肿瘤类型）、辐射源、放射性核素能量（MeV）、活度/剂量、成像模态（CLI/光学/无）、核心目标、PS（剂量/浓度）、切伦科夫特征、ROS生成检测方法、结局（明确assay类型）、凋亡/坏死标志物、肿瘤反应（生长延迟/体积变化）、成像发现及主要结论。数据经交叉核对，差异通过共识或第三位研究者仲裁解决，提取数据汇总于表2（研究特征）和表3（光敏剂-辐射-结局矩阵）。
   2.5 偏倚风险评估
   采用美国卫生与人类服务部下属的健康评估与转化办公室（OHAT）工具（NTP, 2015）评估纳入研究的偏倚风险（ROB），该工具适用于体内和体外临床前研究。其基于领域评估内部有效性，包括选择偏倚（随机化/分配）、实施偏倚（人员盲法、条件一致性）、失访/排除偏倚（数据完整性、排除情况）、检测偏倚（暴露表征、结局评估盲法/有效性）、选择性报告偏倚及其他偏倚来源（不适当对照、混杂因素）。所有领域评级为“明确低（DL）”“可能低（PL）”“可能高（PH）”“明确高（DH）”或“未报告（NR）”，由两名研究者独立评级，分歧通过共识或第三位研究者裁定。对于包含多个实验组分的研究（如体外vs体内，或仅CLI成像vs CR-PDT治疗实验），在适用情况下分别评估各组分ROB，尤其将小型试点体内实验（如n=1）与重复体外CR-PDT检测分开评估，避免不同研究臂的方法学质量混淆。
3. 3.
   结果
   3.1 研究筛选
   PRISMA 2020流程图展示了研究筛选过程。2026年2月15日在三大数据库的系统检索共获得894条记录，去重后765篇独特文献经标题/摘要初筛，获取28篇全文评估，其中12篇被排除（主要原因是缺乏治疗性PDT组分及纯理论/建模性质研究），经参考文献手工检索，最终16项原创实验研究（14项临床前，2项含早期转化/试点要素）符合所有纳入标准，进入定性合成。
   3.2 研究特征
   16项纳入研究的发表时间为2015年至2025年，2020年后数量显著上升（12项）。美国研究最多（7项），其次为中国（5项），法国、德国、中国台湾地区和伊朗各有1项。12项研究采用体外联合体内设计（1项含小型试点体内组分），4项仅为体外实验。最常用的肿瘤模型为小鼠4T1鼠源乳腺癌模型（8项），其余包括纤维肉瘤（HT1080）、胶质瘤、黑色素瘤（B16F10）、卵巢癌（ES2）、肺癌（A549）、胰腺癌（PANC-1）、宫颈癌（HeLa）及肝癌（H22/HepG2）。体内样本量普遍较小（通常每组3-8只）。13项研究使用的CR源放射性核素以⁸⁹Zr和¹⁸F-FDG为主（各4项），其次为⁹⁰Y、¹³¹I、Re-188和⁶⁸Ga；1项基于自化学发光（鲁米诺体系），1项基于6 MeV临床X射线直线加速器产生的CR。几乎所有研究均涉及纳米颗粒、纳米囊泡或可激活纳米塑料递送PS并最大化能量释放。11项研究包含CLI，可与荧光、PET/SPECT联用，体现了该方法天然的诊疗一体化属性。核心目标包括验证CR-PDT的可行性及抗肿瘤疗效、通过纳米技术优化PS性能、实现肿瘤靶向激活，以及探索治疗深部肿瘤的组合或协同疗法。
   3.3 纳入研究的关键数据与结局指标
   CR（主要来自β发射放射性核素如⁸⁹Zr、¹⁸F-FDG、⁹⁰Y和¹³¹I）可激活广泛的PS，持续产生ROS（主要是II型反应的单线态氧¹O₂，NP增强体系中还生成I型自由基如羟基、超氧），且结果具有可重复性。体外实验中，所有研究均报告代谢活性活力呈剂量和活度依赖性降低，使用优化的纳米平台（TiO₂、Ce6负载的细胞外囊泡或介孔二氧化硅、半导体聚合物、氧化石墨烯杂化物、双锁前药）时，细胞活力降低幅度可达70%-80%，半数抑制浓度（IC₅₀）低至4.4 μM；而使用传统卟啉类（如ALA/TPPS_2a）在高⁹⁰Y活度下仅获6%-11%的额外杀伤。评估相关标志物的研究中，凋亡/坏死标志物（γ-H2AX、caspase-3、TUNEL、Annexin V）及DNA损伤水平升高，支持其为光动力细胞死亡机制。需注意，大多数报告效应基于代谢检测，应解读为细胞毒性疗效的指示性证据而非确证性证据。
   CR-PDT在体内肿瘤模型中普遍产生强效抗肿瘤效应，几乎所有研究均观察到肿瘤生长抑制或延迟，原始TiO₂-Tf NP研究实现完全消退，乳腺癌模型中生长抑制超60%且生存获益延长（35天生存率40%，对照组为0%），原位肝癌、卵巢癌和胰腺癌模型也获得有效控制。部分先进设计还报告了细胞外基质重塑和低氧耐受能力等额外优势。11项研究整合了CLI或CRET增强荧光，常与PET/SPECT联用，证实了靶向递送、放射性核素/PS分布及治疗反应的实时监测能力。总体而言，这些临床前结果确立了CR-PDT的强有力概念验证，同时凸显了纳米技术在放大低产额切伦科夫光子、实现深部组织诊疗一体化应用中的关键作用。
   3.4 偏倚风险评估
   采用OHAT工具评估16项纳入研究的ROB，结果总结如下：整体方法学质量良好，多数领域ROB较低。所有16项研究的选择偏倚、检测偏倚和选择性报告偏倚均为PL；15项研究的实施偏倚为PL，1项为NR（Hartl等，2016）；失访/排除偏倚10项为NR，5项为PL；其他偏倚来源领域12项为PL，3项为PH——Lioret等（2020）因其极小的试点体内样本量（n=1）被评为PH（其重复的体外CR-PDT实验被认为ROB较低），Liu等（2024）因类试点的疗效报告被评为PH，Su等（2025）因其初步性质和潜在的发表偏倚担忧被评为PH。无任何研究在任何领域被评为明确高（DH）。结果表明，纳入研究在设计及报告上总体具有足够的方法学透明度，但结局测量——尤其是几乎普遍依赖代谢检测而非克隆形成检测——是整个证据库的一致局限性。改进失访、盲法和样本量论证的报告透明度将进一步提升未来研究的可靠性。
4. 4.
   讨论
   4.1 主要结果的解释
   本系统评价表明，CR-PDT已从原理验证研究发展为一种合理的临床前策略，可在多种模型中引发显著抗肿瘤反应，尽管现有文献的方法学质量仍受限于小样本量、异质性方案、克隆形成评估不足及毒性评价不完整。
   在全部16项纳入研究中，放射性核素（⁸⁹Zr、¹⁸F-FDG、⁹⁰Y、Re-188和¹³¹I）产生的CR以及内部自化学发光均可反复激活广泛的PS（大多包载于纳米平台），并稳定产生ROS和癌细胞细胞毒性。常用示踪剂中⁸⁹Zr最多（5项），其次为¹⁸F-FDG（4项）；⁹⁰Y（2.28 MeV）和⁶⁸Ga（1.89 MeV）等高能β/正电子发射体可产生更高切伦科夫光子产额，从而实现高效PS激活和强效抗肿瘤疗效。体外研究中，代谢活性呈剂量和活度依赖性降低，传统卟啉类在高⁹⁰Y活度下仅获小幅额外降低，而优化的纳米PS可实现70%-80%的代谢活性降低及低微摩尔级IC₅₀值；凋亡和DNA损伤标志物的升高进一步支持其为真正的光动力机制，而非非特异性辐射毒性。
   体内层面，上述平台转化为强效抗肿瘤反应：多数研究报告显著肿瘤生长抑制或延迟，部分实现完全消退，乳腺癌模型35天生存率较对照组（无长期存活者）提升至40%。重要的是，疗效并不局限于浅表病灶：原位肝、胰腺及卵巢肿瘤同样得到有效控制，这与CR-PDT“深度无关的内部光源”的设计初衷一致。部分先进结构还实现了具有生物学意义的肿瘤微环境调控，包括细胞外基质重塑和低氧耐受性ROS生成，提示其具备增强或补充化疗、放疗等其他疗法的潜力。第二大核心发现是CR-PDT天然的诊疗一体化属性：10项研究聚焦CLI，常与荧光、PET或SPECT联用，证实用于激活的同一放射性核素可用于实时可视化放射性核素和PS的分布及治疗的反应。
   但也存在不一致结果：Hübinger等（2024）未能复现切伦科夫光增强PDT的效应。其在FaDu、B16-F10和4T1细胞中应用补骨脂素和三甲基补骨脂素，在15 MV射线照射后，对比允许CL透过组和阻断CL组的克隆形成存活率，仅观察到微小且无统计学意义的总体差异（校正无PS对照组后）。作者将细胞活力无额外降低归因于低剂量率（约10 mGy/h）允许细胞修复、细胞系可能存在固有UVA敏感性，以及所选补骨脂素的CL吸收有限。这些结果表明，CR-PDT的细胞毒性高度依赖于PS选择、光子注量、剂量率，且纳米增强通常是实现充分疗效的必要条件。
   4.2 局限性与未来方向
   若干局限性削弱了本综述结论的确定性。首先，16项研究中有15项使用代谢活性检测（MTT、MTS、CCK-8）和/或基于染料的流式细胞术，而非评估生殖细胞死亡的金标准——克隆形成存活检测，因此报告的体外效应应解读为急性生物学反应的证据，而非确证性细胞毒性疗效。其次，体内实验动物数量少（每组3-8只），难以代表庞大的人类群体，且不同研究在放射性核素类型、PS类型、施用活度和结果报告上存在显著差异，进一步限制了跨研究可比性。第三，纳入研究均未明确评估正常组织中PS蓄积带来的脱靶光毒性，这是重要的转化关切，因为放射性核素产生的切伦科夫发射可发生于任何蓄积器官（如肝、肾、皮肤、垂体）。第四，尚无统一剂量测定框架确保可重复性和跨研究比较。
   未来研究应优先采用克隆形成终点、免疫功能健全的原位模型并完善毒性谱分析，优化针对切伦科夫光谱重叠和氧气非依赖机制的理性PS设计，并建立统一的剂量学报告标准。由于处于早期阶段，未来需精心设计以进一步明确CR-PDT的安全性和实际治疗疗效，验证其技术应用潜力。
5. 5.
   结论
   本系统评价综合了CR-PDT的首批不断增长的证据，将其描述为突破传统PDT深度障碍的潜在解决方案。CR-PDT目前仍处于临床前研究阶段，属于内部激活PDT与整合诊疗成像的新兴领域。现有研究在特定实验条件下提供了CR激活PS的可行性证据，若结合纳米技术增强则更为显著。然而，当前证据基础受限于过度依赖短期代谢检测、小动物队列、异质性方法学，以及对长期克隆疗效和脱靶毒性评估不足。PS在正常组织中的显著沉积及潜在的内源性光毒性仍是重大障碍。未来工作应聚焦于标准化定量剂量测定、免疫调节效应及精心设计的早期临床试验，以推动其临床转化。

伦理批准：不适用。

资金来源：无。

数据可用性声明：模板数据收集表和提取数据可根据合理请求从通讯作者处获取。

注册/方案声明：本系统评价的完整方案已前瞻性注册并于PROSPERO数据库公开（CRD420261309392）。

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