中国的研究人员最近首次应用控制理论分析光疗法中光化学反应的动力学,并开发了第一个光诱导单线态氧治疗真菌感染的数学模型。研究结果发表在《IEEE生物医学工程学报》上。
光动力疗法(PDT)因其作用迅速且缺乏耐药性,是治疗局部感染性疾病的非抗生素替代品。与PDT类似,仅依赖病原体内源性色素(即卟啉和黄素)的蓝光疗法也有效,使用起来更安全。
抗真菌蓝光(ABL)作为一种治疗真菌感染的新方法,已被广泛研究。计算单线态氧的量子产率是确定PDT和ABL中应用的光剂量的关键。
为了研究PDT和ABL中光敏氧化反应的动力学,并开发有效的建模方法,中科院苏州生物医学工程技术研究所(SIBET)董剑飞博士的团队应用基本控制理论来分析这些过程,推导了非线性第一性原理PDT模型的线性化条件。
PDT和ABL抗真菌作用的机制是前者的外源性光敏剂或后者的内源性色素的光激发,后者又从三重态氧(3O2)分子中产生活性氧(ROS)。
活性氧具有高度反应性,可引起细胞毒性。单线态氧(1O2)通常占光诱导活性氧的80%;羟基自由基和其他类型的活性氧占剩下的20%。此外,单线态氧是大多数其他活性氧的前体。
Dong和他的同事将非线性第一性原理PDT模型沿其对光刺激的动态响应轨迹在一组平衡点处线性化。
这产生了一组线性时不变(LTI)状态空间模型。这些模型都是三阶的,包含三个极点和一个零。其中,一个极点始终位于复杂平面的原点。
进一步的分析表明,零可以近似地抵消原点的极点,从而产生包含两个极点的二阶模型。这两个剩余极的位置与3O2的浓度高度相关,3O2是产生1O2的主要成分。
据研究人员称,当3O2浓度足够时,不同点的根基因座浓缩成一个比缺氧情况下小得多的簇。这表明富氧情况下的局部LTI系统更加相似;也就是说,原来的非线性第一性原理PDT模型趋于线性。
“这是一个有趣的观察结果,”董说。事实上,在大多数情况下,血液中的氧气浓度足以进行光化学反应。
受此启发,该团队进一步分析和求解了第一原理PDT模型,并获得了富氧条件下的闭合形式解析解。这种解析解的意义在于它是一个只有四个参数的非线性代数方程,可以很容易地拟合到实验数据。
他们进一步提出了一种数据驱动的光疗法光化学反应过程建模方法。该模型对ABL实验数据的拟合效果较好。
这是应用控制理论从非线性角度分析光化学反应动力学的首次尝试。拟议的建模技术也为确定治疗真菌感染疾病的光剂量提供了机会,尤其是人体表面组织的光剂量。