TW404845B - Apparatus for treating a particular volume of plant or animal tissue containing atleast one photo-active agent and apparatus for administering a photpdynamic medical treatment using multi-photon excitation - Google Patents

Description

五 、發明說明(f601845 A7 B7

元件符號對照表 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 10 單光子激發作用 82 光束 12 同步之二光子激發作用 84 焦點 14 3+2光子之激發作用 86 近紅外線光束 16 多光子量子控制 88 可見光束 20 單光子激發作用 90 近紅外線光束 22 同步二光子激發作用 92 可見光束 24 同步的三光子激發作用 94 單光子激發作用 26 同步的多光子激發作用 96 同步的二光子激 30 同步的二光子激發作用 98 同步的二光子激 32 同步的五光子激發作用 100 Sorrett 帶 42 光化學激發作用 120 來源 50 二光子激發反應 122 光束 52 三光子激發反應 124 標準光學裝置 60 光束強度分佈 126 聚焦光束 62 單一光子激發效率分佈 128 待治療組織 64 多光子光激發效率分佈 130 聚焦區域 70 組織表面 132 健康組織 72 組織表面以下 134 皮膚 80 瓊脂明膠 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 49 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 -------404841¾__----- i、發明說明（1 ) 發明之技術領垃 整體而言，本發明係有關以高度空間控制，達成一或 多種治療劑之專一性光活化的方法與裝置。所教導達成 專一性光活化之方法，係利用非線性光激發作用之特性 ，以高度空間與分子之專一性將一劑自一個分子能態推 至另一個能態。該等方法之特性適用於各種物質之處理 ’及特別在治療人類、動物及植物疾病方面能提供獨特 的優點。更詳細地，非線性激發方法之使用，使得以使 用可見光至紅外線波長之光，其被吸收與散射之程度低 於目前所用的方法與光輻射作用，進而促進組織中該劑 經控制之治療性活化作用。 發明之背景說明 醫學領域中需要具有適應性之方法，以容許用於各種 、 治療用途，包括光動力治療與局部手術療程，之各種分 子劑之專一性活化作用。所需改良之處包括增強有關活 化定域與深度之空間或時間的控制，降低不利的活化作 用與對其他共位址或附近之劑、組織或構造之損害，及 使得對所需之劑的活化作用優先於其他非標的之剤。 自I960年代初期發現雷射以來，即預期雷射可提供該 專一性與適應性。例如，、已發展出利用雷射輻射的特殊 能力之各種線性與非線性光化學與光物理方法，進而改 良一些應用》有關雷射之許多醫學用途的典型回顧評論（ 見如 Miller，Biophotonics Intern. 9/10 月期（1997年）第 50-51 本紙張尺度適用1國國家標準（CNS)A4規格（2】〇 X 297公爱） _ — — — — — — — — — — — — — - — — — fill· ·1111111 I Jn <請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) i 4 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 A7 ••(Μ 845--- 五、發明說明（2 ) 頁；Boulnois，Laser Med. Sci·第 1期（1986年）第 47-66頁） 顯示，其光輸出自連續波（CW)至超短脈波束及跨越波長 自紫外線（UV)與可見光至近紅外線（NIR)與紅外線（IR)之 雷射，適用於自消除表面皮膚病症至精細的視網膜手術 之醫學治療（如Fisher等人於Laser Surg. Med.第17期（1995 年）第2-31頁乙文；Mourou等人之美國專利第5,656,186號） 。更進一步，因更加瞭解雷射能於各組織中之非專一性 損傷性質，從業者得以設計更安全與更具功效的最新雷 射光泺用途。然而，一般而言，目前治療用雷射方法之 性能與適應性仍不理想。更詳細地，需要改良光活化方 法，其可用以專一地達成各種治療方法，同時增進該等 方法應用上之性能與適應性。 光輻射於偵測或轉變分子劑之應用，已為人所知多年 、 。例如，在光動力治療（PDT)中，廣泛地使用線性單光子 光激發作用，以活化分子治療劑》(如Fisher等人於Laser Surg. Med.第17期（1995年）第2-31頁乙文）。該類型活化 作用之概括性贾布隆斯基（Jablonski)圖示於第1(a)圖，其 中當光活化劑吸收由單光子P!與該剤之相互作用所提供的 特定能，而自較低的量子力學容許態sm提昇至較高 的量子力學容許態Sn時，發生單光子激發作用（1〇)。典型 地，接著發生系統間輸送作用IX，以將激發劑帶至長存 的活化態Tm，自其可發生光化學反應& «在光動力治療 之情況下，R!可包括細胞毒性物種之產生，如單電鍵氧 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------iJ-----ilIL訂i I ϋ ϋ ϋ I 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 B7 ____^五、發明說明（3 ) °可惜地，該激發方法之性能並未能因應所需。例如， 強烈的證據（見Y〇ung，j. Ph〇t〇chem· Photobiol. B，第6期 (1990年）第237-247頁）顯示，用於一些常用治療療程之光 輻射P〗’其本身可造成疾病與其他不利的副作用。更進— 步’用於分子治療劑之大部份線性光激發作用，皆深受 穿透深度不足之擾，主要係紫外線或可見光活化的光轉 射之光散射或吸收效應之故。 在數種實驗室應用中曾使用各種多光子光激發方法， 以試圖改良用於特定應用之光活化作用的專一性，及因 應單光子激發作用所造成之眾多限制。在該等方法中， 曾使用峰值功率超過1 GW之自單一模式、連績波長雷射 至脈波Q-轉換雷射之激發源。大部份嘗試之目標，係以 多光子激發作用作為偵測激態性質或測定存於強烈吸收 、 基質中之分析物，如環境試樣，之方法。例如，曾以同 步的二光子激發作用，作為刺激存於光密集基質中之分 子釋出螢光之方法（見Wirth舆Lytle，Anal. Chem.第49期 (1977年）第 2054-2057 頁；Fisher等人，Appl.Spectrosc.第 51期（1997年）第218-226頁）。該活化作用之概括性機制示 於第1(b)表，其中當光活化劑吸收由二個光子Pl，與p2’以 及該劑同步、結合之相互作用所提供的特定能量匕而被激 發時’發生同步之二光子激發作用（12)β需注意若匕，與p2, 之能量一致，則該激發方法稱作”簡併，，。二光子之同步的 相互作用，通常被述為其間存在一個生命週期約10毫微 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) -Λ 訂！ -線· 6 - 40^845 A7 ‘__B7____ 五、發明說明（4 ) (請先W讀背面之注意事項再填寫本頁) 微秒（fs)或更短之過渡虛擬態V。若二光子在生命週期間 皆未與該劑相互作用，則不會發生激發作用，而該劑亦 將無法達到Sn。一旦該劑被提昇至較高的量子力學容許態 sn’其光化學與光物理性質將與單光子激發作用（10)所產 生者相同β顯微鏡檢查法中曾述及使用二光子激發作用（ 如Denk等人之美國專利第5,〇34,613號），及作為膜性質之 探針（如 Chen與 Van Der Meer ’ Biophys. J.第 4期（1993年） 第1567-1575頁）。該項研究之絕大部份似乎係以單一、脈 波激發泺進行’使得與該劑相互作用之該二光子係屬相 同的波長（簡併型激發情況）。然而，亦顯示非簡併型（二 色）同步之二光子激發作用（如Lakowicz等人，ph〇t〇chem. Photobiol第 64期（1996年）第 632-635 頁）。 相當少見地’曾述及以同步之三光子激發作用偵測諸 、 如氣（如 Nieman舆Colson，J. Chem. Phys.第 68期（1978年） 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 第 5656-5657頁）’苯（如 Johnson’ J. Chem. Phys.第 64期（1976 年）第 4143-4148頁；Johnson.與Korenowsk，Chem. Phys. Lett. 第 97期（1983年）第 53-56頁；Cable與 Albrecht，J. Chem. Phys. 第 85期（1986年）第 3155-3164頁），丁二烯（如 Johnson，J. Chem. Phys.第 64 期（1976年）第 4638-4644頁），及氧化氮（ 如 Seaver等人，J· Chem. Phys.第 87期（1983年）第 2226-2231 頁）等分子之光譜，而同步之四光子光譜於諸如二氧化氮（ 如 Rockney 等人，J. Chem. Phys.第 78期（1983年）第 7124-7131 頁）與 丁二稀（如 McDiarmid與 Auerbach，Chem. Phys. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 404845 Z__ 五、發明說明（5 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Lett.第76期（1980年）第520-524頁）等分子研究中之應用則 更形受限。先前曾述及該多光子光譜（光子數目£ 4)之一 般理論（見人11(1代以3與〇11〇111，】.〇16111.?1^.第75期（1981 年）第530-538頁）》最近，Lakowicz及其同僚曾述及使用 簡併型之同步多光子激發作用，以研究冷凝態之各種螢 光困的性質（見Gryczynski等人，Biophys. J.第71期（19》6 年）第 3448-3453 頁；Lakowicz等人，Biophys. J.第 72期（1997 年）第567-578頁），及作為顯微檢查法之可能的顯像方法（ 見 Gryczynski等人，Photochem. Photobiol.第 62期（1995年） 第 804-808 頁；Szmacinski 等人，Biophys. J.第 70期（1996 年）第 547-555頁）。 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 使用多光子激發作用之其他工作，係使用複雜的多光 子激發方法以闡明該劑的物理與化學性質（見Xing等人，J. 、 Chem· Phys.第 194期（1996年）第 826-831 頁；Wang 等人，J. Chem. Phys.第 105期（1996年）第 2992-2997頁），或使用一 或多個時間或空間上量身訂做的雷射脈波以展現對激態 反應路徑之量子控制（見Ham，Science第279期（1998年）第 1847-1848頁；Zare，Science第 279期（1998年）第 1875-1879 頁；Flam，Science 第 279期（1998 年）第 1879-1882 頁）》然 而，所報導之該等多光子方法，一般需要以超過10毫微 微秒之宽度分階段、依序施用光能，以促成分子内重組 作用之發生。第1(c)圖概括性呈現該多光子活化作用，其 中當光活化劑吸收由三個光子卩/’，P2”與P3”以及該劑同 本紙張尺度適用國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -8 - --- 、發明說明（6 ) 步、結合之相互作用（該相互作用由二個虛擬態、”與％” 居於其間）所提供之一特定能量匕而最初激發至第一個較 高的量子力學容許態Sn，時，發生3+2光子之激發作用（14) 。當吸收由該劑與二個附加的光子!>4”與p5”之相互作用所 提供之一特定附加能量A時，發生後續之激發作用，而將 其提昇至第二個較高的量子力學容許態Sp。典型地，在钕 一步驟E1與E2之間存在短暫的耗時，及該第二激發作用通 常由一或多個量子力學容許能態如s。居於其間。 相反地，當該劑以與電子鍵結轉換作用、鬆弛作用與 分子内能量轉移相符之時段發生的—或多個雷射脈波， 目前認為發生於約1〇〇毫微微秒與！微微秒之間的規模， 而依序穿梭於數個中間狀態時，發生光所引發對化學反 應的量子控制（見Fisher等人’ Appl. Spectrosc.第51期（1997 ' 年）第 218-226頁；Draumer等人，Science第 275期（1997年） 第 54-57 頁；Zhong等人，J. Am. Chem. Soc.第 119期（1997 年）第2305-2306頁）。第1(d)圖概括性呈現該多光子量子控 制方法（16)，其中經由產生自三個光子ρ^，’，p2’，’與p3，，， 與該劑之依序相互作用之三個步驟E,，E2，與E3,，而發生 激發作用。在該實例中，第一個光子P1，’，之作用係將劑 激發至3„態，而第二個光子p2，’’進一步將劑激發至Sr態。 計時光子P3’’’之運送，以將劑自Sr去活化至'，產生一個 自Sm無法直接到達之反應狀態（及因此導致化學反應Ri，） 。對第1(c)圓（14)與對第1(d)圖（16)所示之二種該多光子方 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) n n - 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製

T4 - ^•β· I I 1 I I i n n n n n n B— n emf I n n 1· 1 —J 9 A7

經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 五、發明說明（7) 法而言為典型的耗時與多量子力學容許中間狀態，而有 別於第1(b)囷（12)所示實質為單一步驟激發方法之同步激 發方法。

Draumer、Zhong、Bardeen及其他人等之董子控制與 其他特定激發方法之應用，以二種時間方式闞明化學反 應：（a)發生於sub-sp時段之一種快速方式，其涉及分子内 之電子轉變作用；及（b)發生於supra-sp時段之一種緩慢方 式，其涉及分子内之重組、鍵結分裂與分子間之相互作 用。然而’快速方式所引發生之情況，將與緩慢方式中 可能發生者顯著不同’因一般而言快速方法中之特徵性 時間常數，諸如電子激發作用τ„，遠低於鬆弛作用\eUx， 諸如熱傳導。此係指若使用適宜的快速激發方法，可達 成激發作用，及所產生之效應（諸如分子内之電子轉變作 用）將在顯著的鬆弛作用（諸如鍵結分裂或熱轉移）可以發 生之前完成。最近開始有限地應用該發現於光動力治療 與雷射切除手術之領域。發現快速方式中以顯著長於相 互作用所需期間（即ps-至us-期間）進行之激發作用，其所 支持之光活化路徑與所需的光活化作用競爭。然而，超 過毫微秒之時間規模，例如，激發的光動力劑可能吸收 額外的光子而造成不利的光化學轉變作用。此可藉由將 光動力治療劑轉變成長效的全身毒性物質（見Shea等人，J. Biol. Chem.第265期（1990年）第5977-5982頁），而使得該劑 在預定的用途方面變得完全無用》更進一步，在緩慢方 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------1----.----^訂---------線 i (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 10 Α7 Β7 ^ϋ4845 五、發明說明（8 ) 式中之激發作用，具有讓能量洩漏至周圍鍵結或基質之 傾向，而預先排除了成功地董子控制反應之可能（因能量 自所需之鍵結洩漏），而造成雷射切除手術中側邊組織之 損傷（因能量洩漏至周邊組織）。 能定期產生超短脈波（脈波寬度S 10微微秒）的雷射之 出現，諸如模式固定型鈦：藍寶石雷射，使得以將激發 作用實質限制於快速方式中，顯著地增進能量輸送至所 需治療標的之效率。該脈波之短暫性，實質上排除另類 光活化與鬆弛作用路徑之競爭，及因此應僅經由所需之 機制而產生經控制的活化作用。例如，Boxer暨其同僚（〇h 等人，Phtochem. Photobiol.第65 期（1997 年）第 91·95 頁）舆 Wachter 暨其同僚（Fisher 等人，Phtochem. Photobiol.第 66 期（1997年）第141-155頁）最近報導光動力治療劑之同步二 、 光子激發作用，前者顯示以補骨脂素為主之制的二光子 光譜性質’而後者顯示對相關劑之二光子激發的光動力 效應。在該二報導中，超短激發脈波之使用，將光活作 用限制於所需之機制，清楚地避免了競爭的機制。 更進一步，Mourou等人（美國專利第5,656，186號）堅其 他人試圖使用超短雷射脈波，俾於雷射切除手術中達成 雷射引發之分解作用（例如Birngruber等人，IEEE J. Quant.

Electron第 23期（1987年）第 1836-1844頁；Stern等人，Arch. Ophthal 第 107期（1989 年）第 587-592 頁；Watanabe 等人， Photochem. Photobiol.第 53 期（1991 年）第 757-762 頁； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ;.1----l·——ί訂---------線！ 經濟部智慧財產局員工消f合作社印製 • I ϋ n I n I ϋ-- 11 A7 -----------迟-- 五、發明說明（9 )

Frederikson等人，Arch. Derm·第 129期（1993年）第 989-993 頁；Zair等人之美國專利第5,618,285號）發現，使用少於10 微微秒之脈波寬度，因將該效應侷限於光激發位址之能 力增強之故，其產生之治療界限顯著細於使用較長脈波 所產生者。Mourou述及由多光子離子化作用所起始之雷 射引發的分解作用，其係因近紅外光與含水組織基質之 非共振相互作用而發生，如第1(e)圖所示。在此，多光子 Pm-Pq間之協調性相互作用，快速地將水提昇通過多個虛 擬態Vm-Vp，直至離子化作用發生（分子能量大於或等於水 的電離勢Sip)。該方法之所以稱作非共振性，係因其並無 蓄意達成（例如為最大化能量吸收作用或激發作用效率）之 容許的第一級（單光子）或多級（二或更多光子）過渡作用。 即使有關多光子光譜可觀的理論或實驗著作以及超短 、 脈波源之廣泛可取得性，發明者發現並無一般應用於治 療用途之超短脈波、多光子方法的報導，該方法涉及專 一性活化内生性（天然存在者）或外生性（由外部提供者）分 子劑，以增強光動力或光物理（切除）結果》如前所說明， 迄今所報導之著作，完全限於二光子方法或以非共振性 雷射引發的二電子分解作用為基礎之非專一性多光子切 除手術。 因此，雖然以在此所引用之著作為例的先前大部份的 著作，清楚地顯示多光子光活化作用之許多有利特性及 使用超短脈波源以達成該光活化作用，然而其未能以符 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製

• ^ ^1 ^1 ^1 ϋ #aJ· I — < n n n n I n n I ϋ ϋ ϋ 1· ϋ I 12 A7 ^ ί) 4 845_Β7_______ 五、發明說明（i〇) 合醫學領域多樣性需求之高度空間控制與效率而達成一 或多個分子劑之專一性光活化作用。更詳細地，似乎並 未教導有關控制標的劑舆物質或攸關治療應用之重要物 理規模的使用或實用方法。 因此，本發明之目標，係提供以高度空間專一性治療 植物或動物組織之方法，該方法具有適應性與多重用途 〇 本發明更進一步之目標’係以多光子光激發作用而提 供該方法》 本發明之另一個目標’係使用來自單一脈波光源之光 與内生性或外生性光活性劑以增強空間專一性與改良該 處理之效率，而提供該方法。

N 本發明之另一個目標係提供該方法，其中相較於目前 . 用以治療植物或動物組織之光波長，其所使用之光波長 大體而言對植物或動物組織之傷害性較小。 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明之另一個目標係提供該方法，其中相較於目前 用以治療植物或動物組織之光波長，其所使用之光較不 易散射或被植物或動物組織吸收。 考量該詳細說明，包括後續之圚與實例，習知技藝者 將可認知本發明之其他目標與優點。 發明之概專說明 本發明係有關使用多光子激發作用，以將特定體積物 質中之分子劑光活化的方法與裝置。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 13 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 404845 B7_ 五、發明說明（11 ) 更詳細地’本發明利用一或多種内生性或外生性治療 劑之非線性光激發作用的獨特物理性質，以經由多光子 光活化方法而改良該劑光活化之空間控制。該多光子光 活化作用係產生自二或多個光子與一或多種内生性或外 生性治療劑之實質同步的相互作用，其中該光子由寬度 約為10微微秒以下之單一超短雷射脈波所提供。就本砵 明而言，較佳該二或多個光子之能量與波長一致，如稱 作簡併型之激發方法。 本發明之多光子光活化方法容許數種治療結果，包括 自一或多種下列作用所產生者：將一或多種劑提昇至較 高的量子力學容許態之電子激發作用；將一或多種劑提 昇至較高的量子力學容許態之振動激發作用；將一或多 種劑提昇至較高的量子力學容許態之電子振動激發作用（ ' 結合振動與電子激發作用）；及一或多種劑之光離子化作 用。自該等激發態终點，使一或多種劑得以促進所需之 治療效應，諸如光動力殺死罹病細胞、組織之變性、或 組織之切除。 相較於習知方法，在此所教導之多光子光活化方法提 供特定之優點’包括降低周邊激發作用與沿著激發路徑 之損傷、降低有害光波長之暴露、降低源自激發劑周圍 環境之吸光度與散射方法的干擾、改良治療深度、改良 治療效率、及增進對激發劑定域與專一性之控制。 本紙張尺度適用+國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） — — — — — — — — — — — — ^ 111-11 1·1 ^ — — — — — — — I— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 14 五、發明說明（12 A7 B7 404845 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 囷式之簡要說明 在敘述較佳實施例時，參照所附之圖式： 第1 (a)-(e)圖說明典型線性與非線性光激發方法之實 例能階圖； 第2(a)-(d)圖說明數個線性與非線性光激發方法之典 型的改良型贾布隆斯基能階圓； ’ 第3(a)-(b)圖說明在同步的二光子激發作用與五光子 激發作用時，血》卜啉-IX(Hp-IX)之一個改良型賈布隆斯基 能階圖實例； 第4圖顯示身為相對的激發脈波能量函數之劑的相對 光化學與光物理反應之比較； 第5圖顯示身為激發能量函數之Indo-Ι的二光子激發 反應與三光子激發反應之比較； 第6圖顯示線性與非線性光激發方法的空間激發性質 之比較； 第7(a)-(b)圈說明用以局部活化存於組織表面或組織 表面以下的劑之空間定域多光子激發作用； 第8(a)-(b)圈顯示均勻地分佈於瓊脂明膠塊之染料分 子香豆素-480之單光子與二光子激發螢光之比較； 第9圖比較當使用單光子激發作用與同步的光子激發 作用時，Hp-IX身為激發波長函數之吸收載面； 第10圈顯示涵蓋自'紫外線至紅外線光譜區域，人類組 織的吸光度與散射光譜實例； 請 先 閲 讀 背 面 之 注 h 頁 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公楚） 15 ^---404&__ A7 五、發明說明（13) 第11圖顯示本發明用於將存於待治療組織之劑專一性 多光子光活化的較佳實施例； 第12圖顯示以聚焦光線進行局部治療之另一實施例； 第13圖顯示以非聚焦光線進行局部治療之另一實施例 f 第14圈顯示以非聚焦光線進行皮下損傷治療之另一實 施例。 目前較佳實施例之详細說明 此述之本發明係利用一或多種内生性或外生性治療剤 之非線性光激發作用的獨特物理性質，以經由多光子光 活化方法而改良該劑光活化之空間控制。”非線性光激發 — 作用”係依本應用之目的’而界定為涉及二或多個光子與 一或多個劑之實質同步的相互作用之該等激發方法。”實 、 質同步的相互作用”係依本應用之目的，而界定為係因一 或多個劑與光子之相互作用而發生之該等激發方法，該 光子由其寬度約為10微微秒以下之單一超短雷射脈波所 提供。因此”多光子光活化作用，，係依本應用之目的，而界 定為因二或多個源自單一超短雷射脈波之光子與一或多 個劑之實質同步的相互作用而發生之非線性光激發作用 ，進而產生一或多個光活化劑。最後，”内生性劑’，係依本 應用之目的，而界定為預先存於病人或其他標的之光活 化物質，諸如各種蛋白質；天然著色劑，如黑色素、血 紅素及胡蘿葡素；水；膠原；及其他光活化物質，如刺 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製

^1 ^1 ^1 ^1 ^1 ^1 ^1 ϋ 1 n ϋ _^i 1 n I I I 4 i n I I I ϋ n n ϋ n 1 n n 1 ϋ n I 16 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 A7 --4048-45-2Z__— 五、發明說明（14) 青染料。”外生性劑”係依本應用之目的，而界定為預先未 存於病人或其他標的之光活化物質，諸如施用以增加將 光能轉換進入治療方法之效率的各種光動力劑或光活化 劑。 該多光子光活化作用之結果，可能包括一或多個下列 作用：將一或多種劑提昇至較高的量子力學容許態之電 子激發作用；將一或多種劑提昇至較高的量子力學容許 態之振動激發作用；將一或多種劑提昇至較高的量子力 學容許態之電子振動激發作用（結合振動與電子激發作用） ;及一或多種劑之光離子化作用。自該等激發態終點， 使一或多種劑得以促進所需之治療效應，諸如光動力殺 死罹病細胞、組織之變性或組織之切除。 在光活化治療劑與其他劑時，本發明之非線性光激發 、 作用具有額外的之優點，包括降低周邊激發作用舆沿著 激發路徑之損傷、降低有害光波長之暴露、降低源自激 發劑周圍環境之吸光度與散射作用的干擾、及增進對激 發劑定域與專一性之控制。用於本發明之非線性光激發 作用，提供治療許多疾病之較佳方法。用以達成該治療 結果之多光子光活化方法與裝置之基本構形，述於歸屬 於本發明受讓人之美國專利申請第08/739,801號，及其發 明者與本發明相同。美國專利申請第〇8/739 8〇1號於1996 年10月30曰提出，及在此全部併’入本案以為參考資料。 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） — — — — — — — — — — — —^ - — — III — — — — — — — — — — — II ^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁> 17 A7

五、發明說明（is) 多光子光活化作用之能階槿<: 就一方面而言，本發明在本揭露内容中係教導使用多 光子方法，以高度的空間控制而專一與有效率地光活化 一或多種治療劑。該專一性光活化作用之達成，係藉由 善用非線性光激發作用之特性的方式，而將一劑自一個 分子能態提昇至另一個分子能態。為完全瞭解該方法乏 顯著特性，在此建立多光子光活化作用之概念模式。此 係經由使用代表案例之能階圖而便利地完成β 第2(a)-(b)圖說明數個線性與非線性光激發方法之典 型的改良型賈布隆斯基能階圖。 第2(a)圖說明當一劑吸收由單光子p與該劑之相互作 用所提供的特定能量E1，而自起始量子力學容許態$(其 一般為基態）激發至最終量子力學容許態$£時，發生單光 子激發作用（20)。可能有數個不同的容許終態。各容許態 可進一步細分為不同亞態之組合，如重疊於一特定電子 態之各種振動態。因此，各個容許態31與3£可構成容許態 之複合帶’其反應該劑與其局部環境之基本性質。在光 動力治療劑之情況，將該劑自Si提昇至Sf可起始各種治療 反應，包括局部性生產細胞毒性物種，諸如單電鍵氣。 k 一實例而言，血卟啉-IX(Hp-IX)劑在吸收來自4〇〇 nm之 單光子能量時’將產生單電鍵氧。在單光子激發作用（2〇) 中’激發作用之可能性與入射光輻射之輻照量呈線性相 關，因此單光子激發作用（20)係稱作線性激發方法。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 • 1 at- -n ϋ n n n I I , 18 A7

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（l6) 在第2(b)ffl中，當光活性劑吸收由二光子卩1與？2以及 該劑之同步相互作用所提供的特定能量E,，而自起始量子 力學容許態Si激發至最终量子力學容許態Sf時，發生同步 二光子激發作用（22)。就後述之所有實例而言，將假定涉 及激發作用之二（或更多）光子具有相同的的能量與波長， 即因此該激發方法被稱作簡併型。一旦該劑被提昇至最 終量子力學容許態Sf時，其光化學性質將與單光子激發作 用（20)中所產生者相同。二光子之同步相互作用通常被敘 述為其間存在一個生命週期約10毫微微秒（fs)或更短之過 渡虛擬態»若二光子在該虛擬態之生命週期中未與該 劑相互作用，將不會發生激發作用，而該劑亦將返回至 容許態Si。因虛擬態乂1非常短的生命週期，射入激發光之 瞬時輻照量或Wm·2必須夠高，才能在虚擬能態Vi進行鬆 弛作用而返回至8丨之前，產生顦著的第二光子吸收效率。 因此，一般使用具有非常高的峰值功率之脈波激發源， 以有效率地刺激該作用；該等來源通常為較佳，因其能 夠在虛擬態V〗短暫的生命週期中，提供激發劑大量的光 子。 同步的二光子激發作用（22)之一個實例，係經由在800 nm的二個光子之同步吸收作用，而促進自Ηρ_ιχ產生單電 鍵氧。在該實例中，激發作用之可能性與第一光子匕及第 二光子I*2之瞬時輻照量的產物相關β其能以光化學反應之 形式而加以概念化， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） — — — — — — II — 111' νΑ· — — —-^· — IL ^^ · — 111111 I I y (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁> 19 404845 五、發明說明（Π) 劑基S +2hV8〇〇nm ~^劑 u 其顧示在同步吸收二個各位於800 nm之光子，hv8e() nm ，之後，位於基態之劑被提昇至激態。反應速率由R = k[ 劑基懇][hV8〇0nm]2而得，其中k為該劑之本質反應速率常數 ，及其中[劑|β]與[hV8〇〇 nJ分別代表基態劑分子與激發光 子之濃度。因此，因對瞬時輻照量之二次關係，同步的 二光子激發作用（22)被稱作非線性激發方法。 在第2(c)ffl中，當光活性劑吸收由三光子P/、P2’與P3’ 以及該劑之同步相互作用所提供的特定能fEi，而自起始 量子力學容許態Si激發至最終量子力學容許態Sf時，發生 同步的三光子激發作用（24)。三光子之同步相互作用通常 被敘述為其間存在二個過渡虛擬態V!’與V2’，各具有約1〇 毫微微秒（fs)或更短之生命週期。若所有三光子在該等生 、 命週期中未與該劑相互作用，將不會發生激發作用，而 該劑亦將返回至S〆因虛擬態乂!’與V2’非常短的生命週期 ，射入激發光之瞬時輻照量必須夠高，才能在該劑進行 鬆弛作用而返回至Sj之前，產生顯著的第二光子卩2，與第 三光子P3,之吸收效率。同步的三光子激發作用（24)之一 個實例’係經由位於1200 nm之三個光子的同步吸收作用 ，而促進自HP-IX產生單電鍵氧。在該實例中，激發作用 之可能性與第一光子，、第二光子P/及第三光子p3’之瞬 時輻照量的產物相關》其能以光化學反應之形式而·加以 概念化， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 ^ ·111111! ·11111111 I \ <11111111111111111 — — — — — -20 - A7 B7 iMUs. 五、發明說明（18 ) 劑基懇+ 3hvi2〇〇 劑 激觴 nm (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 其顯示在同步吸收三個各位於1200 nm之光子，hv120() 之後，位於基態之劑被提昇至激態。反應速率由R=5k [劑基》] [hVl20〇nm]3而得’其中[hv丨2〇〇nm]代表激發光子之淚 度。因此，因對瞬時輻照量之立方相關性，同步的三光 子激發作用（24)亦被稱作非線性激發方法。 ， 經濟部智慧財產局貝Η消费合作社印製 η 在第2(d) ®中，當光活性劑吸收由二或多個光子與該 劑之同步相互作用所提供的特定能fEl，而自起始量子力 學容許態Si激發至最终量子力學容許態\時，發生同步的 多光子激發作用（26)。一旦該劑被提昇至最终量子力學容 許態Sf，其光化學性質舆單光子激發作用（20)所產生者相 同。二或多個光子之同步相互作用通常被敘述為其間存 在對應多數的一或多個過渡虛擬態，各具有約10毫微微 秒（fs)或更短之生命週期。若所有光子在該等生命週期中 未與該劑相互作用，將不會發生激發作用，而該劑亦將 返回至S〆因虚擬態非常短的生命週期，射入激發光之瞬 時輻照量必須夠高，才能在該劑進行鬆弛作用而返回至Si 之前，產生所有光子之顯著吸收效率。同步的多光子激 發作用（26)之一個實例，係經由在（400*n) nm波長（λ)的 個光子之同步吸收作用（例如，若n = 2，λ == 800 nm ;若η = 3 ’ λ = 1200 nm ;及在η匕2之情況下依此類推），而促進 自HP-IX產生單電鍵氧。在該實例中，激發作用之可能性 與η個光子之瞬時輻照量的產物相關。其能以光化學反應 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 21 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 40484ϋ--- 五、發明說明（19 ) 之形式而加以概念化， 劑基* +nhv ~"卜劑激》 其顯示在同步吸收η個光子之後，基態之劑被提昇至 激態。反應速率由R = k [劑基思][hv]n而得，其中[hv]代表 η個激發光子之濃度。因此，因對瞬時輻照量之非線性相 關性，同步的多光子激發作用（26)亦被稱作非線性激發方 法。 較上述更一般性之多光子激發作用的定義，僅需二或 多個光子以實質同步之方式與一或多個劑相互作用，例 如發生於寬度約10微微秒以下之單一超短雷射脈波的任 何相互作用。在該限制之下，光與一或多個劑之相互作 用必須以快速方式發生，實質限制（與定域）對諸如該劑之 電子激發作用或光離子化作用之分子内方法的直接光活 、 化效應。在該激發作用期間，未發生顯著的耗時或實質 的分子重組或移動，及在傳統可觀察之參考範圍，將於 實質單一、協調之步称發生一或多個劑中因此受影举之 過渡狀態。有關多光子激發作用的性質與所產生治療劑 之多光子光活化作用之後續敘述中，應使用該種較一般 性之定義。 除參照第2圖所示之光化學方法與能量圈之特定實例 之外，許多其他之過渡與能階條件亦屬可能，其依數個 劑而定，包括分子系統之特性、其環境、及所吸收與所 釋出能量形式之特定能量，以及其時間與空間相關性。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先W讀背面之注意事項再填寫本頁)

^ · I I I I I I l· ·1111111 < i -- ---- - - - - - - - I 1!—— — — — I I 22 A7 404845_B? 五、發明說明（20 ) A子能詈輿皭時輻照量於多光子糸活化柞闲中扮演之声

Li 就前述實例而言，一旦一劑在吸收一特定量的能量 而被提昇至最终量子力學容許態Sf，無論所用之提昇方法 為何，其將具有相同的光化學性質。該等性質將由激發 劑之本質性質及其環境所決定》所得的特定最终能態Sf，， 將由送至該分子之總能量Ei之量所決定。因此，最终將由 之量決定該劑在抵達Sf時之光化學或光物理性質。 例如，第3(a)圖顯示以相當於3.1 eV之總吸收光能 (^(E!係依E! = 2 hv之關係式計算，其中代表二個光子 Pn之結合能量，各光子之波長為800 nm而能量為1.55 eV) ，進行同步的二光子激發作用（30)之一種劑，諸如Hp-IX 。該劑將受刺激而依R + 2hv- R*之反應，自其激發態 、 進行單電鍵氧之光動力生產（其中R為未激發或基態劑，. 及R*為反應性激發劑）。 第3(b)圖說明以相當於7.8 eV之總吸收光能（E〆），進 行同步的五光子激發作用（32)之該相同劑。’係依E，= 5 hv之關係式計算，其中E,’代表五個波長為800 nm之光子 Pn’的結合能量。依厌+ 5hv —我+ + e·之反應而將該劑光 離子化（其中R+為劑之離子化形式，及e_為光離子化期間 自該劑移除之電子）。 因此，第3(a)-(b)圈說明如何藉由適宜地選擇特定光 子能量與瞬時輻照量，而控制一特定劑激發作用之光化 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） f11先閱鲭背面之注意事項再填窵本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 I I ^1 ϋ an n^OJ· ϋ I ϋ I 4 < I n IK n n n ϋ .n I 1 n n u n ' 23 A7 A7 Β7 -- 五、發明說明（Μ ) 學與光物理結果，以達成所需之成果（諸如光動力方法或 光離子化作用）。 更廣泛而言，藉由改變送至劑之瞬時輻照量（在_特 定光子能量下），可依E= n hv之關係式，其中!!為所吸收 之光子數目，而改變激發態之能量。當能量增加時，例 如藉由増加雷射激發源之脈波能董，可將光與該劑相互 作用之治療性結果，自實質光化學方法移轉至實質光物 理方法’如第4圖所圖示者》在較低之脈波能量，例如在 200毫微微秒脈波之輪送小於1〇 nj，光化學激發作用（42) 典型地主要為經由四或更多光子之方法。在中等之脈波 能量’則可能取得混合之結果（部份為光化學，部份為光 物理性質，諸如熱變性或高度定域化之凝結作用）β因此 本發明多光子方法之使用，容許治療方法在光動力方式 與切除方式間移轉。 多光子光活化作用中之非線性關榣： 一旦一劑被提昇至激發態，可發生多種物理或化學 作用，包括光子發光，光化學轉變作用，諸如異構化作 用、氧化作用或聚合作用、或光離子化作用。該劑最終 之流布，將由基態及其環境之基本性質決定。當使用超 短脈波激發方法時，用於將該劑提昇至激發態之機制， 對其流布並無顯著的影響，因激發方法本身並不直接影 牢激發劑或其環境之後續性質。 因此’可經由檢視身為激發能量（其與瞬時輻照量直 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

· ϋ I I n I ϋ I-i-rej· I I ϋ I ϋ ϋ ϋ I I s 1 - - - - -- - - - - i I I I I n I I I I - - I 24 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 404^^5_B7 --- 五、發明說明（22 ) 接相關）函數之一或多個該等反應，而隨即評估於一特定 劑使用多光子激發作用之可行性。藉由測董該劑在數個 激發能量之反應，可藉由將log1()(反應）相對l〇glc(能量）繪 圚，而確認成功的多光子激發作用。此應產生斜率為η之 直線，其中η為在特定測試條件下該劑所吸收之光子數目 。此隨即以螢光探針劑Indo-Ι說明，其在300與400nm間 之光照下，展現強烈的單光子激發作用（在500 nm释出螢 光）。該劑當以810 nm之聚焦光照射，及如第5圖所示地將 l〇g10(螢光訊號）相對logi。(平均能量）繪圖時，觀察到二光 子激發反應（50)(斜率m=1.96，相關係數R2= 0.99994) »聚 焦光如以模式固定型鈦：藍寶石雷射所產生約200毫微微 秒脈波之76 MHz重複頻率系列組成的光束。當在910 nm 進行類似的測試時，Indo-1展現身為雷射能量函數之三光 . 子激發反應（52)(斜率m=2.97，R2= 0.991)。相較之下，在 該等波長僅展現二光子反應之螢光劑香豆素-540A，在810 nm與910 nm之斜率分別為2.01與2.00。在該等波長，若雷 射光非脈波，則多光子訊號完全消失，而確認所觀察到 的反應係因多光子激發作用而起（因在該等波長，非脈波 雷射光束未提供足以支撐與該等劑的多光子方法之瞬時 輻照量）。 另外’多光子方法之激發截面一般因一特定轉變所 需光子數目之增加而減少。例如，用於任一劑之特定轉 換之三光子截面，一般小於相同轉換之對應的二光子截 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-IN · n ϋ ^aJ n I —气 y ϋ I I d I 1· n n n ϋ n I 25 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（23 ) 面。此係至少部份因為一特定多光子方法中所需之所有 光子’以實質同步的方式與該劑相互作用之可能性降低 。此於一特定平均激發能量比較Indo-Ι(第5圚）之二光子激 發反應（50)舆三光子激發反應（52)時，明顯可見。然而， 因二光子方法之斜率比'一光子方法大’相對截面之差異 可藉由增加激發光之瞬時輻煦量，例如藉由降低一特.定 平均激發能量之光束脈波寬度，或藉由增加脈波能量（例 如藉由使用擴展光源，諸如再生式擴展型欽：藍寶石雷 射或線性調頻脈波式擴展型钕：YAG雷射），而加以改善 。後一锢措施可能改變光物理與光化學方法之相對比例 ’然而，如第4圖所說明’可能在一些情況下變為不利。 事實上，此係在非常高的脈波能量時，其需要非常大量 的光子及因此僅在極高的瞬時輻照量如當脈波能量極高 、時始能觀察到，光離子化作用與切除作用發生之源。相 同地，若過度地減少脈波寬度，欲增加多光子激發產量 的前一個措施可能失敗，因激發脈波所產生之光頻帶宽 度可能變得太寬，而顯著降低在該劑反應波長之強度。 例如，若脈波寬度降至10毫微微秒以下，光帶宽可能超 過100 nm，光束能量分散之波長範圍太寬，而無法有效 地刺激一特定的轉換。 多光子光活化.作用之空間性醤： 因多光子光活化作用與瞬時輻照量為非線性之關係 ，該方法在空間激發性質方面，展現與線性激發方法一 本纸張尺度過用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁>

1· ·1· n^eJt n n n I i i 1 n n n n I n n n n n n I 26 ------_B7 五、發明說明（24 ) / 個重要與顯著的差異。例如，如第6圖所示，若將雷射光 束聚焦於一個物質中，將產生依通過試樣之距離函數而 異的光束強度分佈（60)，其中如高斯光學理論所預測地在 焦點中心達到最大量。就單光子方法而言，光束強度（或 瞬時輻照量）與激發效率間之線性關係，產生遵循光束強 度分佈（60)之單一光子激發效率分佈（62)。相反地，就•多 光子方法而言’光束強度（或瞬時輻照量）與激發效率（諸 如對二或三光子方法而言分別為對^或沪之比例，其中工為 試樣中任何位置之瞬時輻照董）間之非線性關係，造成激 發效率分佈（62)顯著地比光束強度分佈（60)陡峭。因此， 當使用多光子激發作用時，可利用該激發作用之定域作 用’以顯著限制於小的聚焦區域之激發程度。相反地， 當使用線性激發作用時’激發作用實質上沿著整個光的 、 路徑發生’使得激發作用之空間定域顯著地較不明確。 該空間定域作用可在透明基質諸如眼睛，或光密集基質 諸如皮膚組織觀察到》因此，空間定域之多光子激發作 用，可用以局部活化存於組織表面（70)或組織表面以下（72) 之劑’如第7(a)圓與第7(b)圓之實例分別所示。 第8(a)圖與第8(b)圊顯示光密集基質中局部、遠距光 活化反應之刺激作用。第8(a)圖顯示一個瓊脂明膠固體塊 狀物之照片，其中染料分子香豆素-480均勻分佈其間》第 8(b)圖係第8(a)圊照片之繪圊。瓊脂明膠（80)構成一個光 密集基質，因其強烈地散射可見光。當經由350-450 nm單 本紙張尺度適用中國國家標準（CNSM4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -I n n I , 27 A7 B7 五、發明說明（25 ) 光子方法激發或當經由700-900 nm二光子方法激發時，香 豆素-480發出藍色螢光。 在該實例中，將光束（82)自一側聚焦進入瓊脂明谬(8〇) 中’使得在約深入明膠2公分之處形成焦點。更詳細地， 以光束擴展望遠鏡將可見光（在400 nm)或近紅外線光（在 730 nm，來自模式固定型鈦：藍寶石雷射）之光束（82)鉍 展’以產生直徑約50毫米之平行光束。雷射於76 MHz之 脈波重複頻率，產生730 nm光小於200毫微微秒脈波之連 續系列。然後以250毫米之焦距（f. 1.)，50毫米雙凸單一鏡 頭，將擴展的光束聚焦進入瓊脂明膠（80)中。然後將瓊脂 明膠（80)定位，使得該250毫米焦距的鏡頭之焦點（84)落於 深入瓊脂明膠（80)2公分之處。現在，自光束（82)所界定之 光軸上方直接望入瓊脂明膠（80)之觀點，第8(a)圖與第8(b) 、 圖清楚顯示來自香豆素-480之螢光僅在近紅外線光束（86) 焦點受刺激而釋出，但卻沿著可見光束（88)之整個行進路 線釋出。更進一步，大部份的近紅外線光束（90)持續通過 瓊脂明膠（80)之整個厚度而且僅稍微衰減，而可見光束（92) 在橫越瓊脂明膠（80)三分之一的厚度之前即完全消失。 第8(a)圖與第8(b)圊中所觀察到的特性，明顯地說明 多光子激發作用可達成之空間定域作用，以及相對於較 短波長之光，近紅外線光在光密集基質（諸如瓊脂明膠（80) 或人類或動物組織）中廣泛改良穿透作用。因多光子激發 作用效率與瞬時輻照量間之非線性關係，在焦點前後沿 本紙張尺度適用_國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

-n n n _ 一sOJ· -I n ϋ 1 I ^ r 1 n n I n ϋ ϋ ϋ n ϋ I n n I at n I 28 404845 Al *" - — ___——— 五、發明說明（26 ) 著光束路徑之該劑的刺激作用相當微小β因此，在聚焦 區域之外’很少或並無發生附隨的光活化作用β同時， 因明膠僅微弱地吸收或散射近紅外線激發光，在進入塊 狀物深層之穿透深度後仍維持明確的焦點（事實上，藉由 沿著光軸移動明膠，在整個8公分厚的明膠皆可達成明確 的焦點）。因第8(a)圓與第8(b)圖中所銳察到之焦點銳度裱 由高斯光學性質所決定，可藉由改變光束處理所用之光 學參數而輕易地調整焦距區域之長度。 當用於激發作用之光子數目增加時，第6圖所示及第 8(a)圖與第8(b)圖中所應證之多光子光激發效率分佈（64) ，將變得更緊密。因此，三光子激發作用提供之空間定 域作用將比二光子激發作用等可能提供者更形緊密。此 係表示可最佳化多光子級數（用於一特定激發作用之光子 -數目），以配合對該標的所產生之聚焦區域的空間性質。 例如，可藉由使用三光子激發作用而緊縮聚焦區域之厚 度，以最佳化組織表面（70)之該劑專一性活化作用，如第 7(a)圖所示。 光活化作用除了以量子力學為主之空間定域作用之 外，以超短脈波激發作用達成之多光子光活化作用，可 避免激發作用期間自標的位址之顯著能董泡漏，進一步 揭限該激發作用之效應。例如，在同步的二光子或三光 子激發作用之情況’在超短脈波激發作用期間並不可能 發生分子重組或轉譯作用，因此所吸收之所有激發能量 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) • ϋ 1 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -ϋ n n iw I n n ϋ n n - 29 A7 B7 五、發明說明（27 ) 皆可用以活化一或多個光活化劑中所需之移轉作用。類 似地，自多光子光激發作用產生之切除作用中，在與超 短激發脈波相當之時間期程間，無法發生激發能源自標 的位址之熱溢漏。因此，存在於該脈波之所有能量皆可 用以活化所需之移轉作用’諸如用以引發切除之光離子 化作用。此有助於將存於標的區域之劑以非常快速、•高 度局部化、及有效率地方式光離子化，使得在能量溢漏 至周圍基質之前將該活化劑快速切除，因此進一步有助 於光活化方法之空間定域作用。 i光子光活化作用之空間反應性皙： 就單光子舆多光子激發作用而言，除了空間激發性 質之顯著差異之外’有關身為波長函數之激發效率的選 擇規則’亦非常不同。然而，毋論用以將一劑提昇至該 、 特定激發態之激發機制為何，所達之特定激發態的性質 將為相同。 第9圖提供一個實例，其顯示當使用傳統單光子激發 作用（94)與同步的二光子激發作用（96)時，比較甲醇中 Hp-IX之身為激發波長函數的相對吸收截面。另外，亦依 業已除以2之波長尺度（98)繪製同步的二光子激發作用（96) 之數據，以反映同步的二光子激發作用在能量方面，係 相當於其能I為二光子中各光子能量二倍之單光子吸收 作用（或一半之波長）^依一半波長尺度（98)繪製之單光子 激發作用（94)與同步的二光子激發作用（96)相對截面積之 本紙張尺度過用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消货合作社印4,1农 n n ϋ )aJ I 1· I 4. i n n n n n n n I n n n n n I ϋ 30 A7 ___404845_b7_____ i、發明說明（28 ) 比較，顯示身為波長函數之顯著差異。詳細地，在單光 子激發作用（94)中顯著的明顯Sorrett帶（100) ’在同步的二 光子激發作用（96)或（98)中並不存在，因其為量子力學所 不容許者。 該差異係歸因於依激發作用所用機制而定之特定分 子移轉的選擇規則差異，及基於多光子選擇規則之差莫 而適用以最佳化激發作用之效率與專一性。一般而言， 就中央對稱型劑（具有逆轉中心者）而言，使用雙數光子之 激光方法（諸如二光子激光作用），必須將該剤自其起始態 提昇至一個具有相同之電子激發態。此與使用奇數光子 之激光方法（諸如單光子激光作用）的選擇規則正好相反， 及係造成第9圖所觀察到Hp-IX之Sorrett帶（100)之差異。 相反地，對稱性小或不對稱之劑，毋論其激發作用中所 、 用之光子數目，一般具有相同的選擇規則。因此，就中 央對稱型剤而言，一般較佳仔細地測定身為波長函數之 多光子光譜反應’以決定最佳激發作用波長，就非中央 對稱型劑而言，一般可用單光子激發光譜以估計身為波 長函數之多光子光譜反應β 多JL予光活化作用中組埤明光庶輿散射性皙之會車柹： 雖然多光子激發作用之截面可能顯著地低於以單光 子激發作用所得者，在許多條件下，多光子方法之使用 可能優於傳統的激發方法，因基質於較長波長光輻射下 較低之吸收作用與散射。例如，第1〇圖顯示涵蓋紫外線 本紙張尺度過用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公笼y (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 in.---Γ ^--II--11^ I ' ill-------I----------^___ 31 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 --4MM5----- 五、發明說明（29 ) 與紅外線光譜區之典型的組織吸光度與散射性質。自第1〇 圖清楚可得數個結論。 首先’使用較長波長之光，可降低相對的散射效應 ’進而改良光的穿透深度。因此，以多光子方法取代傳 統、單光子方法，在輸送活化光至存於組織中之劑時， 可降低散射效應。例如，使用於700 nm之二光子激發奸 用或於1050 nm之三光子激發作用，以活化一般於35〇 nm 光活化之紫外線-活化PDT劑諸如補骨脂素，將分別降低 700 nm與1050 nm光之散射約1〇〇倍至2000倍。 第二’藉由在約自700 nm延伸至1300 nm之所謂的組 織傳導範圍中使用較長波長光如近紅外線光，而廣泛地 降低來自組織吸光度之干擾，該吸光度可降低活化光之 穿透作用，及造成所需治療位址外之周邊組織傷害。因 、 此，以多光子方法取代傳統、單光子方法，在輸送活化 光至存於組織中之劑時，通常可降低組織吸收之效應。 例如’使用於700 nm之二光子激發作用或於1050 nm之三 光子激發作用，以活化一般於350 nm光活化之紫外線-活 化PDT劑諸如補骨脂素，將分別降低黑變病組織中700 nm 與1050 nm光之吸光度約70倍至2000倍，及分別降低非黑 變病組織中700 nm與1050 nm光之吸光度約260倍至3500 倍。因此，經由多光子方法之使用，促使一劑之深層組 織應用變成可行，其中該劑之特徵在於單光子激發波長 與高組織吸收之光譜區重疊。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公藿） n I ·1 I 1 V · n n ι ϋ 1· n 1^eJ· i_i ϋ Bi I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -32 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制^ A7 __B7_ Ϊ04845 ~ 五、發明說明（3〇 ) 散射與組織吸光度之降低，使能以多光子方法有效 率地促成空間局部化之激發作用，如第7與第8圖所示， 因其顯著地降低基質之干擾作用。更進一步，組織散射 與吸光度之降低造成多光子光活化作用額外的安全優點 。例如，當紫外線光撞打人類組織時，大部份的光能將 立即吸收與散射於最外層，諸如表皮或真皮。因該組蛱 細胞中之一些分子，諸如構成細胞核中遺傳物質者，之 激發作用，可能發生吸收作用。細胞組成物吸收高能量 光’可進而起始該等細胞中之多種周邊光化學變化，包 括不可回復之遺傳損害與癌症之誘發作用。相反地，用 於二光子或三光子方法中之近紅外線光，未被組織以可 察覺的程度散射或吸收，及因此顯著降低對細胞造成附 帶損傷之可能性。 ' 用於多光子光活化作用之激發波長的選擇： 前述有關組織性質於多光子活化作用整體效率方面 所扮演角色之討論，顯示一個同等重要之觀點：可選擇 多光子方法之級數（用於激發作用之光子數目），以同步最 佳化一或多個所需光活化劑之激發波長與組織之傳導性 質。詳細地，為活化一或多個外生性光活化劑，一般需 要選擇特定的多光子方法，其容許以基質（諸如組織）傳導 區之光進行激發作用’及其在所需外生性劑或劑之光活 化方面具有效率。類似地，為活化一或多個内生性光活 化劑’ 一般需要選擇特定的多光子方法，其容許以基質（ 本紙張尺度適用中1國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 表· — 1 I !·1 訂.！-線| 33 A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 —-404845--包___ 五、發明說明（31 ) 諸如組織）傳導區之光進行激發作用，及其在所需内生性 劑或劑之光活化方面具有效率。在待治療組織之主要組 成成份由一或多個内生性劑構成之情況下，多光子方法 之適宜選擇，一般將促成該劑即使在皮下部位之空間定 域的光活化作用（因可將來自活化光的直接、線性吸收之 干擾降至最低）。此由第8(a)圖與第8(b)囷清楚地說明，其 中顯示該劑（86)在試樣深層之專一性活化作用，及經由其 而均一地分佈於該試樣中。相反地，傳統的活化方法所 產生之該劑活化作用（88)並非空間侷限的，及因該劑沿著 光路徑吸收該活化光而造成在該深度之效率不良β 因此’以非黑變病組織中補骨脂素之活化作用，作 為選擇多光子方法級數以最佳化光活化效率與組織傳導 性質之實例。在該實例中，相對於對應的三光子截面之 " 補骨脂素的大的二光子截面，使能利用於700 nm之二光 子激發作用而得有效率的補骨脂素光活化作用，及相較 於350 nm之單光子激發作用’其組織吸光度約降低260倍 。作為另類的實例，黑變病組織中補骨脂素之活化作用 提供更進一步之說明。在該實例中，黑色素大量吸收7〇〇 nm光乙節顯示，就避免基質干擾而言較佳使用較長之波 長，因此於1050 nm之補骨脂素之三光子活化作用為最佳 ，相較於700 nm其於1050 nm光之組織吸光度約降低15倍 ，及相較於350 nm其於1050 nm光之組織吸光度約降低 3500倍。 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 丨 — — l!'^i_!!l 訂 ---線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 34 A7 A7 B7 —_4MM& 五、發明說明（32 ) 應瞭解一般而言多光子激發作用之最佳波長介於5〇〇 nm與4000 nm之間，因在此帶之組織傳導性質較有利。更 進一步，特定多光子方法級數之選擇，係促使該項操作 以所需的光化學/光物理方式進行，如第4圈所示。例如， 若光化學方法諸如PDT係所需之治療結果，因來自光物理 方法之濟在干擾作用而需要非常高脈波能量之高級數方 法，將非較佳。 多光子光活化作用之激發源 特定多光子激發方法之截面，同常比產生與多光子 方法相同活化態之相當的單光子激發方法小數倍。此係 因二或多個光子以實質同步的方式與一劑相互作用之可 能性較低。然而，能提供高瞬時輻照量之光激發源之可 取得性，諸如模式固定雷射（包括鈦：藍寶石雷射與斂： YAG雷射）及擴展型模式固定雷射（包括再生式擴展型欽： 藍寶石雷射或線性調頻脈波式擴展型鈥：YAG雷射），可 藉由增加瞬時輻照量與進而大幅地增加多光子激發作用 之有效效率’而顯著地改善該低效率之影響。該雷射一 般以中等平均能量（自1 mw至1 〇 w)，以高脈波重複頻率（ 自1 kHz至100 MHz)，提供超短脈波輸出（脈波寬度自10毫 微微秒至10微微秒）。該輸出性質促進專一、有效率之多 光子光活化作用’因所得之高瞬時輻照量可刺激多光子 方法，同時短波寬度與中等的平均能量可將不利地洩漏 至周圍基質之能量降至最低。例如，當使用連續波激發 本紙張尺度過用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

'衣— — — — — — I— _I6J« — — — — — —I — I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 35 A7 B7 404845 i '發明說明（33 ) 作用時’用於一特定劑之三光子激發作用之效率，可能 比單一光子激發作用可達成者小107之因子以上。然而， 若該相同的平均光能以超短脈波系列形式釋出，瞬時與 平均輻照量產生之轉移作用可改變該比例，使其接近一 致。該超短脈波激發作用之特性，促可達成顯著的改良 ，而毋需伴隨著周邊損傷之增加。 . 注意到能釋出較低能量脈波之來源（諸如模式固定型 欽：藍寶石雷射，一般之脈波能量介於1_1〇 nj)，最適於 在聚焦照射條件下使用二或多光子之劑（諸如PDT)光化學 活化作用’而能釋出較高能量脈波之來源（諸如再生式放 大型鈦：藍寶石雷射，一般之脈波能量介於#)，最 適於在聚焦照射條件下使用二或多光子之劑（諸如切除作 用）光物理活化作用。該等相同的高脈波能量來源，亦最 適於在非聚焦照射條件下使用二或多光子之劑（諸如PDT) 光化學活化作用，例如以大面積或在大體積組織内活化 劑。 男_步二光子激瘀作用之治痪龐用： 前述之討論顯示，組織與細胞組成物對紫外線與可 見光及近紅外線與紅外線吸光度之基本差異，加上多光 子激發作用之特殊非線性性質，應可直接應用於疾病治 療方法之改良’特別在PDT、專一性組織變性作用及雷射 手術之領域。 pDT使用光能，以光活化投予患病組織之劑。該等 本紙張尺/艾適用中國圉家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) %---— — — — — 訂-1 ----丨 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 t n n n n I I n n n ϋ n 1· n n- 36 404845 五、發明說明（34 ) 之投藥方式，一般為直接至患病組織之局部施用或經由 系統性投藥。在理想條件下，PDT劑將分佈進入該患病組 織中，或濃缩於其上或其中。在投予PDT劑之後，以光照 激發PDT劑之光化學變化，以產生治療效果。該等光化學 變化一般將導致局部終止細胞之增生作用或損傷部位之 細胞壞死。本發明所教導之多光子光活化方法，當用以 活化PDT劑時’相較於傳統的光活化方法，可改良活化光 至深層治療區之穿透作用，可改良治療之定域作用，及 降低周邊損傷之可能性》該方法與現存之PDT劑以及新類 型的光活化PDT劑相容。詳細地，相較於傳統方法所達成 者’本發明得以改良任何PDT劑光活化作用之定域作用， 及顯著地降低損傷周邊组織之可能性。

當光穿透深度之控制並非關鍵時，可使用非聚焦之 ' 超短脈波光’以刺激存於相當大照射面積或體積中之PDT 劑的多光子光活化作用。在該情況下，PDT劑光活化之程 度，係以變化暴露於光之位置、輻照量與期間而加以控 制。 當治療應用的光穿透深度或體積之精密控制係屬關 鍵時’可使用聚焦之超短脈波光以刺激多光子光活化作 用。在該情況下，PDT劑光活化之程度，係以控制光束輻 照量、暴露期間、及聚焦程度而加以調節。更進一步， 以近紅外線輻射及併用聚焦多光子激發作用可能達成之 光活化的定域作用，提供皮下損傷中之PDT劑的光活化方 本紙張尺度遇用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先w讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 n I en n ϋ ϋ 1— I n n I ^1. ^ia· 11 n n n .^1 n n I n n ϋ n 37 A7 B7 i、發明說明（35 ) 法，而不致於傷害其上或其下之健康組織β 組織變性係產生自内生性或外生性劑快速加熱之局 部性、組合光化學與光物理之作用β該加熱作用係於一 或多個内生性或外生性劑（諸如血液）吸收光能時，瞬時光 能轉變成熱能而產生。變性作用可造成該劑或周圍組織 體積的改變（諸如角膜幹細胞之收缩或擴張），物理性質k 改變（諸如齿釉質之硬化），或聚合作用之起始（諸如血液 之凝結）》本發明所教導之多光子光活化方法，當用以活 化反應性劑時，可改良對於該變性作用位址之控制，此 係當以超短脈波激發作用刺激而得該反應時，可降低活 化能量喪失到周邊組織之故。詳細地，本發明可改良反 應性劑光活化之定域作用，同時相較於傳統方法可能造 成者而顯著地降低對周邊組織之潛在傷害。 、 當光穿透深度之控制並非關鍵時，可使用非聚焦之 超短脈波光，以刺激存於相當大的照射面積中之劑的多 光子光活化作用。在該情況下，該劑光活化之程度，係 以變化暴露於光束之位置、輻照量與期間而加以控制。 當治療應用的光穿透深度或體積之精密控制係屬較 關鍵時，可使用聚焦之超短脈波光以刺激光活化作用。 在該情況下，該劑光活化之程度，係藉由控制光束輻照 量、暴露期間、及聚焦程度而加以調節。更進一步，以 近紅外線輻射及併用聚焦多光子激發作用可能達成之光 活化的定域作用，提供皮下反應性劑的光活化方法’而 本紙狀度綱中關家鮮（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) I n t ·1 一-eJ ϋ ϋ ϋ I I、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 38 A7 A7 B7 綱84& 五、發明說明（36 ) 不致於傷害其上或其下之健康組織。該特性適用於各種 非侵入性治療方法，諸如藉由局部改良角膜幹細胞體積 而達成之折射性視力校正》 切除作用係由内生性或外生性劑的光離子化作用所 起始之局部光化學與光物理方法。當小的聚焦體積内所 含的多個劑分子以實質同步的方式光離子化時，可發生 該劑激烈的局部擴張作用，而造成自該聚焦體積排除物 質。該切除性排除作用適用於多種手術應用，包括皮膚 表面處理與表面角膜整型。本發明所教導之多光子光活 化方法，當用以活化反應性劑時，可改良該劑激發作用 之效率以及增進對於該切除作用位址之控制。後者之特 性，係當以超短脈波激發作用刺激該反應時，降低活化 能量喪失到周邊組織之故。詳細地，本發明可改良反應 、 性劑光活化之定域作用，同時相較於傳統方法可能造成 者而顯著地降低對周邊組織之潛在傷害。 相較於可能使用之習知方法（諸如Mourou等人於美國 專利第5,656，186號所教導之非共振雷射引發之分解作用） ，藉由使用本發明所教導之波長選擇方法，可增進切除 作用之效率與專一性。更詳細地，藉由基於最佳之該劑 光譜性質（諸如用於血紅素激發作用之532 nm，用於水激 發作用之2000 nm或3000 nm，用於黑色素激發作用之500· 800 nm)而選擇激發作用波長以最佳化激發作用之效率， 相較於以其他超短脈波光活化方法為基礎之習知方法， 本紙張尺度過用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇χ297公藿） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

.J 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 __1 an I · n λν n n ϋ aB_i n I ^ aa— ϋ ϋ n I an n n ϋ 1^1 an ^^1 I · 39

7 7 A R ίΟΤ8^-— 五、發明說明（37 ) 切除作用之效率可增加1〇,〇〇〇倍之多。更進一步，該進步 的激發作用波長之選擇，促成特定組織組成物之專一性 活化作用。例如’參照第10圖顯示於7〇〇 nm之多光子激 發作用，因該等組織吸光度性質的差異，其對黑色素之 專一性較血增強約1〇〇倍。經由内生性或外生性劑，諸如 刺青染料，之專一性光活化作用亦可達成類似的增強作 用，藉而提供增進治療方法，如移除刺青，之性能的其 他方式。 更進一步’以近紅外線輻射及併用光活化作用固有 的定域作用，提供皮下區域中反應性劑的光活化方法， 而不致於傷害其上或其下之健康組織》該特性適用於各 種非侵入性治療方法，諸如藉由自角膜内表面局部切除 角膜組織而達成之折射性視力校正。 、 本發明之较佳訾旅你丨 因此’本發明之較佳實施例係使用一個高瞬時輻照 量、超短脈波源諸如模式固定型鈦：藍寶石雷射或再生 式擴展型鈦：藍寶石雷射之輸出，以引發一或多個内生 性或外生性光活性劑之多光子光活化作用。該較佳實施 例示於第11圖》該來源（120)產生光束（122)，其包括一般 為近紅外線光輻射之光輻射超短脈波的快速系列。該光 束（122)以諸如反射或折射透銳之標準光學裝置（124)聚焦 。然後將所產生之聚焦光束（126)導向待治療之組織（128) ’諸如癌性腫瘤。因高瞬時輻照董僅存於該焦點，光活 本紙張尺度過用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） -------------—U (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) —1'訂---------線丨· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 40 Α7 404845 Β7 五、發明說明（38 ) 化劑之多光子光活化作用實質上將侷限於聚焦光束（126) 之聚焦區域（130)。更進一步，毋論存於健康組織（132)或 皮膚（134)之劑為何，聚焦區域（13〇)外發生之周邊光活化 作用或光損傷之情形並不顯著。因此，即使劑存於聚焦 區域（130)之外，瞬時輻照量亦低於產生顯著光活化作用 所需者。本發明較佳實施例之此節與習知方法顯然相反· ’習知方法無法提供嚴格限制沿著光束區域與光線路徑 之光活化區域。藉由掃瞄待治療組織（128)體積中之聚焦 區域（130)位置’可完成待治療组織（128)中劑之光活化作 用。該掃瞄作用係藉由改變聚焦區域（13〇)相對於待治療 組織（128)之位置，或藉由相對於聚焦區域（13〇)之固定位 置而移動待洽療组織（128)而產生。在聚焦之前，可藉由 使用光束擴展器或其他設備預先擴展光束（122),而改良 、聚焦區域（130)之空間品質。 就治療局部位址，如第12圖與第13圖所示，該多光 子光活化作用實施例具有多個變化β例如，如第12圖所 示聚焦近紅外線光之無害性質，或如第13圖所示之非聚 焦近紅外線光，使能光活化局部位置之劑，而不會危及 其下或周圍之組織。 該光束（122)以諸如反射或折射透鏡之標準光學裝置 (124)聚焦於待治療組織（128)時，可達成用於局部治療之 一或多個劑之聚焦多光子光活化作用，如第12圖所示。 依此方法，該劑之光活化作用僅發生於聚焦區域（13〇)。 本紙張又度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（21〇 χ 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) , a >1 ϋ 一5, · ϋ ϋ B— a— I ^ . 經濟部智慧財產局員工消f合作社印製 dm I ϋ n ϋ n n n n n ϋ · 41 A7 M4845_2Z--- i、發明說明（39 ) 在此方法中周圍的健康組織（132)與皮膚（134)未受到影饗 ，即使其含有該劑，因光活化作用實質侷限於聚焦區域 (130)。如前所述，待治療組織（128)¾積中之該劑的光活 化作用能以掃瞄作用達成。 當來自一個來源（120)之非聚焦或擴展光束（136)導向 待治療組織（128)時，達成如第13圖所示用於局部治療的 一或多個劑之非聚焦多光子光活化作用。該光束（136)之 截面小於、等於或大於待治療組織（128)之截面》若該劑 實質偈限於待治療組織（128)之體精中，例如經由控制性 施用PDT劑（諸如局部補骨脂素乳霜）或藉由内生性劑（諸如 黑色素）之天然集中作用，治療作用將實質侷限於待治療 組織（128)之艎積*因光束（136)對所含該劑濃度不顯著的 組織並無害，可避免對周圍健康組織（132)與皮膚（134)之 、 傷害。該實施例特別適用於待治療組織（128)之實際位置 、大小與形狀未知，或當精密控制光束（136)之施用位置 並非有利之情況，因光束（136)位置之精密控制對該治療 方式之成功施用並非關鍵。當使用非聚焦光時，諸如擴 展型雷射之高峰值功率激發源之使用可能有益，因該來 源可提供廣泛區域之高瞬時輕照量。 用於多光子光活化作用之該較佳實施例的最終相關 變化示於第14圖，其中將自來源（120)之未聚焦或擴展光 束（136)導向待治療组織（128)之皮下。該光束（136)之截面 小於、等於或大於待治療組織（128)之截面β若該劑實質 本紙張尺度適用中國國¥標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 •1、— —— — — — II ^ ·1111111 I I « \ — — — — — — — — — — — — — — 縦 — I — I f 42 A7 B7 五、發明說明（40 ) 偈限於待治療組織（128)之體積中，例如經由控制性施用 外生性劑或藉由内生性劑之天然集中作用，治療作用將 實質偈限於待治療組織（128)之體積。因光束（136)對所含 該劑濃度不顯著的組織並無害，而可避免對周圍健康組 織（丨32)與皮廣（134)之傷害。該實施例特別適用於待治療 組織（128)之實際位置、大小與形狀未知，或當精密控制 光束（136)之施用位置並非有利之情況，因光束（136)位置 之精密控制對該治療方式之成功施用並非關鍵。如前述 之非聚焦實施例’高峰值功率激發源之使用可能有益， 因該來源可提供廣泛區域之高瞬時輻照量。 J於標準PDT刺與新的PDT剤之多光子#活化方法之 含意 標準DPT劑之組織專一性一般係基於該劑與組織，諸 - 如癌症腫瘤，之合併的化學與物理性質。例如 •各種補骨脂素衍生物； • 各種卟啉與血卟啉衍生物； •各種葉綠三酸衍生物； •各種酞菁衍生物； •各種若丹明衍生物； •各種香豆素衍生物； •各種苯並夾氧氮蔥衍生物； •氯丙啳及其衍生物； •各種葉綠素及細菌葉綠素衍生物； 本紙張尺度過用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) * I I I I I I I ·11111111 1 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制^ 43 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 --Μ4Θ45--- 五、發明說明（41 ) • 各脫鎂葉綠酸a[Pheo a];部花青540[MC 540];維 生素D ; 5-胺基-乙酿丙酸[ALA] ; photosan ;各脫鎮葉綠 酸-a[Ph-a];夾氧氮蔥尼羅藍衍生物（包括各種夾氧氮蔥染 料）； •各種電荷轉移與輻射轉移劑； •多種其他光活化或光敏感劑， * 因造成PDT劑分佈進入組織中之組織物理或化學性質 的差異，一般將於施用點或鄰近施用點之處蓄積，或在 特定組織中成為半專一性。 該等劑傳統地以單光子或連續的二光子活化方法活 化’該等方法促進一或多個光化學或光物理作用，包括 但不限於鍵結之形成或分裂、加合物之形成、交聯作用 、游離基之形成、單電鍵氧之生產、毒性物質之產生、 - 及能量之轉移β用以活化該劑之傳統方法在活化程度或 深度提供極小的專一性’及一般限用於表面的組織或損 傷。 自前述討論，將明瞭在本申請中所教導之本發明的 較佳實施例與佐證數據，適用於所列之所有劑與光敏劑 以及未明確列出之PDT劑與光敏劑。詳細地，所有該等劑 對於長於單光子激發作用所用波長之多光子激發作用具 有反應性’及一旦激發’其行為將與單光子激發作用所 產生者相當。更進一步，在此所教導對於施用點控制與 降低周邊傷害之改良，提供在傳統單光子或連續的二光 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)/U規格（21〇 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 n I n t— n 44 404845 Α7 Β7 五、發明說明（42 ) / · 子活化方法領域中使用多光子光激發作用之附加優點。 其包括增進穿透深度、增強對於施用點之空間控制、及 降低PDT治療之副作用》 目前正發展易感於近红外線單光子活化作用之多種 新PDT劑。該等式劑之意圖係降低傳統紫外線或可見光活 化作用相關的副作用與其他限制。該等劑之實例包括 PHOYOFRIN®，苯並卟啉衍生單酸，SnET2，Lutex，及 能以波長大於500 nm的單光子激發作用而光活化之相關 劑°以該等類型之劑’本申請所教導之本發明亦具有特 定之優點。詳細地’因相較於線性激發作用所需的較短 波長而言顯著降低的組織吸光量與在該光帶的散射，使 用波長介於500至4000 nm光帶之多光子光活化作用所提 供之穿透深度，顯著大於單光子活化作用可能達成者β 、 另外，相較於單光子光活化方法，在此所教導的多光子 光活化作用之空間定域優點，將改良對於該治療施用點 之控制。 雖然前述揭露内容主要著重於使用以模式固定型鈦 :藍寶石雷射所產生的超短脈波近紅外線光輻射之劑多 光子激發作用之治療應用實例，然而本發明清楚地不限 於該激發作用或該狹窄界定之光源。事實上，本發明適 用於以線性或非線性方法達成之光激發作用。例如，可 單獨或合併使用各種其他光源，諸如連續波或脈波燈， 二級真空管光源’半導體雷射；其他類型之氣體，染料 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂. 線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 45 A7 Γ^^^404845_B7 五、發明說明（43 ) ’及固態連續、脈波、或模式固定型雷射；紅寶石雷射 :欽：YAG，欽：YLF，敛：YAP，敍：YV〇4，敍：玻 璃’及敍：鉻GsGG雷射；路：氟硫化裡雷射；斜：yag 雷射；F中心雷射；鈥：YAF及鈥：YLF雷射；銅蒸汽雷 射，氮雷射；光參量振盪器’擴展器與產生器；再生式 擴展型雷射；線性調頻脈波式擴展型雷射；及日光。. 更進一步，雖然前述揭露内容係著重於用於植物與 動物組織之活體内疾病治療之治療性應用，清楚地本發 明亦可用於需要專一性改良反應性標的劑之情況。詳細 地，本發明之範疇’亦涵蓋本發明於控制生物來源物質 或受生物來源物質污染的物質之生產與純化方面的應用 。作為實例之一，基於光敏感劑與標的物，諸如HIV病毒 ，之標的相互作用，規劃諸如血液或血漿之生物體液之 、 專一性治療或純化作用。該措施可在治療HIV感染方面扮 演治療性的角色，及作為預防HIV經由輸血感染之保護措 施。第二個實例係生產高純度之生物產物，諸如細胞培 養’其中藉由專一性破壞標的污染劑而純化異質性親代 培養。第三個實例係以專一性刺激標的生物性劑中之一 或多個特定基因序列為基礎，而生產基因引發的生物產 物。 除了各種生物應用之外，清楚地多種非生物應用亦 可藉由使用本發明而達成或顯著增進其效率，包括高純 度或商品物質之生產，特別當非線性光激發作用之特性 本紙張尺度遇用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 ->1 1 ^1 ^1 ^1 ϋ n I n I ϋ — > n n I n I n ·1 .^1 >ϋ ϋ n «I ϋ - 46 A7 1Q4845 B7 五、發明說明（44 ) 係屬重要的情況。例如，經由施用本發明，可改良專用 手徵性化學物質、染料、塗漆、聚合性物質及其他工業 或商用劑之生產或處理.詳細地，獨特的選擇規則，專 一性優點，及活化之定域作用，提供許多物質生產或處 理步驟之優點。事實上，該等實例清楚地顯示，本發明 實際上構成一個一般物質處理範例，其中在生物或非生 物物質上使用非線性光激發作用之特性，以改良起始物 質至產物之專一性轉換作用，毋論該轉換作用係自腫瘤 至壞死組織或自一個分子劑至另一個分子劑。 同時’雖然前述實例主要係有關人類之治療議題， 對於微生物、植物與動物樣本之直接應用性亦相當明顯 。例如，可預見在家畜、種用家畜、或其他獸醫領域之 疾病治療。同時，可預見在該方法之用於治療或作為達 成微生物或細胞培養專一性措施。例如，部份之本發明 適用於純化異質細胞培養及試管中細胞功能之表現。因 此，本發明可應用於基因工程、畜牧業、生殖治療無 性繁殖、及許多其他領域。 本發明之多光子光活化作用，亦可用以活化診斷用 顯影劑。 將瞭解上述之各部份’或二或多者併用，亦可用於 與上述類型不同之其他類型之結構或應用中。 雖然本發明已就用以改良治療劑之光活化作用的專 一性之一般方法而被說明與敘述，但無意受限於所示之 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製

I i I-----^------------------------------1 I 47 A7--404845五、發明說明（45 ) B7 細節’因為應可瞭解到，熟習此藝者可在不偏離出本發 明之精神下，由所例示的方法之細節與操作而作出各種 不同的形式上之省略、修飾、取代與改變》 本文敘述之提供係僅作說明之用，而無意用來限制 本申請案之發明’本發明係以下列之申請專利範圍來作 界定。 . 所請求之新穎標的且要為專利證書所保護者係示於 隨文檢附之申請專利範圍中》 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) i j-----——卜訂---------線！ 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 48 五 、發明說明(f601845 A7 B7

元件符號對照表 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 10 單光子激發作用 82 光束 12 同步之二光子激發作用 84 焦點 14 3+2光子之激發作用 86 近紅外線光束 16 多光子量子控制 88 可見光束 20 單光子激發作用 90 近紅外線光束 22 同步二光子激發作用 92 可見光束 24 同步的三光子激發作用 94 單光子激發作用 26 同步的多光子激發作用 96 同步的二光子激 30 同步的二光子激發作用 98 同步的二光子激 32 同步的五光子激發作用 100 Sorrett 帶 42 光化學激發作用 120 來源 50 二光子激發反應 122 光束 52 三光子激發反應 124 標準光學裝置 60 光束強度分佈 126 聚焦光束 62 單一光子激發效率分佈 128 待治療組織 64 多光子光激發效率分佈 130 聚焦區域 70 組織表面 132 健康組織 72 組織表面以下 134 皮膚 80 瓊脂明膠 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 49

Claims (1)

1. A8 B8 C8 —-dftdRiiS_^__ 六、申請專利範圍 i 一種用以處理含有至少一種光活化劑之特定體積的物 質、植物或動物組織之裝置，該裝置包括： (請先聞讀背面之注意事項再填窝本頁) 一個光源，該光之頻率足以實質穿透進入組織， 該光適於促進被包含在該組織内之該試劑之多光子激 發作用，·及 聚焦裝置，用以將該光聚焦而通過一自該組織之 I 一表面延伸至一實質超越該表面的深度之焦距範圍； 其中一焦點或焦點面可相對於該光源而作調整》 2·如申請專利範圍第1項之裝置，其中促進該多光子光活 .化作用之光係為一由雷射所產生之雷射光。 3. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該雷射光包括一或 多個超短脈波》 4. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該一或多個脈波之 各個脈波寬度最長約為10微微秒(ps)。 5. 如申請專利範圍第2項之裝置，其包括操作該雷射以產 生波長介於约500 nm至4000 nm之間之光》 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該光之波長約自500 nm至 4000 nm 〇 7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該試劑為一外生性 試劑。 8. 如申請專利範圍7項之裝置，其中該試劑係選自下列群 中：補骨脂素衍生物；卟啉與血卟啉衍生物；葉綠三 酸衍生物；酞菁衍生物；若丹明衍生物；香豆素衍生 物；苯並夾氧氣蔥衍生物；氣丙β秦及chlorpromazineits 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐） 49 A8 B8 C8 _ D8 六、申請春免" 其衍生物；葉綠素及細菌葉綠素衍生物；脫鎮葉綠酸a (Pheo a);部花青540 (MC 540);維生素D ; 5-胺基-乙 酿丙酸（ALA) ; photosan ;各脫錢葉綠酸-a(ph-a);包 括各種夾氧氮蔥染料之夹氧氮蔥尼羅藍衍生物； PHOYOFRIN ;苯並卟啉衍生單酸；SnET2 ;及Lutex 〇 t 9_如申請專利範圍第1項之裝置，其中該試劑係為一内生 性試劑。 10. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中該内生性試劑係選 自於下列群中：蛋白質，天然著色劑（包括黑色素、血 紅素及胡蘿蔔素），水，膠原及刺青染料。 11. 一種用以投予光動力醫學治療之裝置，其包括： 用以將倡限光導引至待處理組織之上或内部之光 源構件，該光就頻率與能量而被選擇，俾以穿透至組 織表面之下方及實質僅在一聚焦區域處促進多光子激 發作用；及 用以在待處理組織内於一深度範圍内變換光的聚 焦區域位置之構件，藉此，一位在該組織内之試劑成 為可使用多光子激發作用而被光活化的。 12. 如申請專利範圍第11項之裝置， 其中該光源構件包括用以產生平行光束之構件；及 其中該光源構件包括聚焦構件，以將平行光束聚焦於 一位於該組織表面下方一點處之聚焦區域内。 13. —種用以投予光動力醫學治療之裝置，其包括： 本紙張用中 HSI家縣（CNS ) ( 210X29•/公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 N -50 - A8 S _ D8 ;、申請專刺" 用以將未聚焦光導引至待處理組織之上或内部之 光源構件，該光就頻率與能量而被選擇，俾以促進多 光子激發作用’藉此，一位在該組織内之試劑成為可 使用多光子激發作用而被光活化的。 14. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中一處理區域實質 位於組織之表面。 15. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中一處理區域實^ 位於組織表面之下。 16·如申請專利範圍第1項之裝置，其中適於促進多光子激 發作用之該光之一波長被選擇，俾使該試劑之光活化 作用之效率與專一性能最佳化。 17. 如申請專利範圍第丨丨項之裝置，其中適於促進多光子 激發作用之該光之一波長被選擇，俾使該試劑之光活 化作用之效率與專一性能最佳化。 18. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中適於促進多光子 激發作用之該光之一波長被選擇，俾使該試劑之光活 化作用之效率與專一性能最佳化》 -----^-I h-I装----.——卜訂------線！ (請先聞讀背面之注意事項再填寫本夏) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度逋用中國國家梂率（CNS ) M规格（210X297公釐） 51