科学家将控制理论应用于光疗法中的光化学反应动力学分析

中国研究人员最近首次将控制理论应用于光疗中光化学反应动力学的分析，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。结果发表在IEEE Transactions on Biomedical Engineering 上。

光动力疗法 (PDT) 是用于治疗局部传染病的非抗生素替代品，因为它们作用迅速且缺乏耐药性。与 PDT 类似，仅依赖病原体的内源色素(即卟啉和黄素)的蓝光疗法也是有效的，甚至使用起来更安全。

抗真菌蓝光 (ABL) 作为一种新的真菌感染治疗方法已被广泛研究。计算单线态氧的量子产率是确定在 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，并开发一种有效的建模方法，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 (SIBET) 的董剑飞博士团队应用基础控制理论来分析这些过程，并推导出非线性第一性原理PDT模型的线性化条件。

PDT 和 ABL 的抗真菌作用机制是光激发前者的外源性光敏剂或后者的内源性色素，进而从三重态氧 ( 3 O 2 ) 分子中产生活性氧(ROS) .

ROS具有高反应性，可引起细胞毒性。单线态氧(1 O 2)通常占光诱导的所有 ROS 的 80%;而羟基自由基和其他类型的 ROS 则占剩余的 20%。此外，单线态氧是大多数其他 ROS 的前体。

Dong 和他的同事们在沿着其对光刺激的动态响应轨迹的一组平衡点处对非线性第一性原理 PDT 模型进行了线性化。

这导致了一组线性时不变 (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点。其中，一个极点始终位于复平面的原点。

进一步分析表明，零可以近似抵消原点处的极点，导致二阶模型包含两个极点。这两个剩余极点的位置与3 O 2的浓度高度相关，3 O 2是产生1 O 2的主要成分。

据研究人员称，当3 O 2浓度充足时，不同点的根位点会凝聚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 系统彼此更加一致;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，”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，团队进一步分析求解了第一性原理PDT模型，得到了富氧条件下的闭式解析解。该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，可以很容易地拟合实验数据。

他们进一步为光疗法的光化学反应过程提出了一种数据驱动的建模方法。该模型在实测ABL实验数据上取得了较好的拟合效果。

这是应用控制理论从非线性角度分析光疗法的光化学反应动力学的首次尝试。所提出的建模技术还为确定治疗真菌感染疾病的光剂量提供了机会，特别是那些在人体表面组织上的疾病。