中國研究人員最近首次將控制理論應用于光療中光化學反應動力學的分析，并開發(fā)了第一個光誘導單線態(tài)氧治療真菌感染的數學模型。結果發(fā)表在IEEE Transactions on Biomedical Engineering 上。

光動力療法 (PDT) 是用于治療局部傳染病的非抗生素替代品，因為它們作用迅速且缺乏耐藥性。與 PDT 類似，僅依賴病原體的內源色素(即卟啉和黃素)的藍光療法也是有效的，甚至使用起來更安全。

抗真菌藍光 (ABL) 作為一種新的真菌感染治療方法已被廣泛研究。計算單線態(tài)氧的量子產率是確定在 PDT 和 ABL 中應用的光劑量的關鍵。

為了研究 PDT 和 ABL 中光敏氧化反應的動力學，并開發(fā)一種有效的建模方法，中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所 (SIBET) 的董劍飛博士團隊應用基礎控制理論來分析這些過程，并推導出非線性第一性原理PDT模型的線性化條件。

PDT 和 ABL 的抗真菌作用機制是光激發(fā)前者的外源性光敏劑或后者的內源性色素，進而從三重態(tài)氧 ( 3 O 2 ) 分子中產生活性氧(ROS) .

ROS具有高反應性，可引起細胞毒性。單線態(tài)氧(1 O 2)通常占光誘導的所有 ROS 的 80%;而羥基自由基和其他類型的 ROS 則占剩余的 20%。此外，單線態(tài)氧是大多數其他 ROS 的前體。

Dong 和他的同事們在沿著其對光刺激的動態(tài)響應軌跡的一組平衡點處對非線性第一性原理 PDT 模型進行了線性化。

這導致了一組線性時不變 (LTI) 狀態(tài)空間模型。這些模型都是三階的，包含三個極點和一個零點。其中，一個極點始終位于復平面的原點。

進一步分析表明，零可以近似抵消原點處的極點，導致二階模型包含兩個極點。這兩個剩余極點的位置與3 O 2的濃度高度相關，3 O 2是產生1 O 2的主要成分。

據研究人員稱，當3 O 2濃度充足時，不同點的根位點會凝聚成一個比缺氧情況下小得多的簇。這表明富氧情況下的局部 LTI 系統(tǒng)彼此更加一致;也就是說，原來的非線性第一性原理PDT模型趨于線性。

“這是一個有趣的觀察，”董說。事實上，在大多數情況下，血液中的氧氣濃度足以進行光化學反應。

受此啟發(fā)，團隊進一步分析求解了第一性原理PDT模型，得到了富氧條件下的閉式解析解。該解析解的意義在于它是一個只有四個參數的非線性代數方程，可以很容易地擬合實驗數據。

他們進一步為光療法的光化學反應過程提出了一種數據驅動的建模方法。該模型在實測ABL實驗數據上取得了較好的擬合效果。

這是應用控制理論從非線性角度分析光療法的光化學反應動力學的首次嘗試。所提出的建模技術還為確定治療真菌感染疾病的光劑量提供了機會，特別是那些在人體表面組織上的疾病。