（光学专业论文）发光二极管生物光源及其医学应用研究.pdf

致谢 本论文是在导师范广涵教授和刘承宜教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。 两位导线在论文的选题、实验设计、文章修改、论文撰写等各方面倾注了大量的 精力和一山血。范广涵教授宽阔的胸怀、渊博的知识、求实严谨的工作态度、对科 研工作一丝不苟、精益求精的作风；刘承宜教授严谨的治学态度、敏捷的才思以 及高效的工作方法，深深地影响着我，令学生终身受益。借完成博士论文工作之 际，谨向两位导师表示我深深的谢意! 感谢导师廖常俊教授传授的光学专业知识以及科研工作方法! 感谢刘颂豪院士的关心和教诲! 感谢华南师范大学研究生处的各位老师、信息光电子科技学院的兰曼娜老 师、光电子材料与技术研究所的郭志友教授、孙慧卿和郑树文老师对我学习和工 作上的关怀和支持! 感谢华南师范大学物理系的程敏熙博士在光学实验测试上的指导和帮助! 感谢华南师范大学体育学院领导和运动人体科学教研室的全体老师对激光 运动医学实验室建设的支持和帮助! 感谢段锐老师、朱玲同学、李燕同学、黄平同学、蔡雄伟同学、殷建玲同学、 刘鲁同学、王浩博士、潭春华同学、曹明德同学、李成长同学多年来的友好合作 及真诚的友谊! 感谢在百忙之中评审和前来参加我论文答辩的各位教授! 最后，谨向所有曾经关心、鼓劲和帮助过本论文工作的老师、同学、亲人和 朋友表示我衷心的感谢1 4 中文摘要 发光二级管( 1 i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 是一种高亮度、高效率、长寿命的 新型固体光源。被广泛应用于大屏幕显示，交通信号灯，多媒体信息存储，照明 等领域，无论是产值还是产量，在半导体光电器件中均占据主导地位。近年来， 研究开发l e d 在生命科学中的应用受到日益广泛的关注，本论文的工作主要是 研制出l e d 生物光源，然后用该光源进行细胞生物学实验。 论文的第一章，首先从非相干单色光的细胞生物效应、光生物调节作用机理、 光生物调节中非共振作用的特征、以及生物信息模型( b i m p ) 等几方面，论述和 确立了研制l e d 生物光源的理论依据。接着第二章简要综述了最近几年来l e d 在生命科学领域中的研究进展，主要包括l e d 在植物、动物、人体临床、生物 医学材料、环境监测和科研方面的应用。由于在l e d 光生物刺激研究中，对光 源的照射剂量、光强调节和光强的均匀性等参数的要求非常准确，而目前的l e d 生物应用装置又缺乏这些功能，因此，开发出一套针对不同生物实验对象，光强 高、中、低搭配的l e d 光源将是十分必要的，该生物光源的研制，将使l e d 这 种新型光生物实验技术进一步标准化和实用化， 第三章进行了l e d 生物光源的研制，采用透镜组扩大光束、透镜阵列聚焦 和点阵光曲面聚集光能三种光路设计，设计出可用于动物细胞和组织培养使用 的，低强度、中等强度和较高强度的l e d 生物光源。在这三种光源中，是通过 选择每个光源中的四个工作参数来调节输出光的辐射照度。实际测试数据表明： 低强度光源输出的辐射照度范围为o 0 0 2 1 0 9 9 6 1 ( w m 2 ) ，在直径2 0 m m 的照射 面积内所测辐射照度的标准偏差为o 0 2 w m 2 ( n = 4 0 ，m e a n ：o 7 1w m 2 ) ；中等强度 光源输出的辐射照度范围为o 3 5 7 9 1 1 2 2 8 6 ( w m 2 ) ，在直径3 0 m m 照射面积内 所测辐射照度的标准偏差为o 0 2 w m 2 ( n = 6 0 ，m e a n ：6 3 7w 协2 ；较高强度光源输 出的辐射照度范围为1 7 l i o ( w m 2 ) ，在直径4 0 m m 照射面积内所测辐射照度的 标准偏差为0 0 2 w m 2 ( n = 8 0 ，m e a n ：7 1 5 4w m 2 ) 。经检验这三种光源在被照射面 上的辐射照度都呈匀称分布，对测试所得数据，使用统计分析软件s p s s 拟合得 出三种光源的辐射照度经验计算公式，它们显著性检验的p 值都小于o 0 5 。该系 列光源除了具备光强可调、分布均匀优势外，还具有波长、波峰宽适宜，以及小 巧、价廉、能耗低、发热少等特点，尤其是该生物光源在设计时采用的单元组装 模式，使得不同强度的光照能够存同一批生物样品上实现，大大拓宽了生物实验 的可选择性，提高了工作效率和实验准确性。 第四章和第五章，使用以上自制的中等强度的l e d 生物光源，研究在波长为 6 4 0 1 7 r i m 的l e d 红光作用下，对细胞的促进增殖和抑制凋亡。 促进增殖方面，是用5 9 3 ( w m 2 ) 和7 1 3 ( w m 2 ) 两种辐射照度的l e d ，照射所 培养的人皮肤成纤维细胞，4 8 小时后用细胞计数检测增殖。结果发现，培养人 皮肤成纤维细胞的增殖在接受8 9 m j c m 2 、2 1 4 m j e r a z 照射剂量后无变化，而在接 受4 2 8 m j c m 2 照射后，与对照组相比有显著性差异。该实验结果支持b i m p 模型， 正如1 3 节所指出的，促进增殖属于途径i i ，8 9 m j c m 2 和2 1 4 m j c m 2 这两个剂量 满足b i m p l ，无增殖效应，而4 2 8 m j c m 2 剂量满足b i m p 2 ，促进增殖。 抑制凋亡方面，是用o 9 州，m 2 ) 和1 0 ( w m 2 ) 两种辐射照度的l e d ，照射所培养的， 由af 3 ( 2 5 3 5 ) 诱导的鼠嗜铬细胞瘤细胞系p c i 2 。结果表明，不同剂量的l e d 照射对细胞调亡有不同影响，以o ，9 ( w m 2 ) 辐射照度的l e d 照射6 0 分钟，则能 显著减少由a0 诱导的p c i 2 细胞调亡。该实验结果可以为探讨使用光学技术这 种绿色疗法，来防治老年痴呆病提供一定的启示。 关键词：发光二极管；辐射照度；成纤维细胞；p c i 2 细胞；细胞增殖；细胞调 亡 6 a b s t r a c t l e d s ( i i g h te m i t t i n gd i o d e s ) h a v eb e c o m en e wa t t r a c t i v es o l i dl i g h ts o u r c e sw i t h s u p e r i o r i t yi nh i g hr e l i a b i l i t y , h i g hb r i g h t n e s s 1 0 n gl i f ea n dh i g he n e r g ye f f i c i e n c ya n d e x t e n s i v e l yb e e nu s e di nt h ea r e ao fb i gs c r e e nd i s p l a y i n g ，t r a f f i cs i g n a l l i g h t s ， m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns t o r a g ea n dl i g h t i n g w h e t h e ri np r o d u c t i o nv a l u eo ri no u t p u t ， l e d sw a sd o m i n a t i n go v e rt h es e m i c o n d u c t o rp h o t o e l e c t r i c i t y a p p a r a t u s i nr e c e n t y e a r st h ep o t e n t i a lf o rt h ed e v e l o p m e n to fl e d sf o rs t u d yo f t h ev i s i b l el i g h tf u n c t i o n i nl i f es c i e n c ei sa l s ow e l lr e c o g n i z e dd e s p i t et h ed i f f i c u l t i e st ob eo v e r c o m e i nt h i s p a p e rt h r e el e db i o l o g yl i g h ts o u r c e sw e r ed e v e l o p e da n dh a v eb e e nu s e df o rc e l l b i o l o g ye x p e r i m e n t s i nt h ef i r s tp a r to ft h i st h e s i s ，t h er e a s o n so f d e v e l o pl e db i o l o g yl i g h ts o u r c e h a v eb e e nd i s c u s s e df r o mt h ee f f e c t so fn o n e o n c e m h o m o c h r o m yl i g h to nc e l l s ，t h e m e c h a n i s m sa n dn o n r e s o n a n c ec h a r a c t e r so fp h o t o b i o m o d u l a t i o no nc e l l s ，t h e b i o l o g i c a l i n f o r m a t i o nm o d e lo f p h o t o b i o m o d u l a t i o n ( b i m p ) o f l o w i n t e n s i t y l a s e r ( l i l ) p r o p o s e db y p r o f e s s o rl i ut c y r e c e n ta d v a n c e o f i n v e s t i g a t i o n so fl e d s i r r a d i a t i o ni nl i f es c i e n c ew e r es u m m a r i z e di nt h es e c o n d p a r t o ft h i st h e s i s a p p l i c a t i o n so f l e d st op l a n t ，a n i m a lc e l l ，a n i m a lm o d e l ，h u m a nc l i n i c a l ，b i o m a t e r i a l ， e n v i r o n m e n ts u r v e ya n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hw e r er e v i e wi nt h el i t e r a t u r e s i ti sh i g h l y i m p o r t a n tf o rp h o t o b i o m o d u l a t i o no n c e l l st om e a s u r ei r r a d i a t i o nd o s e ，l i g h ti n t e n s i t y a n du n i f o r m i t y p r e s e n t l y , l e db i o l o g ya p p l i c a t i o ne q u i p m e n t sa r er a r e l yf u n c t i o n a b o v eb e c a u s eo fi t sb u s i n e s sp u r p o s e s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pas e to fl e d b i o l o g yl i g h ts o u r c e sw i t h d i f f e r e n ti n t e n s i t y t h i sw o r kw i l lm a k el e d l i g h tb i o l o g y t e c h n i q u e m o r es t a n d a r d i z a t i o na n d p r a c t i c a l i t y t h r e el e d sb i o l o g yl i g h ts o u r c e sw i t hd i f f e r e n t i n t e n s i t y f o rc e l lo rt i s s u e c u l t u r eh a v eb e e n d e v e l o p e d i nt h en l i r dp a r to f t h i st h e s i s ac o n c a v e ( c o n v e x ) l e n st o e x p a n d t h eb e a m s o f l i g h t ，t of o c u st h er a y so f l i g h ta n d a na r r a yo f l e d s b e i n gs e ti n t h es p h e r ec o n n e c t e dw i t hf r e s n e ll e n s e sa r et h r e en e w l y - d e s i g n e di no b rs y s t e m s i n 7 e a c hs o u r c et h ei l l u m i n a t i o nc a ne a s i l yb ea a j u s t e db ys e l e c t i o no ff o u rp a r a m e t e r s r e s p e c t i v e l y 。t h ei l l u m i n a t i o n sr a d i a t ef r o mt h r e es y s t e m sw e r em e a s u r e da n dt h e i r e x p e r i e n t i a l f o r m u l a ef o r c a l c u l a t i n g i l l u m i n a t i o nw e r eo b t a i n e d b ys p s s t h e i l l u m i n a t i o no fl i g h tf r o mt h et h r e el e d s y s t e m sr a n g e sf r o m ：o 0 0 2 1 t o0 9 9 6 1 w c m 2w i t ht h es p o td i a m e t e r2 0n l r l li nl o wi n t e n s i t yl e d ss o u r c e ，t h es t a n d a r d d e v i a t i o ni s0 0 2w c m 2 ( n = 4 0 ，m e a n ：0 7 1w c m 2 ) ；0 3 5 7 9t o1 1 2 2 8 6w c m 2w i t h t h es p o td i a m e t e r3 0m mi nm o d e r a t e i n t e n s i t yl e d ss o u r c e ，t h es t a n d a r dd e v i a t i o n i s0 0 2 w c m 2 ( n = 6 0 ，m e a n ：6 3 7w c a n 2 ) ；0 3 5 7 9t o 11 2 2 8 6w c m 2w i t ht h es p o t d i a m e t e r4 0l l l i ni n h i 曲i n t e n s i t yl e d ss o u r c e ，t h es t a n d a r dd e v i a t i o n i s0 0 2 w c m 2 ( n = 8 0 ，m e a n ：7 1 5 4w c m 2 ) a l lt h ef o r m u l a eg e tb ys p s sw a ss i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n tf r o mp t e s tf p o 0 5 ) t h em e a s u r e di l l u m i n a t i o n ss h o wn o t o n l y t h e ya g r e e w i t hc a l c u l a t i o n sb u ta l s ot h e i rd i s t r i b u t i o n sa r ea 1 1u n i f o r m i t y t h ef o r m u l a eg e tb y s p s si sr e l i a b l e t h e s el e d s l i g h ts o u r c e sa r en o to n l ya d j u s t m e n t a n du n i f o r m i t yb u t a l s os m a l l e r , l e s se x p e n s i v e ，r e q u i r e dl e s sp o w e r , g e n e r a t e dl e s sh e a t e s p e c i a l l y , t h e p a t t e r n o ft h ec o n s t r u c tb o t ha g g r e g a t ea n dd e s e g r e g a t ei n d e s i g nw a st o r e a l i z e d i f f e r e n tl i g h ti n t e n s i t yi l l u m i n a t i o no ns a l n eb i o l o g ys a m p l ea tt h es a m et i m e t h e s e l e c t i v i t y , w o r ke f f i c i e n c ya n de x p e r i m e n tv e r a c i t yh a v eb e e ni m p r o v eg r e a t l y i nt h ef o u r t ha n df i f t hp a r to f t h i st h e s i s ，t h ei n v e s t i g a t i o n so f r e dl e d s 1 i 曲tw i t h t h e w a v e l e n g t ho f6 4 0 1 7 n mo nc e l l a c c e l e r a t i n gp r o l i f e r a t i o n a n dc o n t r o l l i n g a p o p t o s i su s i n g o u rm o d e r a t ei n t e n s i t yl e d ss o n r c ew e r ec a r r i e dt h r o u g h i np r o m o t ec e l l p r o l i f e r a t i o n ，t h ee f f e c t so fl e d sw i t ht h et w oi r r a d i a n c e so f 5 9 3w m 2a n d7 13w m 2o nt h ed r o l i f e r a t i o no fh u m a ns k i nf i b r o b l a s t sh a v eb e e n e x p l o r e d a f t e r 4 8h o u r s c e l l sw e r ec o u n t e d a f t e r8 9 m j c m 2a n d2 1 4 m j c m 2 i r r a d i a t i o n ，t h ep r o l i f e r a t i o no ft h ec e l l ss h o w e dn od i f f e r e n c ec o m p a r e dw i t ht h e c o n t r o lg r o u p t h ec e l l sp r o l i f e r a t i o nw a se n h a n c e db y4 2 8 m j c m 2i r r a d i a t i o n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss u p p o s e db i m p t h el i g h t su s e di nt h ee x p e r i m e n t a r er e dl i g h t s a s1 3h a dp o i n t e do u t e n h a n c i n gp r o l i f e r a t i o nb e l o n g st op a t h w a yt w o ，8 9 m j c m 2 a n d2 14 m j c m 2s a t i s f i e db i m p i ，w h i c h s h o w e dn o p r o l i f e r a t i o np h e n o m e n a 4 2 8 m j c m 2s a t i s f i e db i m p 2 ，w h i c hs h o w e dp r o l i f e r a t i o np h e n o m e n a 8 i nc o n t r o l l i n gc e l l a p o p t o s i s ，m o n o l a y e rc e l l c u l t u r e so fp c i 2i n d u c e db yap w e r ei r r a d i a t e dw i t hl e d sa tt h et w oi r r a d i a n c e so f0 9 | 碚a n d10w m 2 jc e l l a p o p t o s i sw a sc o n f i r m e db yd n af r a g m e n t a t i o na s s a ya n df a s c a nf l o wc y t o m e t e r a s s a y t h er e s u l t ss h o w sd i f f e r e n td o s e so f l e d si r r a d i a t i o nh a v ed i f f e r e n te f f e c t so n t h ea p o p t o s i s t h el e d i r r a d i a t i o n ，w h e nu t i l i z e da tp o w e r o f 0 9 w m 2a n d6 0m i n u t e h a ss i g n i f i c a n t l yd i m i n i s h e dabi n d u c e da p o p t o s i so fp c i 2c e l l s t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sp r o v i d e du s e f u l n e s sr e v e l a t i o n so fp h o t o t h e r a p e u t i c si np r e v e n t i o na n dc u r e a l z h e i m e r d i s e a s e ( a d ) ， k e yw o r d s ：l i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) ，i r r a d i a n c e ，f i b r o b l a s t s ( f b s ) ，p c 1 2c e l l s ， p r o l i f e r a t i o n ，a p o p t o s i s 9 攻读博士期问所完成的论文 1 刘江，角建瓴，刘承宜，范广涵l e d 在生物医学方面的应用和前景激光杂 志2 0 0 2 ，2 3 ( 6 ) ：1 - 4 2 刘江，范广涵，刘承宜用于细胞及组织培养的低强度l e d 生物光源激光杂 志2 0 0 3 ，2 4 ( 4 ) ：7 8 8 0 3 刘江，刘承宜，范广涵用于细胞及组织培养的中等强度l e d 生物光源光学 技术2 0 0 3 ，2 9 ( 5 ) ：5 2 6 5 2 9 4 刘江，范广涵，刘承宜用于细胞及组织培养的高强度l e d 生物光源激光生 物学报2 0 0 3 ，1 2 ( 4 ) ：3 0 8 3 1 2 5 刘江，刘承宜，范广涵用于动物细胞和组织培养的新型l e d 生物光源系列 光子学报2 0 0 4 ，3 3 ( 2 ) ：1 5 1 1 5 4 6 刘江，范广涵，刘承宜改进实用型l e d 生物光源系列应用激光2 0 0 3 ，2 3 ( 3 ) ：1 4 7 。1 5 1 ( e i 收录) 7 刘江，刘承宜，范广涵l e d 技术在光生物及医学等领域的应用( 第十六届全 国激光学术会议邀请报告) 中国激光2 0 0 4 增刊，3 l ( 3 ) ：1 - 3 8 l i uj ，l i ut c y , j i a oj l ，f a ng h ，l i us h 2 0 0 4 ，d e s i g no f l i g h t e m i t t i n gd i o d e l i g h ts o u r c e sf o rp h o t o b i o m o d u l a t i o no nc e l l s l a s e r ss u r g m e d s 1 6 ：4 1 ( s c i 收录) 第一章l e d 生物光源的研制背景 1 1l e d 的特性和用于生物光源的前景 发光二极管简称l e d 0 i g h te m i t t i n gd i o d e s ) 是在半导体p - n 结为基础的多层 结构或者是与其类似的结构中通以正向电流时，能够高效率发出可见光或其它波 长光的器件，可见光是指人眼睛能感觉到的辐射，波长范围为紫光3 8 0 n m 到红 光7 6 0 n m ，目前已有红外、红、黄、绿、蓝、紫等各种发光二极管。 l e d 具有把电能直接转化成光能的特点。与自炽灯相比，l e d 具有以下优 点 方志烈1 9 9 2 】：( 1 ) 尺寸小、重量轻、易小型化和集成化；( 2 ) 全固体化，机 械性能好，可靠性高；( 3 ) 冷光源，转化效率高；( 4 ) 高亮度、功率小、驱动电 压低，可与集成电路匹配使用；( 5 ) 寿命长，亮度半衰期大于1 0 5 小时；( 6 ) 响 应时间短，一般为毫微秒数量级；( 7 ) 可多色显示，选择不同的半导体材料，控 制不同的掺杂元素和浓度，可获得不同波长的光。 随着l e d 材料生长技术的发展和制备工艺的完善，商品化l e d 的发光效率 几乎每十年提高一个数量级，其性能的提高推动了l e d 的应用发展，从汽车车 灯、交通指示灯到多媒体信息存储，从全彩色大屏幕显示到白光照明，其应用范 围日益广阔，可以说已进入千家万户，遍及国民经济各部门。 目前生命科学研究中所采用的人工光源按照发光原理可分为热辐射和电致 发光两大类，如在动植物科研以及生物医学材料开发应用中已经普遍使用的白炽 灯、金属卤化物灯、各种气体放电灯( 如荧光灯、高压钠灯、高压氙灯、高压汞 灯等) a n 激光器等，前面几种光源给出的光谱都比较宽，无法确定生物反应对什 么波长最强烈，而且产生的热和红外辐射较多，需要用滤光片和吸热滤片将光谱 窄化并降低辐射热，以获得符合要求的光谱分布，使光谱半宽窄化的另外方法是 选择衍射光栅单色仪或棱镜单色仪，但这些仪器中复杂和昂贵的机械零部件往往 使操作者难度加大，在这些方法中当光能经过各种滤光片和多级单色仪后，损失 增大，从而不得不使用更强的光源，增加了能耗。 激光器是目前最好的单色光源，它所给出的光强度高，单色性和相干性都较 好，对细胞的微束照射很有用，近些年来激光用于生命科学研究已经取得很大成 功，但激光器目前可供选择的波长有限，发射的光束十分细小，而细胞的培养和 生物育种都需要大面积的光源，另外激光的谱线较窄，它一般发出仅仅o 0 1 r a n 宽的单一波长的光，而大多数生物实验并不需要非常窄的光，一般地说半高宽从 几到几十纳米的光就可以，而这正好是l e d 的光谱半宽范围，目前l e d 光谱峰 的半宽最窄已可达到十几个纳米以下，这使得利用l e d 来进行光生命作用机理 的研究成为可能。 近年来随着l e d 制作水平的飞速进步，尤其是在发光强度、波长与价格方 面，目前己开发的l e d 与激光器相比也毫不逊色，甚至更有优势，尤其是在后 两方面，由于l e d 发光效率大为提高，如目前最强的橙红色l e d ( 波长6 1 5 n m ) ， 发光效率为1 0 0 流明瓦，它所产生的光通量已相当于4 m w 左右的氦氖激光器， 完全可以满足一般的临床低强度治疗的需要。而在波长、实用性与价格方面，目 前的l e d 则远远胜过激光器，同激光器只能输出几个有限的波长不同，目前的 l e d 的波长范围已经可以覆盖整个可见光区，在实际使用时，还可以将各种不 同波长的l e d 做在同一个光源里使用，这一点又是目前的激光器所不能做到的。 而从实用方面看，激光器的电源技术要求高，耗能大，泵浦源物质的能量转化效 率很低，第一代激光器均需要复杂的水循环散热系统才能工作，而半导体激光器 由于技术含量高，开发成本高，价格昂贵，也限制了它的应用 j i a n gj i a np i n g 2 0 0 0 ，在市场价格方面，二者更是不可相比，l e d 由于结构简单、供电电源小 巧、功耗低、寿命长、可靠易推广，因此它的价格远远低于目前市场上的任何一 类激光器。因此，这些原因使得用l e d 这种新光源来代替目前的激光器，进行 生命科学的研究和应用，具有了广阔的前景和较高的实用价值。 1 2k a r u 关于非相干单色光的细胞生物效应 k a v a 在六年时间里，从动物细胞分子水平上，系统地研究了细菌、酵母菌 和哺乳动物细胞在u l 与可见光作用下的行为，发现光刺激效应主要与波长、照 射剂量和照射方式有关，而相干光的条件不是必须 k a r u t1 9 8 9 。因此，l e d 可 以代替目前在生物医学中普遍使用的激光。 k a r u 对这些不同水平的生物体，用相干性好的激光与相同波段的可见光进 行的对比实验表明：无论是在d n a 或蛋白质的合成速率 f e d o s e y e v a e ta l1 9 8 4 ， k a r u t i1 9 8 4 ，细胞或细菌生长速率 t i p h l o v a1 9 8 6 ，k a v a t i1 9 8 3 ；以及各种酶 的活性i f e d o s e y e v a l 9 8 6 和c a m p 水平 k a r u t l l 9 8 5 ，1 9 8 7 的测试结果来看， = 者具有相同的刺激效果。而用相干和不相干的红光在治疗消化道溃疡方面也会 有相同的效果 s a z o n ve ta l1 9 8 5 ，从而说明非相干性可见光同样可以达到激光 的生物刺激效果。另外，k m - u k a r u1 9 9 8 还根据大量的实验结果从氧化还原电 位的角度提出了这样的观点，如果细胞的氧化还原电位已经处于细胞可以发挥i e 常功能的状态，细胞对低强度单色光就没有响应；细胞的氧化还原电位比这个j 下 常值越低，细胞对低强度单色光的响应越大。t u n & 等人 t u n e rja n dh o d el1 9 9 9 进一步指出，只有对那些生物功能需要调整的生物组织，低强度单色光才能产生 影响。这跟下面要介绍的光生物调节作用机理是相符的。 1 3 光生物调节作用机理 低强度单色光对生物细胞和组织具有生物调节作用，也就是说，既具有刺激 作用，也具有抑制作用，这种生物调节作用可能既与单色光的波长、剂量有关， 也与细胞本身的功能状态有关。影响低强度单色光生物效应的因素非常复杂，因 此，实验条件稍有不同就容易导致不同、甚至相反的结果。 如果单色光的能量刚好与色素的分子能级间隔相匹配，单色光与色素就可以 发生共振作用。哺乳动物或人的视觉细胞膜上的视色素就可以共振吸收可见光， 但一般非视觉细胞膜上没有这样的色素分子。研究表明 k a m1 9 9 8 ，低强度单 色光对非视觉细胞有信号作用。目前光对细胞的调节通路可以分为两类，特异性 通路由细胞色素c 氧化酶 k a r u l 9 8 7 ，1 9 8 9 & 1 9 9 8 ，y u e t a l1 9 9 7 ，e e l l se ta l2 0 0 3 、 血色素 b o r i s e n k oe ta l1 9 9 7 ，s t a d l e re ta l2 0 0 0 ，v y g o v s k ye ta l2 0 0 2 ，m ie t a l 2 0 0 4 、单线态氧 l i n d g a r d e ta l2 0 0 3 和内源性卟啉 k l e b a n o v e ta i2 0 0 3 a 等光敏 物质 l a v ie ta 1 2 0 0 3 与光发生共振作用的分子所介导，非特异性通路由与光不能 发生共振作用的细胞的膜分子所介导 l i u t c yc t a l1 9 9 9 ，2 0 0 0 & 2 0 0 3 a 。 关于低强度单色光的作用机制，目前主要有k a r u k a r u1 9 9 8 的线粒体学说和 刘承宜 l i u t c y l 9 9 9 2 0 0 0 1 等人的生物信息模型学说。k a r u 认为，低强度单色光 可被细胞线粒体中的细胞色素所吸收，随后不但促进a t p 的合成，而且可以通 过电子传递链产生的氧化还原反应调节细胞的功能。刘承宜等人认为低强度单色 光的生物信息调节作用是由细胞膜受体所介导的，细胞膜化学配体的受体可与低 强度单色光发生非共振作用。按照量子力学，非共振作用可以忽略，然而，当细 胞膜受体处于相干状态时，这种非共振作用可被相干状态下的受体数目非线形放 l3 大，只有病理状态下的细胞膜受体才会处于相干状态，因此，低强度单色光只能 对病理状态下的细胞产生效应。病理细胞处于相干状态的受体接受光信号以后， 将改变构型，并启动细胞内部的信号转导通路。刘承宜等人 l i ue ta l 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 3 a 将这种光信号转导称为协同光信号转导。 1 4 光生物调节中的非共振作用特征 共振作用是特异性的，只要有满足相应条件的光子和分子，共振作用肯定可 以发生，非共振作用是非特异性的，因为发生的几率很小，需要特殊的条件才可 以发生。而光生物调节作用只能作用于病理的细胞或组织。对于共振作用来说， 只要满足相应条件的分子系统吸收相同数目的光子( 光的照射莉量样) ，效应 应该是相同的，即倒易规则成立。然而倒易规则对光生物调节作用不成立，根据 倒易规则( b u n s e n r o s c o e 规律) ，当光剂量( 光强乘以光照时间) 保持恒定时， 光化学响应对光强和光照时间是独立的。但对于光生物调节作用，给定剂量的光， 存在一个最佳光强或最佳照射时间 v a nb r e u g e le ta l1 9 9 2 ，k a r u1 9 9 8 ，s c h i n d le t a l2 0 0 1 。光参数如果不在最佳强度附近，光就没有生物调节作用。这是非共振 作用的第一个最显著特点。大量实验证明，这种非共振作用的另外几个显著特点 是：第二，低强度单色光所产生的细胞效应非常弱。正如k a r ue k a v a1 9 9 8 所指 出的，尽管低强度单色光的细胞效应很弱，有时甚至观察不到，关于低强度单色 光的细胞效应研究还是屡见报道。这说明，低强度激光细胞效应确实存在，但效 应很弱，而且只有具备了一定的条件才可以观察到。第三，几乎可见光波段的每 一种单色光都可以产生细胞效应 k a r u1 9 9 8 。非视觉细胞不同于视觉细胞，即 使线粒体的细胞色素对可见光有共振吸收，也不会像视色素那样覆盖整个可见光 波段，蛋白质或核酸等细胞生色团的光谱吸收峰的波长都比可见光短得多，生色 团对可见光的吸收只能是非共振吸，也f 是这种非共振吸收可以解释所有波段的 可见光都有细胞效应。第四，与共振作用不同的是低强度细胞效应不是精确依赖 于激光的波长或频率。例如，6 2 0 n m 和6 8 0 n m 的激光都可以促进h e l a 细胞在玻 璃上的黏附 k a r ue ta l1 9 9 6 。第五，非共振吸收的损伤阈值远远高于共振吸收。 由于非共振作用的以上这些特点。因此，对大多数动物细胞或组织的光生物 调节作用，光源并不需要非常窄的光，一般来说谱线半宽度从几到几十纳米就可 以，而这正好是在发光二级管的波段宽范围。 1 5 生物信息模型m i m p l 绌胞膜受体非共振吸收单色光信号后所发生的下游过程与一般信号转导类 似。通过分析大量的基础与临床研究，刘承宜等人 l i u e ta l1 9 9 9 & 2 0 0 0 & 2 0 0 3 a ， 刘承宜等1 9 9 7 & 2 0 0 0 提出了光生物调节作用的生物信息模型( b i m p ) ，从| 办同 光信号转导( c o l l e c t i v ep h o t o t r a n s d u c t i o n ) 的角度成功解释了低强度单色光的信 息功能。将可见光划分为，u v a ( 3 2 0 4 0 0 n m ) 、紫、蓝和绿等冷色和红外( i r ) 、 红、橙和黄等暖色两类。a l m e i d a l o p e s 等人e a l m e i d a - l o p e s e ta l2 0 0 1 研究了 6 7 0 、6 9 2 、7 8 0 和7 8 6n l n 四种波长的激光对人齿龈成纤维细胞的增殖作用，发 现相同强度的激光诱导的细胞增殖作用与波长无关。这个结果支持b i m p 对可见 光的分类。 细胞对不同剂量段的暖色光或冷色光作出不同的反应，而且不同细胞的剂量 效应规律不同。不同细胞的生理过程，有不同的分类。对于血细胞、血管内皮细 胞、平滑肌细胞和巨噬细胞等细胞，可以按照信号转导途径来分类： 生理过程1 ：g s 蛋白介导的信号通路：c a m pf ； 生理过程2 ：g q 蛋白，g i 蛋白或受体关联酶介导的信号通路：c a m p4 。 人二倍体成皮肤纤维细胞用氦氖激光照射后，对细胞数量和胶原蛋白i 型量 进行t n 定。低能量的激光( 低于2 ，9 1 m w ) 和较短的照射时间( 0 5 到2 分钟) 大多具有促进作用，高能量( 5 9 8 r o w ) 则无影响。值得注意的是，胶原蛋白i 型的产生与细胞的增殖相互拮抗：当细胞增殖提高，则胶原蛋白i 型就会减少 v a l l b r e u g e l e ta l1 9 9 2 。因此，对于成纤维细胞，可以按照细胞的功能来分类： 生理过程1 ：胶原合成 生理过程2 ：细胞分裂 按照b i m p ， 暖色兴奋信号生理过程1 冷色兴奋信号生理过程2 为了讨论的方便，将上述模型称为b i m p l 。 根据b i m p 可知，b i m p l 的成立有一定的剂量范围。当激光的剂量超过 b i m l l 成立的阈值时，可以得到b i m p 2 ： 冷色兴奋生理过程1 暖色兴奋生理过程2 这个剂量范围是研究得最多的。b i m p 2 得到了3 0 0 j m 2 低强度h e - n e 激光诱 导牛中性粒细胞产生呼吸爆发实验 d u a n e ta l2 0 0 1 1 的直接验证。用化学发光法测 量激光诱导中性粒细胞在体外呼吸爆发，用g e n i s t e i n 等胞内信号转导分子活性 抑制剂研究产生这一效应的信号转导途径。实验发现，酪氨酸蛋白激酶( p t k s ) 抑制剂g e n i s t e i n ( 1 0 0 m ) 完全抑制了这一效应，磷脂酶c ( p l c ) 抑制剂u 一7 3 1 2 2 ( 1 m ) 和蛋白激酶c ( p k c ) 抑制剂c a l p h o s t i nc ( 5 m ) 部分抑制了这一效应。 实验结果表明，p t k s 在诱导呼吸爆发过程中起重要作用； f p t k s p l c p k c n a d p h 氧化酶】这一信号转导途径可能参与了激光诱导呼吸爆 发产生的过程。3 0 0 j m 2 属于第二个剂量段。h e n e 激光属于暖光。p t k s 介导的 信号通路属于途径2 。显然，b i m p 2 成立。 当激光的剂量超过b i m p ( 2 n 一1 ) 成立的闽值时，根据b i m p ，可以得到 b i m p 2 n = b i m p 2 ；当激光的剂量