生物超弱发光在法医学中的研究应用展望

生物超弱发光在法医学中的研究应用展望 生物超弱发光在法医学中的研究应用展望 【摘 要】 生物超弱发光携带着生物体新陈代谢和能量转化的信息，已成为生命学科的重要研究领域。本文回顾生物超弱发光的研究历史、特点及在医学领域的研究应用现状，展望生物超弱发光在法医学，尤其是死亡时间推测和损伤方面的研究应用前景。【关键词】生物超弱发光；法医学；死亡时间；损伤【中图分类号】 r919【文献标识码】b【文章编号】 1007 9297(2005)01 0051-03the appficafion prospect of the use of bio-photon emission in forensic science zhu xin ju wang zhen-yu o, yu0 un， et a1 department offorensic medwine， xi jiootong university,xi 710061【 abstract】 because of the bio photon emission (bpe)from biological system carries the important information ofmetabolism and energy transformation of the living biological system including human， so that bpe s research will become animportant research field in life science this paper reviewed bpe s research history， characters and advances in medical field， and presented the initial prospect of future use in forensic science esp in postmortem interval and injury【 key words】 bio-photon emission； forensic science； postmortem interval； injury 生物超弱发光 (bio photon emission or ultra weak bioluminescence， bpe)是生物体进行新陈代谢过程中细胞自发辐射极微弱的光子流，以及细胞受外界激发光消失后仍保持的极其微弱的延迟发光其强度仅为 100 104 光子 (cm2(s)。 11 bpe 广泛存在于动物、植物以及单细胞生物之中是反映生物体本原的与生命活动过程有关的信息。用灵敏的现代光子计数技术对 bpe 进行初步研究表明，动植物的不同生理活动过程，存在不同强度和特征的超弱发光 超弱发光与生物体的许多重要生命过程，如氧化代谢、信息传递、细胞分裂、光合作用和癌变、死亡及生长调控等存在着内在联系，已成为生物光子学的重要研究方向之一， 21 在临床诊断、农作物遗传 性诊断及环境检测等领域可有重要的应用。本文回顾 bpe的研究历史、特点及在医学领域的研究应用现状，从法医学角度展望生物超弱发光在本学科的研究、应用前景。一、 bpe 的发现和研究历史生物超弱发光的发现，可追溯到上个世纪 20 年代。早在 1923 年，前苏联科学家 g gurwitsh 在著名的 “ 洋葱试验 ” 中就已发现并证明了超弱发光现象。 31 到了 60 年代，前苏联科学家对超弱发光进行了大量研究， mamedov 对 90 余种生物的测定发现除蓝藻和原生动物外，所有生物都有不同程度的发光证明了超弱发光的普遍性。 4 slawinska 等更进一步提出任何生命物质都存在着超弱发光现象。 5】 80 年代以后， bpe 的研究已在前苏联、美国、 13 本、欧洲以及我国展开并已开始向细胞、亚细胞及分子水平深入。到目前为止，人们已经对超弱发光的机制、测试仪器及其应用开展了大量研究工作二、 bpe 的特点 bpe 极其微弱， 61 生物系统表面每平方厘米秒(om s 一 1)发射的光子可以从几个到几百个，这一强度相当于远在10 公里甚至 100 公里外一根蜡烛发出的光。分裂的细胞比休止的细胞发光强，并主要在细胞分裂前期发射，所以称有丝分裂发光。发射光谱很宽，至少覆盖从紫 外到红外的整个光谱区。 bpe 的值和生物进化程度成正比，进化程度越高，其 bpe 值越大 ，辐射的波长越向红外扩展。发光强度与生物系统的生理和生物学功能有多方面的联系：超弱发光强度与细胞的种类及其所处的代谢状态有关，如正常细胞【作者简介】朱新菊 (1979 一 )，女，江苏人，在读法医学硕士，主要从事法医病理学研究。tel+86 29 82655472 e-mail： wzy21 8mail xjtu edu cfi 52 的延迟发光强度随细胞浓度的增加而减小而肿瘤细胞则相反肿瘤生长旺盛期大鼠血清的超 弱发光与对照鼠的相比偏差最大：对各种物理和化学因素很敏感，几乎任何一种化学物质都能影响细胞发光的强度。三、 bpe 的来源和可能机制生物体在进行生理、生化反应的过程中，处于基态的原子或原子团获得能量其电子从基态跃迁到激发态，处于激发态的原子或原子团不稳定，将释放多余的能量回到基态，能量的释放伴随有热、电离和光子的发射等，其中能量以光子形式释放的过程称为生物的超弱发光。代谢和核酸合成是生物超弱发光的两大主要来源，萌发绿豆中这两者之和约为 96。吲代谢发光又主要来源于氧化还原等代谢过程，如脂肪酸氧化、酚和醛的氧化 、 h 0 的酶解、花生四烯酸的氧化、儿茶酚胺和单宁的过氧化，醌的氧化裂解、蛋白质和氨基酸的氧化等。氧化剂 d 0 明显增强血红素蛋白的发光强度、呼吸抑制剂 nan，对萌发绿豆超弱发光的抑制达 72等都是极好的例证。 71wright jr 等通过小鼠肝脏微粒体的化学发光与脂类过氧化的研究，证明脂肪酸氧化是超弱发光的主要来源之一。 81 代谢发光机制包括了活性氧生成与控制两个方面，能较好地解释自 基引起超弱发光的可能性。由于活体内的氧化反应速率受抑制剂的控制，如生育酚、过氧化物酶、过氧化物歧化酶、维生素 a、维生素 c等都 能清除活性自由基因此，生物在代谢过程中产生的大量自由基不可能使超弱发光强度太高但是当生物体内的天然阻氧化剂和氧化脂类之间的平衡被打破后将导致发光强度瞬时剧增，出现 “ 闪光现象 ” 。核酸 dna 和 rna 的合成反应是超弱发光的另一个来源它在绿豆种胚超弱发光中约占 24，其波长在 190 325 nm 的紫外波段 21 与代谢发光的光谱范围有所不同，用代谢发光难以解释。因此，分裂发光与代谢发光可能有不同的来源和机制， popp 等提出过dna 光子贮存假说和分化的物理模型。 91 rattemeyer 等根据溴化乙锭对超 弱发光的影响也初步证明了 dna 是一个超弱发光源。 101马文建等还对 dna 发光特异性进行了研究，结果表明在所有碱基中只有鸟嘌呤能够发光，且发光强度与浓度 (亦即 dna 浓度 )成正相线性关系。 li】四、 bpe 在医学领域的研究现状及应用前景尽管生物超弱发光的机制研究还有待深入但超弱发光研究所揭示的生命科学命题已经展示了光辉法律与医学杂志 2005年第 12卷 (第 1期 )的前景。近年来，光子学技术在生物特性研究中的作用越来越突出已成为一类新的生命科学的研究工具。这种研究方法可能成为研究细胞信息传递、调控、分化、识 别等基本过程的重要工具进而发展人为调节超弱发光来实现对生命过程的控制。 11 目前在医学、药理学、农业、环境科学及食品科学等方面，对 bpe 均有深入的探索。对临床实践来说，血清的超弱发光较为重要。血液的超弱发光可以作为一种灵敏、快速简易的生物物理指标，对血液发出的生物光子进行测量和分析可以揭示疾病的发生或者提供先兆。罗金梅报道了人体体表的生物发光随年龄的增加而增加，而且吸烟人的生物发光普遍高于同龄正常组。11 马玉琴等发现癌症患者血液的发光强度明显高于对照组，且有显著性差异，通过对人体血液的超弱发光测量，可以 进行癌症患者的早期诊断。 超弱发光对于 鉴别肿瘤和炎症也是极其有用的指标。顾樵曾报道利用生物光子鉴别肿瘤和炎症，鉴别率达 100。超弱发光与许多生理生化反应有关。对绵羊精子的研究发现，发光强度与活力、呼吸、果糖酵解、磷酸肌酸呈正相关，这种发光与活力和能量代谢间的内在联系，反映了精子能量转化过程，是评价精液品质很有价值的指标。 131此外超弱发光还可以用于检测病人对药物过敏的情况 在患者血清中加入待检药剂，观察其发光变化。与健康人相比，耐药病人的发光值高 2 3 倍对药物敏感的病人发光值高 6 8 倍。生物医学光子学被预测将在以下 8 个领域有所发展：光动 力学医疗、激光和组织的相互作用、无透镜显微术、在血液化学分析中的进展、癌症的光学显示、利用激光检测 dna、伤害最小的光子设备、一体化的激光和成像系统。 li4】五、 bpe 在法医学的应用研究展望 (一 )bpe 运用于死亡时间推测目前死亡时间的估计尤其是早期死亡时间的估计尚无精确可靠的方法。生命的终结是一个逐渐发展的过程，从生到死没有一个截然的分界线。通常死亡是指个体生命的终结而言。从生物学角度来说机体内各种组织、细胞并非在同一时间进入死亡。临床死亡发生后，由于机体各种组织对缺氧的耐受性不一故心跳停止后各种组 织细胞也会经历一段长短不一的缺氧期逐渐发生各种缺氧性改变，最终发展至生物学死亡 (也称细胞性死亡 )。在这个阶段细胞内的 “ 自由基 ” 复合反应以及 dna 的构象必然会随死亡时间的延长发生一系列的变化，因此超弱发光也必然会法律与医学杂志 2005 年第12 卷 (第 1 期 )随之产生一系列变化。此时利用生物光电技术定时测量细胞辐射出的生物光子数，就可以得到生物光子与死亡时间的关系。研究发现，离体的不同发育时期的鸡胚神经细胞发光有很大差异，9 天以后的鸡胚神经细胞有明显的特征曲线。该曲线的产生与外界温度、氧、电场作用和光照等因子有 关。温度由 41 降到 37 过程中，发光强度亦降低，同时最大峰位置后移，但当温度低于 37 时。则特征曲线变得不明显；外界电场和光照能使发光迅速增加，但不能改变发光曲线的特征且移去外电场后，能迅速恢复到原发光水平。 l5】既然发育时期的 bpe 可出现特征曲线。是否死亡时 bpe 也会出现特征曲线，这有待于开展进一步研究。 (二 )推断损伤时间、形状、程度和伤口愈合时间机体受损后组织细胞的生理活动和形态功能发生不同程度的改变。故其超弱发光的强度和特征也会随之出现不同程度的改变。 balasigamani 等在鼠背部损伤 bpe 测量的实验中发现。损伤后即刻获得的生物光子的二维图像。未显示明显的伤口形态和定位；损伤 48 h 后。显示出伤口形态，且光子密度持续上升；随着免疫系统的激活。光子密度在伤后 3 5 d 达峰值；伤后第 6 天，光子密度开始衰减；在伤后第 8 天伤口完全愈合。图像不再显示明显的伤口形态；痂脱落后光子密度又恢复到正常状态。【 1 句研究损伤后 bpe 的强度、特征、分布随损伤时间的变化规律，有利于更加精确的推断损伤时间、损伤程度等，同时也能在一定程度上反映损伤性质以及致伤工具的特征。 (三 )bpe 应用于法医学的可行性顾樵对鱼肉的新鲜度 与光电强度进行了深入的研究建立了鱼肉的新鲜度与光电强度递减的方程式。 由于生物超弱发光辐射出的光子呈量子状态，运用该法对人尸体进行研究可以精确计数。较之以往根据尸温测量、 dna 降解程度的图像分析等方法具有极大的优越性。因此可用来对死亡时间等进行前所未有的精确推断。由于肌细胞耐缺氧能力强，在躯体死亡后肌细胞的存活时间较其他组织要长，故其生物发光的能力也较其他组织要强，易于测定。目前，已有商品化的生物光子测定仪面世，运用该仪器进行动物试验测定动物死后肌肉的 bpe 变化。在人尸体上取心肌和骨骼肌重复动物实验过 程。校正动物试验数据。建立人体死亡时间与肌肉组织生物光子变化的方程式从而根据方程式及测定的 bpe 值来推断死亡时间。 53 此外，生物光子学的其他研究成果也可借鉴运用到法医学中。如无透镜显微术等可作为继电镜之后的又一法医病理学研究的重要手段；利用激光检测微量检材中的 dna，在法医物证鉴定中具有重要意义：一体化的激光和成像系统将成为继 ct、 mri 之后的新型检测装置在法医临床的损伤鉴定中发挥重要作用。环境监测中运用生物发光技术对废水、废液中重金属及致病菌进行检测。灵敏度可达十亿分之几的数量级，显然，这些技 术对法医毒物分析的发展也将产生巨大的推动作用。参考文献 1 吕可诚，张春平，张光寅，等生物光子学进展 jj光子学报， 1997 26(12)： 1123-11292 王维江，韩俊英生物超弱发光机制及其检测方法研究进展 -l】广东工业大学学报， 2000， 17(1)： 49 54【 3 gurwitsch a g die nature des spezifischen erregers derzelteilungj】 arch entw mech org，1923， 100： 1 1-404 聂继云， 彭运生生物超弱发光及其应用研究概述 j】激光生物学， 1998， 7(2)： 124-1305 slawinska d chemi-and bio-luminescencem marcel dekker inc， newyork，1985， 4956j 刘颂豪，孟耀勇，刘承宜生物光子特点及其可能机制 j】激光与红外， 1997， 27(2)： 67-697 毛大璋，沈恂，张月敬，等代谢抑制剂对萌发绿豆超弱发光的影响 j】生物物理学报，1988， 4(2)： 116-1208 wright j r the relationship between chemi-luminescence and lipidperoxidation in 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