激光与生物组织的相互作用及主要应用

学科综述 激光与生物组织的相互作用及主要应用 李新华,怀素芳 (河北大学 物理科学与技术学院,河北 保定 071002) 摘 要:激光在生物学和医学中应用的主要机理是激光的能量必须转化为其他形式,构成生物组织的分 子和原子能够吸收激光的能量,而最终把它转化成其他能量形式.简介了激光与生物组织相互作用所产生的 激光生物效应,概述了激光在生物学和医学研究中的最新进展和发展动向. 关键词:激光;生物组织;相互作用;应用 中图分类号:Q 631 文献标识码:A 文章编号:1000 - 1565(2003)02 - 0198 - 06 光是地球上一切生命的主要能量来源,没有光不可能产生和存在生命物质.光在生命的起源与进化,生 物结构形态变异和功能发展中起着不可缺少的作用.由于激光具有其他任何光源所不可能有的优异特性,自 然和生命物质结下了不解之缘.由于激光的出现大大改变了人类对自然界的认识能力,为人们认识和改造自 然,特别是为探索生命物质提供了一种强有力而又特别精确灵敏的工具,并使生命科学的许多领域取得了突 破性的进展,甚至派生出新的学科或学科分支. 1 激光生物效应 激光生物效应一般是指激光作用于生物物质可能产生的物理的、 化学的或生物的反应,激光生物效应的 不同,既取决于激光本身,也取决于生物体的特性,大致可分为以下几种: 1. 1 激光生物热效应 激光作用于生物体会使其局部温度升高,称为激光生物热效应.生物体生热机制视光子能量而定,低能 量光子可引起生物体直接生热,而高能量光子多经过一些中间过程使生物体生热,故生热的途径有2种,其 一为吸收生热,生物分子吸收激光特别是红外激光光能,本身运动动能增加,温度升高.其二为碰撞生热,生 物分子吸收激光光能跃迁到某一激发态,在返回到原来的能态或其他低能态时与周围其他生物分子发生多 次碰撞,同样使周围分子运动动能增加温度升高.激光生物热效应的对外表现为生物体局部温度升高、 汽化、 切开、 凝固等. 1. 2 激光生物光化效应 激光生物光化效应又称激光生物光化反应,是指在激光的作用下,使生物物质产生理化反应,或使其反 应定向及加剧等.生物物质所以能生长发育、 修复和繁育等,其中生化反应是主要因素之一.激光生物光化反 应可分为原初光化反应和继发光化反应两个阶段,当生物分子吸收一个或多个光子能量以后,受激跃迁到某 一激发状态,在它返回到基态又不返回到原来的能量状态的驰豫过程中,多出来的能量消耗在本身化学键断 裂或形成新键上所发生的化学反应称为原初光化反应.通常在此过程中形成大多具有高度化学活性的中间 产物,这些极不稳定的中间产物继而进行化学反应直至形成稳定产物,这种光化反应称为继发光化反应. 收稿日期:2002 - 12 - 10 作者简介:李新华(1944 - ) ,男,河北宁晋人,河北大学副教授,主要从事激光与物理方面研究. 第23卷 第2期 2003年 6月 河北大学学报(自然科学版) Journal of Hebei University (Natural Science Edition) Vol. 23 No. 2 Jun. 2003 1. 3 激光生物机械效应 当生物组织吸收激光能量时,可近似地把生物组织当作单相水样溶液,可能发生2种现象:如果能量密 度超过某一阈值,就会产生蒸发并伴有机械波;若能量密度低于该阈值,就只产生机械波而无蒸发.另外激光 可通过电场与生物物质起作用,可产生电致伸缩,自聚集,自俘获及受激布里渊散射等现象.这些现象可伴生 机械作用. 1. 4 激光生物电磁场效应 高功率密度激光作用于生物组织会引起生物组织变化,这是因为激光是电磁波.激光与生物组织相互作 用实质上是电磁场与生物组织相互作用,在这种作用中主要是电场起作用.激光的电场强度与激光的功率密 度有关.高功率密度激光作用于生物组织,有可能在生物组织内产生光学谐波,发生电致伸缩,导致喇曼散射 等,可使生物组织电系统发生变化. 1. 5 激光生物刺激效应 激光作用于生物组织,在不引起不可逆损伤时,会引起生物体的某些应答性反应,这种效应叫作激光生 物刺激效应.生物体对这种刺激的某些应答性反应可能是兴奋,也可能是抑制,由激光和生物体两者性质而 定.由实验得知,这种刺激可引起机体的免疫功能,血液循环、 血红蛋白合成、 糜蛋白酶活性及白细胞噬菌作 用等的应答性反应,在合适的条件下,这种应答性反应是有益的,它有利于生物的生存和延续. 激光作用于生物组织可产生多种效应,严格地说各种效应没有明确的界限,哪种效应为主,由激光和生 物体两者决定,它可能是单一的,更多的则是综合的.就效应的分类来说也并非绝对的,大致可分为以上5 种. 2 激光生物技术 生物技术是个相当广泛的概念,一般认为构成生物技术的主体是基因工程、 细胞工程、 酶工程和发酵工 程等.激光生物技术起步较晚,但发展很快,已取得了不少成果. 2. 1 基因工程 基因工程是指基因转移,DNA裁剪和基因定位等.激光问世以后,无疑为这些研究提供了一种特别精确 灵敏的工具.由于激光是高相干光,它可以聚集成微米甚至纳米的激光束,所以激光问世不久就进入了细胞 遗传研究领域,人们开始考虑用激光微束对组织或细胞打孔,导入外源DNA ,称为激光微束外源基因导入 法.实践证明这种方法是行之有效的.付道林等1对这种方法作了详细介绍,将激光束聚集到微米光斑,并 保持适当强度,脉冲微束激光与生物肌体作用时间很短,热效应小,冲击效应大,在肌体被作用瞬间可形成自 愈合的孔,与此同时采用一定技术可使外源基因进入细胞内,并随机整合到动植物基因组DNA上,如辅以 光镊技术,可实现真正意义上的目的基因或目标染色体导入.此法体现出操作简便,对细胞损伤小,成活率 高、 速度快和实验重复性好等优点. 早在1970著名学者Berns等2就指出,激光有希望用于探索生命现象,揭示细胞及器官的结构与功能. 到了20世纪80年代人们开始考虑应用聚焦到微束级的激光微束对生物靶体如植物细胞,花粉等进行穿刺, 引起膜的可逆性穿孔3 ,4,将外源基因导入受体细胞以获得转基因动物、 植物和微生物. Weber等5证明,激 光微束能够将外原DNA导入植物细胞内,甚至能够导入细胞器叶绿素中,以实现植物转化.中国科技大学 谭石慈等6于1988年报道了用激光在蚕卵上打孔植入染色质引起蚕变异的成功实验,开创了我国激光基因 工程的新途径.中国科学院遗传研究所刘桂珍等7采用激光微束穿刺法将外源基因导入小麦、 油菜、 苹果等 植物成功地获得了转基因植株,又采用激光微束穿刺法,将含有- 1 ,3 -葡聚糖酶及几丁质酶基因的双价 植物表达载体pBL GC成功地导入棉花幼胚获得转基因抗病棉,抗病效果比较明显,对棉花抗病育种起到了 较大推动作用. 激光切割染色体与微克隆和细胞培养相结合,有可能为基因定位,基因分离开辟出一条新途径.王兰凤 等8人进行了激光微束显微切割植物染色体的研究工作,他们选用蚕豆、 小麦、 玉米等农作物为研究对象, 991第2期李新华等:激光与生物组织的相互作用及主要应用 用A + r激光作光源,完成了多种农作物染色体切割并获得了成功,他们的研究成果建立了激光微束显微切割 高等植物染色体技术,为进一步应用植物染色体工程,基因定位及植物染色体片断DNA克隆提供了可能 性.激光引起染色体畸变效应已有许多报导9,实验表明,激光辐照生物细胞染色体可引起畸变,并随激光 剂量的增大染色体畸变率升高.研究表明,激光辐照不仅能使染色体单体之间互相交换形成多桥结构,还能 使其中双键的DNA氢键断裂或通过激活DNA合成体系酶的活性,从而解开DNA的双键,诱发非常规的 DNA合成.朱苏文10等用低功率He - Ne激光辐照离体质粒DNA ,并用离子束和紫外线对照发现,He - Ne 激光辐照可引起质粒DNA断裂,其断裂频率随激光辐照剂量增大而提高.分析He - Ne激光、 氮离子束和紫 外线辐照诱发DNA断裂效应,为激光诱发DNA变异提供了分子依据. 2. 2 细胞工程 细胞融合是遗传工程的重要手段.动物植物和微生物的细胞都可以融合,实现体细胞杂交.目前常用化 学融合法和磁电融合法. 1987年德国海德堡理化研究所首次报导了用激光诱导哺乳动物细胞融合和植物原 生质融合27.他们先将大鼠-细胞成对相连形成预杂交种,但这种成对细胞的紧贴程度不足以促成融合, 而后在显微条件下,把激光微束照射在预杂交膜上的一点,使两相分开的膜消失,骨髓瘤的胞质与-淋巴 细胞混合,最后形成杂交细胞.与其他促融剂相比,激光法的优点是无毒性,对融合点或融合对象有选择性, 还可监视全过程.由于激光诱导融合选择性高-它可能是快速生产医用单克隆抗体的适宜方法. 激光辐照线粒体也会造成某些损伤,使功能或形态发生变化,由于线粒体是细胞贮能的地方,线粒体受 伤乃至崩溃必然导致细胞畸变或死亡.江苏淡水水产研究所徐在宽等11用红宝石脉冲激光微束仪分不同剂 量照射黑蟾蜍受精卵,发现被照射受精卵各部位都能产生畸变胚胎,在孵化阶段残废率较高,有些发育成畸 形蝌蚪,观察这些畸形蝌蚪尾部表质细胞,发现线粒体明显增大,甚至崩溃,线粒体似有并合之势. 激光对细胞微核率也有影响.微核是诱发因子诱发染色体无着点或环,出现微核说明染色体受到损伤, 因此可用微核出现率来评价理化因子诱发细胞染色体损伤程度.张百雯等12测量了He - Ne激光照射人体 外周淋巴细胞出现的微核率,测试结果表明,接受激光照射的人均有不同程度微核率出现,激光照射时间越 长微核率出现越高.另外发现激光对细胞质、 细胞核以及中心粒等都有影响.总之,用激光微束原则上可对单 个细胞或细胞的各个组分进行辐照.用来研究细胞各组分的功能和相互制约关系以及引起的各种变异,对了 解生命现象探索病因学具有重大意义. 2. 3 发酵工程 发酵工程一般包括催陈技术和提取技术,激光技术的发展无疑对这两项技术注入了新的生命力.为了提 高酿酒的经济效益,近年来迅速开展了人工陈化酒的研究,据报导已有15种人工催陈方法,其中激光陈化酒 是一种新颖有效的方法.自1987年以来,已有数十家进行了这项研究工作,结果证明,激光催陈酒1 min ,其 质量相当于自然陈化半年以上的酒,且不改变原来酒的风味.激光陈化酒已经过小试和中试阶段,取得了比 较好的结果,但要想得到长期陈化结果而不返生的酒,还要做大量的研究工作.另外,激光催陈食醋也得到了 明显的陈化效果. 激光用于从微生物中提取有用物质,是激光在发酵工程中的又一应用.据报导已有用激光从微生物中提 取胰导素、 氨基酸、 核糖核酸等的研究成果,也有报导用激光从猪脑中提取维生素以及用激光提高果胶酶产 量等的研究成果.胡卫红等13 ,14等对He - Ne激光辐照酿酒酵母菌的生物效应作了研究.经过适当处理把 酿酒酵母菌制成酵母菌细胞液,用不同剂量辐照,结果发现小剂量照射可提高细胞生理活性,促进酵母菌生 长繁殖加快,其中以10 min为最好,其细胞增长率为20 %27 %.而大剂量对细胞繁殖有抑制作用甚至使其 致死,并发现激光辐照对酵母菌存活率、 菌落形态以及生理代谢也有不同程度影响,并可引起酵母菌变异,现 已选出2株优良变异菌株,他们的研究为工业上利用He - Ne激光对酿酒酵母菌进行诱变育种展现了新的 前景.果胶酶广泛用于食品工业,为了提高果胶酶产生菌ASP 3. 396的产酶性能,杨天波等15用CO2激光 对该菌种发酵周期进行了辐照,结果发现,CO2激光辐照对ASP 3. 396菌体生长发育有显著影响.影响之一 可使孢子由黑色变为浅褐色,从而使酶液色泽浅,可减少果胶酶制剂生产工艺过程中脱色的繁杂步骤,另外 激光辐照可使菌体酶活力增加,与对照组比可提高48. 5 %.核黄素又称维生素B2,是人体和动物生长必需的 002河北大学学报(自然科学版)2003年 成分,在食品工业和医药工业中有广泛的应用.杨树红等16 ,27进行了He - Ne激光辐照诱发棉病囊酶突变 产生核黄素的实验研究.结果表明,激光辐照可引起AG菌突变,AG菌突变能诱导生成核黄素,和传统方法 相比,此法原料广泛,产品价格便宜,有商业竞争价值.总之,还有其他许多研究都表明,激光在发酵工业中有 广泛的应用前景. 3 激光医疗 激光医疗是激光应用于生命科学最早,发展最快也最有成效的领域,它既可以用于检测和诊断,又可用 于疾病的预防与治疗,几乎涉及治疗各科.其治疗方法分为激光光针和扩束治疗.激光烧灼、 切割和汽化治 疗,激光光敏治疗和激光内窥镜治疗等,所用的激光器已达40种以上,有些激光器已成为现代医疗中不可缺 少的工具.近年来激光在医学上的应用已发展成为一门新的边缘学科.大量临床资料证明,激光对某些疾病 的治疗方法及其效果是某些常规方法所不可比拟的,如激光血管成形及吻合术,激光角膜矫正术,激光美容 换肤术以及激光无痛除龋补牙术等等. 探索和临床应用同等重要.在积极开展临床应用的同时,人们正在深入研究治病机理特别是为开创激光 医疗的新方法和新途径而在潜心工作.激光特别是低功率激光对肌体有多种生物刺激效应,涉及到肌体各个 部分和器官,并可激活巨噬细胞活性,激活后可产生多种活性物质,增强肌体抗感染、 抗肿瘤及免疫调节作 用17 ,18.为了说明激光对人体某些穴位照射可调节或增强机体免疫功能等,任明姬等19研究了He - Ne激 光穴位照射对小鼠腹腔巨噬细胞功能的影响.用能量密度为6395 J/ cm2He - Ne激光照射小鼠神阙穴,时 间分别为3 ,5 ,7和10 d ,每天照射1次,每次10 min ,激光照射结束后取小鼠腹腔内巨噬细胞,经测试分析发 现,各激光穴位照射组小鼠腹腔巨噬细胞对白色念球菌的吞噬率、 吞噬指数及非特异性脂酶的各项参数与对 照组相比,差异均有非常显著意义,照射天数增加,各项指标也随之增加.各照射组比较,差异也有非常显著 意义,另外照射10 d组巨噬细胞的超微结构成活化状态,由此可得出,适当剂量照射小鼠神阙穴能活化其巨 噬细胞,从而提高机体免疫功能.孙东信等20用He - Ne激光穴位照射对带状疱疹患者T细胞亚群的影响 作了研究.结果表明,激光穴位照射可纠正带状疱疹患者T细胞亚群异常,恢复其维持机体免疫功能的作 用,因而显著缩短了带状疱疹患者的治疗疗程,为带状疱疹激光临床治疗提供了理论依据. 光敏治疗即光动力学疗法,是利用某些光敏材料与癌细胞具有特殊亲合力这一特点,在激光的作用下发 生光动力学反应,产生单态氧及其他自由基杀死癌细胞达到治癌目的.常用的光敏剂有血卟啉衍生物(HPD) 等.Bowen病又称原位鳞状细胞癌,以往常采用手术,激光、 电灼、 冷冻、 放疗等破坏性的治疗方法,有一定痛 苦和付作用,由于部位或皮肤损坏面积过大给治疗带来一定困难.用新一代光敏剂5 氨基同戊酸 (5 ALA)光动力学疗法(PDT)治疗Bowen 病已有报道21,它的最大特点是选择性杀死肿瘤细胞,而对正常组 织无明显影响,明显优于以上各种疗法.王秀丽等22采用ALAPDT对治疗Bowen病进行了研究,治疗结 果显示,患者在敷药过程中无任何不适,只有在激光照射时有微热感,其中一例一次治愈,4例4次治愈,随 访一年后无复发现象,认为ALA - PDT治疗Bowen病疗效可靠,无副作用,为大面积Bowen病治疗提供了 新的思路.王钺等23)对HPD静脉注射后在皮肤中的分布进行了研究,找出了最佳注射剂量和激光最佳照 射时间,为高效选择治疗鲜红斑提供了临床依据. 帕金森病是中老年人中常见的一种慢性神经系统变性病,它是由于黑至多巴胺能神经元变性造成纹状 体系统DA含量下降,伴随5 -羟色胺能,去甲肾上腺素能等神经原减少,导致震颤,肌强直和运动减少等临 床症状.高惠珍等24研究了低强度激光照射对小鼠脑组织单胺类递质含量的影响.结果表明,低强度He - Ne激光照射小鼠脑组织,多巴胺(DA) ,5 -羟色胺(5 - HT) ,去甲肾上腺素(NF)含量增加.为激光治疗帕金 森病提供了初步的实验依据.另外,类似地研究或更深入地研究还有很多,如陈杰等人25的He - Ne激光照 射对豚鼠表皮Langerhans细胞的影响;杨群等人26的脉冲激光对细菌视紫红质的瞬态光电荷转移动力学 的研究以及范志明等人31的Nd: YAG激光兔心脏和颈外动脉内照射对血液学指标的影响的研究等等,都 为激光医疗在临床上的应用及相关技术或理论提供了科学依据并推动了激光医学的发展.相信在今后会有 102第2期李新华等:激光与生物组织的相互作用及主要应用 更多的新理论,新技术和新方法用于临床,为人类和社会的进步做出应有的贡献. 4 结束语 激光与生物组织相互作用的现象和理论正在研究和发展之中,其应用也会越来越广泛和深入,除以上简 述之外,比较成熟,有许多成果的还有激光育种和繁育,以及医学上的检测和诊断,都取得了可喜成果,某些 新的领域正在探索之中.激光生物效应是激光生物学和激光医学应用的理论指导,今后激光生物效应仍是一 个重要研究课题,随着激光新波段的扩展和激光新器件的出现,激光生物学的内容将更加丰富,X光激光器 的出现与应用,将会引起生物学和医学的技术革命和飞跃发展,目前的重要任务是紫外激光,中红外激光和 超短脉冲激光对生物组织的作用及机理研究,由于这类激光热损伤小,避免了对生物体和在某些疾病的治疗 中带来不必要的热损伤,因而应用前景广大,近来激光医学在临床上的应用有了引人注目的进展,如激光血 管成形及吻合术,角膜矫正术等,但对激光医学整体来说仍有许多临床应用中的基础理论问题和技术性问题 有待解决.另外,激光治疗新病种新理论和新方法也是研究的重要内容之一.激光生物学目前仍处在初期发 展阶段,但前景深远,相信随着相关理论的发展和技术进步,激光生物学必将绽放出绚丽之花. 参 考 文 献: 1付道林,王兰风.微束激光转基因技术研究进展J .激光生物学报,1999(1) :70 - 74. 2 BERNS M W ,DONALD E R. 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