弱激光生物刺激效應(yīng)的機理研究課件

弱激光生物刺激效應(yīng)的機理研究弱激光生物刺激效應(yīng)的機理研究激光的醫(yī)學(xué)應(yīng)用弱激光生物效應(yīng)弱激光調(diào)節(jié)血紅蛋白活性的機理分析弱激光提高生物酶活性的一種物理模型進一步工作一、激光的醫(yī)學(xué)應(yīng)用1、激光的產(chǎn)生受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射產(chǎn)生激光的條件激光的產(chǎn)生2、激光器的分類3、醫(yī)用激光系統(tǒng)的主要特征4、激光的醫(yī)學(xué)應(yīng)用5、激光醫(yī)學(xué)發(fā)展展望自發(fā)輻射處于高能態(tài)的原子不是穩(wěn)定的。在沒有外界的作用下，激發(fā)態(tài)原子會自發(fā)地向低能態(tài)躍遷，并發(fā)射出一個光子，光子的能量為，這稱為自發(fā)輻射。普通光源的發(fā)光就屬于自發(fā)輻射。由于發(fā)光物質(zhì)中各個原子自發(fā)地、獨立地進行輻射，因而各個光子的位相、偏振態(tài)和傳播方向之間沒有確定的關(guān)系。E1E2自發(fā)輻射

受激輻射

處于高能態(tài)的原子，如果在自發(fā)輻射以前受到能量為的外來光子的誘發(fā)作用，就有可能從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，同時發(fā)射一個與外來光子頻率、位相、偏振態(tài)和傳播方向都相同的光子，這一過程稱為受激輻射。在受激輻射中，一個入射光子的作用會得到兩個狀態(tài)全同的光子，如果這兩個光子再引起其他原子產(chǎn)生受激輻射，這樣繼續(xù)下去，就能得到大量的特征相同的光子，這就實現(xiàn)了光放大。E1E2受激輻射（2）產(chǎn)生激光的條件：有實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活介質(zhì)；滿足閾值條件的諧振腔。

A激活介質(zhì)激光是通過受激輻射來實現(xiàn)光放大的光。對光放大過程來說，受激吸收和受激發(fā)射是相互矛盾的。吸收過程光子數(shù)減少，而輻射過程則使光子數(shù)增加。因此，光通過物質(zhì)時光子數(shù)是增加還是減少，取決于那個過程占優(yōu)勢，這又決定于處于高、低能態(tài)的原子數(shù)。正常分布：在正常狀態(tài)下，處于高能態(tài)的原子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于處于低能態(tài)的原子數(shù)，這種分布稱為正常分布。

正常分布下，受激吸收過程占優(yōu)勢，不可能實現(xiàn)光放大。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：要使受激輻射占優(yōu)勢，必須使處在高能態(tài)的原子數(shù)大于低能態(tài)的原子數(shù)，這種分布與正常分布相反，稱為粒子數(shù)反居分布，簡稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件（1）要實現(xiàn)粒子數(shù)反居分布，一定要有實現(xiàn)粒子數(shù)反居分布的物質(zhì)，稱為激活介質(zhì)，這種介質(zhì)必須具有適當(dāng)?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu)。（2）必須從外界輸入能量，使激活介質(zhì)有盡可能多的原子吸收能量后躍遷到高能態(tài)。這一能量供應(yīng)過程稱為“激勵”，又稱為“抽運”或“泵浦”。激勵的方法一般有光激勵、氣體放電激勵、化學(xué)激勵、核能激勵等。基態(tài)E1E3E2激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)抽運無輻射躍遷（能量轉(zhuǎn)移給晶格）三能級系統(tǒng)處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，平均壽命約為10-8秒。有些物質(zhì)存在著比一般激發(fā)態(tài)穩(wěn)定的多的能級，其壽命可達(dá)到10-3~1秒的數(shù)量級。這種受激態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。具有亞穩(wěn)態(tài)的物質(zhì)就有可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)光放大。產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)有三能級和四能級系統(tǒng)。

B光學(xué)諧振腔

工作物質(zhì)激活后，為得到激光提供了必要的條件，但是還不可能得到方向性和單色性很好的激光。激發(fā)態(tài)原子基態(tài)自發(fā)輻射受激輻射在實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì)內(nèi)，初始誘發(fā)工作物質(zhì)原子發(fā)生受激輻射的光子來源于自發(fā)輻射，而原子的自發(fā)輻射是隨機的，所輻射的光的相位、偏振態(tài)、頻率和傳播方向都是互不相關(guān)，也是隨機的。無諧振腔時受激輻射的方向是隨機的一、激光的醫(yī)學(xué)應(yīng)用（3）激光的產(chǎn)生將在泵浦源激發(fā)下處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，如圖所示。激光工作物質(zhì)泵浦源諧振腔光在諧振腔內(nèi)振蕩，抑制自發(fā)發(fā)射，增強受激發(fā)射，不斷獲得光放大，這時從諧振腔軸線方向透射出來的光就是激光。激光主要是受激發(fā)射產(chǎn)生的，所以是相干的。激光類型波長

典型脈沖持續(xù)時間激光類型波長典型脈沖持續(xù)時間氬離子氪離子氦－氖二氧化碳染料激光器二極管激光器紅寶石激光器Nd:YLFNd:YAG

Ho:YAGEr:YAG變頻晶體488/514nm531/568/647nm633nm10.6μm450~900nm670~900nm694nm1053nm1064nm2120nm2940nm720~800nm連續(xù)連續(xù)連續(xù)連續(xù)或脈沖連續(xù)或脈沖連續(xù)或脈沖1～250μs100ns～250μs100ns～250μs100ns～250μs100ns～250μs50ns～100μs

XeCIXeFKrFArFNd:YLFNd:YAG自由電子激光Ti:藍(lán)寶石

308nm351nm248nm193nm1053nm1064nm800~6000nm700~1000nm20~300ns10~20ns10~20ns10~20ns30~100ps30~100ps2~10ps10fs~100fs3、醫(yī)用激光系統(tǒng)的主要特征注：Nd:YAG摻釹釔鋁石榴石Nd:YLF摻釹氟鋰釔激光醫(yī)學(xué)臨床治療醫(yī)學(xué)測量和診斷顯微外科手術(shù)激光治療視網(wǎng)膜裂孔、眼底病變、矯正屈光不正，清除血管堵塞物，激光結(jié)合光敏藥物治療惡性腫瘤，激光美容等。激光多普勒流速計可以用非接觸地法測量血流速度；激光流式細(xì)胞計技術(shù)能對大量細(xì)胞的多項指標(biāo)進行快速測定；激光光譜分析法大大提高了分辨率、靈敏度；激光全息、激光透照等有獨特的檢查效果。激光聚焦照射并摧毀活細(xì)胞體內(nèi)的某個區(qū)域；激光誘導(dǎo)細(xì)胞融合；激光裁剪DNA生物大分子等。5、激光醫(yī)學(xué)發(fā)展展望激光醫(yī)學(xué)并不限于一個或幾個學(xué)科，它幾乎與所有的學(xué)科都有關(guān)，可以預(yù)期將來有更大的應(yīng)用前景。對激光醫(yī)學(xué)的新進展應(yīng)謹(jǐn)慎看待。原因是：并不是每一個激光治療疾病的報道都能在其他的醫(yī)療機構(gòu)重現(xiàn)；同樣的效應(yīng)對某種疾病的治療是有效的，而對另一種疾病的治療則可能是災(zāi)難性的。國內(nèi)外激光醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開始對激光醫(yī)療過程及其相應(yīng)的治療機理進行研究，試圖從理論上對各種治療過程及相應(yīng)的治療效應(yīng)進行解釋，因而形成了激光與生物組織相互作用機理研究的學(xué)科，進而發(fā)展成為生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)學(xué)科領(lǐng)域。二、弱激光生物效應(yīng)1、激光生物學(xué)效應(yīng)的分類激光生物效應(yīng)光化學(xué)效應(yīng)熱作用光蝕除作用等離子體誘導(dǎo)蝕出作用光致破裂作用生物大分子吸收光子的能量受激活，產(chǎn)生受激原子、分子和自由基，引起體內(nèi)一系列化學(xué)反應(yīng)。（如光化學(xué)治癌、皮膚鮮紅癍痣的治療等）主要是利用激光的熱量達(dá)到溫?zé)?、凝結(jié)、汽化、碳化和熔融效應(yīng)。由紫外光產(chǎn)生的切除作用，它是高能量的紫外激光直接打斷分子鍵的作用。（準(zhǔn)分子激光治療屈光不正）高功率激光產(chǎn)生等離子蝕除的現(xiàn)象。高功率激光器產(chǎn)生的機械分裂和切割作用。激光醫(yī)學(xué)中主要應(yīng)用激光生物效應(yīng)中的光和熱作用。

弱激光的刺激作用，有人認(rèn)為是光化學(xué)作用，其作用時間和功率密度與化學(xué)作用差不多。2、弱激光的生物刺激作用（1）弱激光（lowlevellaser）：照射不會對生物組織直接造成不可逆損傷的激光稱為弱激光。（2）弱激光刺激作用弱激光照射可以影響機體免疫功能，對神經(jīng)組織和功能有刺激作用，還可以引起生物機體內(nèi)一系列其他的生物效應(yīng)。激光生物刺激作用具有如下特點：(a)刺激或抑制：激光照射小劑量起刺激作用，而大劑量反而起抑制作用；大小劑量的劃分則隨生物的結(jié)構(gòu)和機能的不同而不同。(b)積累作用：小劑量He-Ne激光有積累作用，即以一次大劑量照射或?qū)⒃搫┝糠殖尚┝慷啻握丈洌鸬纳镄?yīng)一樣大。(c)拋物線效應(yīng)：即照射次數(shù)有閥值，效應(yīng)不隨次數(shù)正比增大，有一極大值，達(dá)極大值后，再增加照射次數(shù)，刺激作用反而減弱，甚至變成抑制作用。3、弱激光刺激作用的機理對弱激光刺激作用的機理研究，人們提出了很多假說，主要有（1）Gurvich生物場理論這種理論認(rèn)為，完整機體的組織和器官的聯(lián)系并不限于體液的作用和神經(jīng)系統(tǒng)的控制機制。由于每一細(xì)胞、組織、器官及其周圍都存在著生物場，從而使高級水平的結(jié)構(gòu)（機體、器官）能夠?qū)Φ图壦降慕Y(jié)構(gòu)（組織、細(xì)胞）施加正常的影響。（2）Mester的線偏振光定向電場力改變細(xì)胞膜的構(gòu)想假說這種理論認(rèn)為，細(xì)胞膜是類脂雙分子層結(jié)構(gòu)，而類脂分子是電偶極子。當(dāng)用線偏振光照射細(xì)胞時，線偏振光的電場力強迫類脂分子極化方向沿著偏振光的電場方向重新排列，結(jié)果改變了細(xì)胞膜上類脂雙分子層的構(gòu)象，從而影響到了與細(xì)胞膜有關(guān)的每一個過程，如細(xì)胞的能量代謝、免疫過程的和酶的反應(yīng)等。另外還有Lnyushin的生物等離子體學(xué)說、光色素吸收激光能量調(diào)節(jié)生命過程假說、細(xì)胞膜受體作用導(dǎo)致細(xì)胞的光照活化效應(yīng)假說等，但是沒有一種假說能得到普遍接受。2、血液中蛋白質(zhì)活性的自然調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)是氨基酸的多聚體，其中執(zhí)行酶學(xué)功能的稱為酶。蛋白質(zhì)的激活與抑制如圖1所示：

(a)stimulation(b)restraint圖1蛋白質(zhì)分子的激活與抑制

Fig.1Theactivationandrestraintofproteinmolecules

無活性形式的蛋白質(zhì)底物分子不能直接參與生物化學(xué)反應(yīng)，它必須先與激活物結(jié)合，引起其形狀改變，即變構(gòu)，使其形狀與酶的活性位點形狀接近互補，變?yōu)榛钚孕问降牡孜铩６钚孕问降牡孜镆部梢酝种莆镞M行結(jié)合，通過變構(gòu)，使底物分子變得無活性。生物通過釋放一定量的激活因子或抑制因子從而達(dá)到對生物化學(xué)反應(yīng)的控制。

3、激光的作用3.1血液在弱激光照射時的拉曼散射吸收

圖2弱激光照射時血液的拉曼散射吸收Fig.2TheRamanscatteringabsorptionofbloodirradiatingbylowlevellaser當(dāng)頻率為的單色弱激光在血管內(nèi)照射時，它與蛋白質(zhì)分子相互作用，部分被吸收，部分向各個方向散射，散射光立刻分裂為若干不同波長的譜線，如圖2所示3.2激光的光壓作用由于激光的光壓作用，部分光子的動能將傳遞給蛋白質(zhì)分子，使其動能增加，平均速率變大。計算方法如下：設(shè)激光的頻率為ν。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)的反射率為ρ時，則在每s照射到某個蛋白質(zhì)分子上的N個光子中，有個被吸收,而ρN個被反射，所以作用于此分子的壓力為:假設(shè)此分子的質(zhì)量為m，f為分子所受的阻力，則由光壓可以得到此蛋白質(zhì)分子在照射一秒的情況下獲得的加速度為：

由此加速度以及光照時間，可以求得分子動能的增加量。

4、機理分析由前面的討論可知在激光的照射下，血液中的蛋白質(zhì)大分子的總能量E增加了，其中E=ET+ER+EV，ET、ER、EV分別為分子的平動動能、轉(zhuǎn)動動能和振動動能。4、1蛋白質(zhì)分子平動動能增加的情形對血管中蛋白質(zhì)分子之間的碰撞進行粗略的估算。用分子運動論可以推算出每s碰到單位立體角內(nèi)血管壁上的蛋白質(zhì)分子數(shù)為。

因此：(1)酶與底物碰撞結(jié)合的幾率增加。如：磷酸化酶與底物蔗糖，琥珀酸脫氫酶與底物琥珀酸鹽等。這樣如同激活了糖代謝及線粒體呼吸鏈所需的這幾種酶，促進了糖的利用和三磷酸腺苷（ATP）的產(chǎn)生。

(2)蛋白質(zhì)底物分子和酶原與激活因子結(jié)合的速率加快，數(shù)量增多，明顯地提高了超氧化物岐化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSHPX)及過氧化氫酶(CAT)的活性，增強了機體清除自由基的能力。

(3)血液中各種分子的運動加劇有助于血液粘度下降，使血液處于低凝態(tài)。試驗表明向血液中注光，可以激活血液中的多種酶，這些酶可以消融、分解血液中過多的脂肪，從而起到降低血脂的作用。另外，向血液注光，血液中的葡萄糖的某些分子鍵在光子作用下斷裂，啟動葡萄糖醇解的化學(xué)過程，產(chǎn)生ATP能量，紅細(xì)胞獲得足夠的能量，其變形能力隨之增加，降低紅細(xì)胞及血小板的凝聚性，使得血粘度及血流變指標(biāo)明顯好轉(zhuǎn)。4.2轉(zhuǎn)動動能增加的情形

在小劑量照射情況下，對底物分子和酶原而言，激活因子在其4立體角內(nèi)出現(xiàn)的幾率是平均的，無論是轉(zhuǎn)動還是靜止，在單位時間內(nèi)底物分子和酶原的結(jié)合點得到激活因子的幾率相同，所以轉(zhuǎn)動對蛋白質(zhì)（包括酶）的活性無影響。

但當(dāng)大劑量激光照射時，底物分子和酶原轉(zhuǎn)動過快，可能甩掉剛剛結(jié)合，但結(jié)合不牢的激活因子，從而出現(xiàn)蛋白質(zhì)的活性被抑制的現(xiàn)象。酶與底物在弱激光照射下的作用過程也同蛋白質(zhì)與激活因子一樣。實驗證明：激光照射小劑量起刺激作用，而大劑量反而起抑制作用；照射次數(shù)有閾值，效應(yīng)不隨次數(shù)正比增大，有一極大值，達(dá)到極大值之后，再增加照射次數(shù)，刺激作用反而減弱，甚至變成抑制作用。4.3振動動能增加的情形某蛋白質(zhì)分子與其它分子的結(jié)合是靠它的結(jié)合位點用電荷作用、疏水作用、氫鍵、范德華力中的一種或幾種的吸引來解決的，當(dāng)振動動能增加時，這些結(jié)合位點將發(fā)生更大范圍的振動，故其引力范圍也必將擴大，更易于吸住旁邊飛過的激活因子，使無活性的蛋白質(zhì)底物和酶原激活，也使酶更迅速地通過結(jié)合位點引力范圍的擴大，捕捉到它催化的參于生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)。同樣，當(dāng)大劑量照射時，振動過快可能甩掉結(jié)合不牢的激活因子，使蛋白質(zhì)的活性被抑制.四、弱激光提高生物酶活性的一種物理模型1、模型的建立1.1問題的提出激光血管內(nèi)照射幾個方面的生物學(xué)效應(yīng)，每一方面都與激活酶活性密不可分，可以說提高酶活性是生物學(xué)效應(yīng)的微觀基礎(chǔ)，也就是激光血管內(nèi)照射的微觀基礎(chǔ)。酶是執(zhí)行酶學(xué)功能的蛋白質(zhì)，氨基酸是蛋白質(zhì)分子的基本單位。兩個氨基酸分子結(jié)合在一起釋放出一個水分子，靠肽鍵結(jié)成一個長鏈，組成了蛋白質(zhì)的一維結(jié)構(gòu)。對于蛋白質(zhì)來講，其活性和功能的能量供給主要由附著在蛋白質(zhì)分子上的三磷酸腺苷（ATP）分子所發(fā)生的水解反應(yīng)時所釋放的能量，但能量是如何傳遞到生物組織和細(xì)胞核內(nèi)的DNA，引起肌肉的收縮和DNA的復(fù)制？它是通過一個非平衡態(tài)過程而被使用，還是通過平衡過程而轉(zhuǎn)化為滿足經(jīng)典熱力學(xué)關(guān)系？一種可能的能量傳遞機制是，這個能量可以轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)分子內(nèi)的振動激發(fā)。以此為基礎(chǔ)，可以建立蛋白質(zhì)分子的振動模型。1.2模型建立蛋白質(zhì)分子并不是準(zhǔn)一維的分子鏈，而是由α螺旋，β片，球狀等空間組態(tài)連成的復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。為了簡單起見，可以用適當(dāng)?shù)姆椒ò哑浞殖珊芏嘈《?，使每段可近似看成是?zhǔn)一維分子鏈。在此分子鏈上，由于氨基酸分子的相似性，可以將其看作質(zhì)量均為m的諧振子，而把肽鍵看作為倔強系數(shù)為k的彈性振子。設(shè)在某個時刻，某一諧振子與相鄰諧振子之間的位置如圖1所示:

圖1相鄰諧振子的位置fig.1Thepositionofneighborharmonicvibrator并假定某時刻從左到右三個諧振子距其平衡位置的位移依次為x1、x2、x3,,則它們的運動方程為：設(shè)具有復(fù)數(shù)形式（i=1,2,3）（1）代入方程（1），并且注意到，求導(dǎo)算符相當(dāng)于(iω)2=﹣ω2，消去公共因子eiωt，經(jīng)移項并整理，得?i的線性齊次聯(lián)立代數(shù)方程組（2）由方程(2)有解的條件可以得到諧振子振動的圓頻率ω為也就是說，諧振子的振動有三種模式。將三個ω分別代到方程（2），則得到每個運動模式振幅之間的比例關(guān)系對于ω1：

對于

ω2：

對于

：（3）由此可見，對于ω1代表的振動模式，中間諧振子不動，而兩側(cè)諧振子相對運動；對于ω2代表的振動模式，兩側(cè)諧振子相對靜止，它們整體與中央振子作相對運動；對于ω3代表的振動模式，則是整個分子的剛形平動，并非內(nèi)部的振動模式。模式1模式2剛形平動

圖2幾種振動模式fig.2somevibrationmodels這里討論的是中央分子的運動，只能是模式2，中央諧振子以頻率作簡諧振動，根據(jù)量子力學(xué)計算結(jié)果，該諧振子能級可表示為：n=0,1,2,3,……相鄰能級間隔為ΔΕ=?ω。假設(shè)ωL，ωD分別為激光頻率以及在雙鍵作用下諧振子的振動頻率，由上面的討論可知而在單鍵作用下，根據(jù)振動規(guī)律有：

即得到

ωs是單鍵作用下諧振子的振動頻率，

所以肽鍵能為84～125KJ/mol,He-Ne激光器所發(fā)光子能量為1.94eV。為了取平均值附近又利于計算，我們?nèi)℃I能為108KJ/mol，單個鍵能1.125(eV)，所以

即（5）也就是說，這種情況下，激光頻率與雙鍵作用下的振動頻率相同。（4）2對模型的討論根據(jù)上面的結(jié)果，我們可以作如下討論：

1、從振動的觀點看

（1）如果是He-Ne激光入射，由于有，所以對于氨基酸分子的實際振動，策動力頻率等于固有頻率，發(fā)生共振現(xiàn)象，此時，氨基酸分子振動振幅達(dá)到最大。（2）由于氨基酸分子、肽鍵的差異，也有可能，此時氨基酸分子不是以固有頻率振動，而是以策動力頻率振動，振動頻率增強。（3）若，此時氨基酸分子以固有頻率振動，但策動力到來時，振動加強一次，而后又回到固有頻率，頻率依然是加強的。

綜合所述，當(dāng)有弱激光照入時，氨基酸分子的振動有的振幅達(dá)到最大，有的頻率增強，這樣酶的活性就會得以顯著提高。

2、從能級躍遷觀點看當(dāng)氨基酸分子振動時，由于病變導(dǎo)致活性降低，一般都處于能級較低的狀態(tài)。從計算結(jié)果可以看出，其能級之間隔,而根據(jù)能級躍遷規(guī)律，當(dāng)吸收一個光子時，如果原來氨基酸分子處在基態(tài)，就會躍遷到第一激發(fā)態(tài)；若原來在第一激發(fā)態(tài)，則會躍遷到第二激發(fā)態(tài)……，總之，會向上躍遷一個能級。由于每個能級向上躍遷一個能級，原來“凍結(jié)”在較低能級的氨基酸分子能級提高，因此氨基酸分子活性得以提高。3、3提高酶活性的波長范圍在討論之問題之前，讓我們先看兩個事實。第一，采用動物實驗比較了五種激光波長血管內(nèi)照射對小鼠血清No,β內(nèi)啡吠(β-End)含量及No合成