第三章激光生物效應(yīng)

1、第三章 激光生物效應(yīng)激光生物效應(yīng)： 指在激光輻照下，生物體可能產(chǎn)生的物理、化學(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)及變化，是研究發(fā)展激光生物學(xué)、激光醫(yī)學(xué)和激光防護(hù)技術(shù)的重要基礎(chǔ)。普通光對(duì)生物體所產(chǎn)生的作用有： 光合作用、生物過程的能量轉(zhuǎn)移、生物顏色、生物視覺、生物節(jié)律、光生物效應(yīng)以及光在生物進(jìn)化過程中的作用等。以往知識(shí)回顧 激光具有很好的單色性、高亮度等優(yōu)點(diǎn)，因此激光與生物組織的相互作用將出現(xiàn)一系列新內(nèi)容和新效應(yīng)。 在1960年Maiman發(fā)明激光后，人們就開始結(jié)合各種激光系統(tǒng)與靶組織來研究激光與生物組織相互作用的效應(yīng)。 影響激光與生物體作用效應(yīng)的因素較為復(fù)雜，但大體來源于兩方面：1.激光參數(shù)：包括波長、能量、振蕩

2、方式（連續(xù) 或脈沖等）、作用時(shí)間、偏振等；2.生物組織的性質(zhì)：物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)等。激光生物效應(yīng)大致分為五種：1.激光生物熱效應(yīng) 任何生物組織吸收激光能量后，其震動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)加劇，同時(shí)也加劇了受激分子和周圍分子的碰撞，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為熱能，稱為激光生物熱效應(yīng)。 具體表現(xiàn)為： 生物組織的汽化、熱凝（如視網(wǎng)膜焊接）、切割（如激光刀）、熱敷（激光治療關(guān)節(jié)炎）和熱殺（激光治癌等）。 熱效應(yīng)尤以可見光區(qū)和紅外線區(qū)的激光所引起的熱效應(yīng)更為明顯。 37-39-熱致溫?zé)?43-45-熱致紅斑 47-48-熱致水皰 55-60 -熱致凝固 100 - 熱致沸騰 300-400-熱致碳化 500 - 熱致燃燒 激光熱效

3、應(yīng)的強(qiáng)弱受激光及生物體自身性質(zhì)影響。可通過改變功率及照射時(shí)間來調(diào)節(jié)生物組織的熱學(xué)性質(zhì)1.1 生物組織的熱（物理）性質(zhì) 比熱容、密度、熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率、色素類型、血管分布等與生物組織溫度的變化相關(guān)。 比熱容 單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高（或降低）1時(shí)所吸收（或放出）的熱量，叫做這種物質(zhì)的比熱容。比熱容是反映物質(zhì)的吸熱（或放熱）本領(lǐng)大小的物理量。 國際單位： 焦/千克（J/kg) 角質(zhì)層 脂肪 真皮層 肌肉 血液 水 2093 2177 3182 3601 3852 4187生物組織的比熱容（J/kgK） 含水量越高的組織（比熱容高）越不易升溫；水最大，血液次之. 生物組織吸收激光能量升溫后，以傳導(dǎo)

4、方式向周圍組織傳遞能量(熱導(dǎo)率）；還應(yīng)考慮血管、神經(jīng)、淋巴管等的導(dǎo)熱性 還與生物組織的 熱擴(kuò)散率有關(guān)（熱擴(kuò)散率值差別不大，數(shù)值略）。熱擴(kuò)散率與溫度有關(guān) 生物組織細(xì)胞內(nèi)含有黑色素、血紅蛋白、胡蘿卜素等多種色素 ，能增加光能的吸收，從而使激光的熱效應(yīng)更加顯著。1.2 激光生物熱效應(yīng)的作用機(jī)理 1）碰撞生熱： 生物體吸收可見和紫外激光后，受激的生物分子將其獲得的光能通過多次碰撞轉(zhuǎn)移為鄰近分子的振動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)能、平移能，使生物體溫度升高。2）吸收生熱： 生物體吸收紅外光后，光能轉(zhuǎn)變?yōu)樯锓肿拥恼駝?dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能，使溫度升高。1.3 激光生物熱效應(yīng)對(duì)生物組織的影響1.3.1 對(duì)蛋白質(zhì)和酶的影響 蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)

5、及特點(diǎn)；蛋白質(zhì)變性和溫度及作用時(shí)間有關(guān)。 蛋白質(zhì)分子量很高，組成和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但維持分子空間構(gòu)像的次級(jí)鍵的鍵能較低 蛋白質(zhì)分子不穩(wěn)定，受外界因素影響而使其空間構(gòu)像破壞、理化性質(zhì)發(fā)生改變，并失去其生物學(xué)功能 蛋白質(zhì)變性。 實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)溫度 55 時(shí)，可觀察到蛋白質(zhì)變性，當(dāng)溫度 60 時(shí)，就會(huì)發(fā)生永久性的凝固變性。55-60-熱致凝固定義60熱波進(jìn)入組織的深度為熱組織損傷深度蛋白質(zhì)不可逆變性對(duì)正常組織的危害： 會(huì)使蛋白質(zhì)部分或全部失去原有的生理功能，使細(xì)胞和組織受到破壞。酶的本質(zhì)： 是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化性能的物質(zhì)。 在生物體的新陳代謝過程中，每一步生物化學(xué)反應(yīng)都是由一定的酶來催化完成。 酶催化特點(diǎn)

6、：高效、溫和、專一性等； 酶活性與溫度的關(guān)系： 激光加熱若使酶升溫到 60 時(shí)，酶將失去催化活性；如若繼續(xù)升溫，蛋白質(zhì)和酶都會(huì)因過熱而死去，完全喪失其生理功能。1.3.2 對(duì)DNA的影響 DNA是生物遺傳基因的載體，它的耐熱性要比蛋白質(zhì)強(qiáng)。 在 80 、1h 作用下，DNA 活性基本不變 過強(qiáng)的激光輻照也勢必對(duì)其遺傳特性產(chǎn)生影響。因此可利用這種效應(yīng)進(jìn)行激光誘變育種、激光轉(zhuǎn)化（基因工程）等。1.3.3 對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的影響 神經(jīng)細(xì)胞對(duì)溫度變化很敏感，溫度稍有變化就會(huì)影響它們的正?；顒?dòng)。 神經(jīng)細(xì)胞的傳導(dǎo)速度隨溫度上升而加快，但當(dāng)溫度在40 以上時(shí)，神經(jīng)細(xì)胞的興奮性下降，傳導(dǎo)速率變慢； 當(dāng)溫度超過或低于

7、正常體溫 4 時(shí)，中樞神經(jīng)細(xì)胞就不能正常工作。1.3.4 對(duì)血液循環(huán)的影響 弱激光照射時(shí)血液的拉曼散射吸收 當(dāng)頻率為 的弱激光在血管內(nèi)照射時(shí)，由于血液中各種分子的運(yùn)動(dòng)加劇，使血液粘度下降，血液處于低凝態(tài)。 血漿（55%-60%）血液 血細(xì)胞（40%-45%）紅細(xì)胞、白細(xì)胞、血小板三種90% 水、蛋白質(zhì)、酶、激素以及葡萄糖、脂肪、膽固醇、維生素等物質(zhì) 1.紅細(xì)胞 呈雙面凹陷的圓盤狀，直徑約為7.5微米，沒有細(xì)胞核、細(xì)胞器，紅細(xì)胞里含有血紅蛋白，使紅細(xì)胞看起來是紅色的。血細(xì)胞具有與氧(血液變得鮮紅)和二氧化碳(血液變得暗紅)結(jié)合的能力，供給全身組織所需要的氧，并帶走組織內(nèi)所產(chǎn)生的二氧化碳2.白細(xì)胞

8、 在血液中呈圓球形，比紅細(xì)胞大得多，能產(chǎn)生抗體，抵抗細(xì)菌、病毒等外來物質(zhì)引起的感染。 白細(xì)胞有五種，按照體積從小到大分別是：淋巴細(xì)胞、嗜堿粒細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞和嗜酸細(xì)胞。血細(xì)胞 白細(xì)胞數(shù)目少，細(xì)胞核明顯，有炎癥時(shí)，血中的白細(xì)胞數(shù)目明顯增加 通過吞噬和產(chǎn)生抗體等方式來抵抗和消滅入侵病原體血細(xì)胞1個(gè)白細(xì)胞處理5-25個(gè)細(xì)菌后本身也就死亡。死亡的白細(xì)胞和細(xì)菌構(gòu)成膿液3.血小板 也稱血栓細(xì)胞，直徑2-4微米。當(dāng)我們外傷后，血小板就聚集起來，粘附在傷口周圍，產(chǎn)生啟動(dòng)凝血機(jī)制的化學(xué)物質(zhì)。血細(xì)胞 在機(jī)體的生命過程中，血細(xì)胞不斷地新陳代謝：紅細(xì)胞的平均壽命約120天、顆粒白細(xì)胞和血小板的生存期限一般不

9、超過10天、淋巴細(xì)胞的生存期長短不等，從幾個(gè)小時(shí)直到幾年。血液的重要功能： 向機(jī)體各種組織和器官輸送氧和營養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)清除體內(nèi)代謝廢物，以維持細(xì)胞的正常代謝。紅細(xì)胞是氧的攜帶者，是重要?dú)怏w交換單元 如： 血液中的葡萄糖的某些分子鍵在光子作用下斷裂，啟動(dòng)葡萄糖醇解的化學(xué)過程，產(chǎn)生ATP 能量； 小劑量弱激光照射時(shí)，酶與底物碰撞結(jié)合的幾率增加，蛋白質(zhì)底物和酶結(jié)合的速率加快，血液中多種酶的活性被激活，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。 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)等。 紅細(xì)胞變形性： 一般是指紅細(xì)胞

10、在流動(dòng)中改變其形狀的能力，是一種十分重要的流變現(xiàn)象。 為什么要變形？ 人紅細(xì)胞直徑為78 m，毛細(xì)血管的平均直徑為6m 。 在一定的壓差推動(dòng)下，紅細(xì)胞通過自身變形能夠自由通過毛細(xì)血管，通過后恢復(fù)原形。 紅細(xì)胞變形性是調(diào)節(jié)血液粘度的關(guān)鍵因素，是影響紅細(xì)胞的釋放和壽命及保障微循環(huán)的重要因素。 此外，加熱作用引起毛細(xì)管擴(kuò)張、血流速度加快、血流量增多； 局部的適當(dāng)升溫可改善該區(qū)組織的供血和營養(yǎng)等。1.3.5 對(duì)細(xì)胞組織中水和其它成分的影響2. 激光生物光化效應(yīng) 生物光化效應(yīng)是指在激光作用下生物體所產(chǎn)生的生物化學(xué)反應(yīng)，簡稱光化反應(yīng)或光化作用。 光化反應(yīng)是生物化學(xué)反應(yīng)的一部分，其機(jī)制很復(fù)雜。 普通光的光化

11、反應(yīng)有：光合作用、光敏作用、合成維生素D、視覺作用等。 一般來說，激光和普通光的光化反應(yīng)機(jī)制是一樣的，由于激光單色光的特點(diǎn)，因此1.以激光作為光源的光化反應(yīng)更方便、易控、有效實(shí)現(xiàn)特定的光化反應(yīng)；普通光波長范圍較寬，當(dāng)用普通光照射進(jìn)行光化反應(yīng)時(shí)，可同時(shí)引起多種光化反應(yīng)。 2.生物組織吸收激光后的光化反應(yīng)明顯強(qiáng)于普通光。2.1 光化作用過程 大致由原初光化反應(yīng)、繼發(fā)光化反應(yīng)組成一個(gè)完整過程。原初光化反應(yīng)： 處于基態(tài)的分子吸收光子能量后躍遷到激發(fā)態(tài)，在其返回基態(tài)時(shí)，多余的能量將消耗于自身化學(xué)鍵的斷裂或形成新鍵上，此發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)即為原初光化反應(yīng)。繼發(fā)光化反應(yīng)： 通常在原初光化反應(yīng)過程中形成的產(chǎn)物，大

12、多是中間產(chǎn)物（如自由基、離子或其它不穩(wěn)定產(chǎn)物），這些極不穩(wěn)定的產(chǎn)物繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，直至形成穩(wěn)定的產(chǎn)物，這種光化反應(yīng)稱為繼發(fā)光化反應(yīng)。2.2 光化反應(yīng)類型： 光化作用分為光致分解、光致氧化、光致聚合和光致敏化四種類型。2.3 光化作用規(guī)律1.光化學(xué)吸收定律（光化學(xué)第一定律） 其表述為：光必須被吸收才能提供化學(xué)反應(yīng)和生物學(xué)反應(yīng)的能量-只有被分子吸收的光子能量才能在系統(tǒng)中導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)。 2. Einstein-Stark光化學(xué)量子定律 (光化學(xué)第二定律) 表述為：在任何初級(jí)光化學(xué)反應(yīng)中，每個(gè)分子（原子、離子）只能從入射光束中吸收一個(gè)光子。 2.4 光化反應(yīng)實(shí)例2.4.1 光合作用 CO2 + H2

13、O (CH2O)n + O2 基本過程為利用光能將H2O光化分解成氫和放出氧（光反應(yīng)），把能量儲(chǔ)存于ATP和NADPH(還原型輔酶)中；在碳反應(yīng)中(暗反應(yīng))將CO2固定還原為(CH2O)n的需能過程.h 光反應(yīng)和碳反應(yīng)構(gòu)成光化反應(yīng)的一個(gè)整體, 二者緊密聯(lián)系: 光反應(yīng)是碳反應(yīng)的基礎(chǔ),光反應(yīng)階段為碳反應(yīng)階段提供能量(ATP和NADPH)和還原劑(NADPH), 碳反應(yīng)產(chǎn)生的ADP和Pi為光反應(yīng)合成ATP提供原料. 在活體植物中,各種色素(葉綠素B和C，類胡蘿卜素、藻紅蛋白等） 吸收波長峰值在400-650nm。2.4.2 光(致)敏化作用 光致敏化是生物系統(tǒng)所特有的由光引起的在敏化劑幫助下發(fā)生的一

14、種化學(xué)反應(yīng)。 凡有氧參加的光敏化作用稱為光動(dòng)力作用； 凡不需要氧分子參加的光敏化作用一般叫做光敏化效應(yīng)。皮膚的光敏現(xiàn)象 光過敏反應(yīng)（光變態(tài)反應(yīng)）不是任何人都會(huì)發(fā)生的，據(jù)測定：人群中約有30%的人會(huì)對(duì)紫外線產(chǎn)生過敏。 導(dǎo)致光過敏的致病光譜主要是長波紫外線。與日曬不同的是： 日曬是由短波長紫外線（290-320nm)輻照引起； 皮膚的光敏反應(yīng)是由長波紫外線或紫光引起。 另外，泥螺、莧菜、薺菜、萵苣、馬齒莧、薺麥、無花果、蘿卜纓等食物含光敏性物質(zhì)較多； 一些如磺胺、四環(huán)素、非那根等藥物也是對(duì)紫外線敏感度高的物質(zhì)。 光動(dòng)力作用可使生物細(xì)胞、組織或機(jī)體在光的作用下發(fā)生機(jī)能或形態(tài)變化，甚至可使生物組織損傷

15、或壞死 因此，現(xiàn)在在醫(yī)學(xué)癌癥的治療中已得到廣泛應(yīng)用。氧是啟動(dòng)光動(dòng)力作用的前提 “光動(dòng)力學(xué)療法”實(shí)施如下： 將血卟啉衍生物（HpD，光敏劑）靜脈注入病人體內(nèi)，幾小時(shí)后，HpD分布于腦以外的所有軟組織中，48-72h后，健康組織中的大部分HpD已被清除，而腫瘤細(xì)胞對(duì)HpD顯示出很強(qiáng)的親和力，大約三天后，腫瘤細(xì)胞中HpD的濃度大約是健康細(xì)胞中的30倍，通常在注射37天內(nèi)進(jìn)行激光照射，這時(shí)腫瘤細(xì)胞很敏感，因此可以選擇性地殺死腫瘤細(xì)胞。 光敏劑選擇性積聚于腫瘤組織內(nèi)的機(jī)制尚不完全清楚，一般認(rèn)為主要與腫瘤本身的特性有關(guān)：1）腫瘤長期缺氧、缺血、血管通透性高、糖酵解活躍、PH值低 光敏劑易跨膜進(jìn)入細(xì)胞；2）

16、快速增長的腫瘤細(xì)胞含大量的低密度脂蛋白受體 能與低密度脂蛋白結(jié)合的光敏劑能 進(jìn)入細(xì)胞；通過受體介導(dǎo)3）腫瘤細(xì)胞內(nèi)含有大量巨噬細(xì)胞，巨噬細(xì)胞介導(dǎo)部分親水性光敏劑進(jìn)入腫瘤細(xì)胞溶酶體內(nèi)；4）腫瘤細(xì)胞相對(duì)多的膠原纖維等成分及組織結(jié)構(gòu)不健全等也是導(dǎo)致光敏劑容易滯留的原因。小結(jié)： 某些光敏物質(zhì)具有腫瘤親和性，給癌癥患者靜脈注射這種光敏物質(zhì)，經(jīng)過一定時(shí)間后，在病變部位照射激光，可以選擇性的破壞癌細(xì)胞。 照射方法1.體表或淺表層腫瘤（如表皮、口腔、耳、鼻、眼、子宮頸等） 直接照射；2.對(duì)于巨大腫瘤 需將光纖插入腫瘤體內(nèi)進(jìn)行組織間照射；3.對(duì)內(nèi)臟器官（如呼吸道、消化道、泌尿道等） 采取內(nèi)窺式照射。 注意 光敏物

17、質(zhì)在正常組織中代謝較快，若有殘留物則引起光線過敏反應(yīng)。 患者在治療后的一段時(shí)間內(nèi)必須在避光下生活。2.4.3 視覺作用照相機(jī)成像人眼視覺成像 人感知到達(dá)視網(wǎng)膜的光子，是因?yàn)樯珗F(tuán)分子吸收可見光的光子后受激，產(chǎn)生光化反應(yīng)，這種反應(yīng)改變了光感受器的電位，傳遞給與之相連的下面各層，直至神經(jīng)細(xì)胞層，經(jīng)加工并編譯成生物電脈沖信號(hào)由神經(jīng)纖維送到大腦中樞。吸收大部分可見光和5%左右的近紅外線；其余被反射出眼球或被鞏膜、脈絡(luò)膜吸收視覺的形成過程 進(jìn)入眼球內(nèi)的光線，經(jīng)過折光系統(tǒng)折光系統(tǒng)后，在視網(wǎng)視網(wǎng)膜膜上形成物像，同時(shí)感光細(xì)胞受到光線的刺激，產(chǎn)生興奮，神經(jīng)沖動(dòng)沿著視神經(jīng)視神經(jīng)傳到大腦，在大腦皮大腦皮層的視覺中樞

18、層的視覺中樞形成視覺。 正常眼 物體反射的光線經(jīng)過晶狀體的折射后形成的物像落在視網(wǎng)膜上 近視眼晶狀體曲度過大或眼球前后徑過長使物像落在視網(wǎng)膜的前方 遠(yuǎn)視眼晶狀體曲度過小或眼球前后徑過短使物像落在視網(wǎng)膜的后方3.激光的生物機(jī)械效應(yīng) 任何電磁波都對(duì)物體有壓力，激光也不例外，但光壓小（約幾個(gè)大氣壓）。光壓： 激光被吸收后，可在生物體內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械力，稱為光壓。 激光本身對(duì)生物組織產(chǎn)生的壓力稱為一次壓力； 生物組織吸收光能引起組織熱膨脹、超聲波、內(nèi)部汽化壓、電致伸縮等次級(jí)壓力稱為二次壓力。 一次壓力和二次壓力統(tǒng)稱為激光的光致壓力，也稱為激光的生物機(jī)械作用。如： 當(dāng)生物組織吸收激光后不足以汽化時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致體

19、膨脹而產(chǎn)生超聲波。 由此可見，熱致體膨脹所產(chǎn)生的超聲壓是激光在生物組織中產(chǎn)生機(jī)械力的主要因素。光鉗技術(shù) 光的輻射壓力：激光輻射產(chǎn)生的皮牛量級(jí)的微小力恰好適于移動(dòng)細(xì)胞和生物大分子。激光光鉗示意圖激光器聚焦鏡 樣品池顯微鏡光鉗技術(shù) 當(dāng)用激光鉗住一個(gè)細(xì)胞時(shí)，再用另一束較強(qiáng)的激光作為激光刀，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行手術(shù)。如，切下DNA或細(xì)胞膜，研究細(xì)胞功能的變化;鉗住某種基因?qū)⑵渥⑷氲街参锛?xì)胞內(nèi)，起到基因傳遞的作用等。 激光鉗與激光刀聯(lián)合使用還可以實(shí)現(xiàn)基因的重組和重排，可以幫助完成“人類基因測序計(jì)劃”。4. 激光的電磁場效應(yīng) 激光是電磁波，激光與生物組織的相互作用實(shí)質(zhì)上是電磁場與生物組織的作用。 在一般的激光作用下

20、，電磁場效應(yīng)不明顯；強(qiáng)的電場作用于生物體，才出現(xiàn)明顯的電磁場效應(yīng)。 生物組織在激光束的作用下，生物分子可能發(fā)生電離，使無極性的生物分子發(fā)生極化，原來已極化的生物分子沿電場方向旋轉(zhuǎn)，從而引起微觀結(jié)構(gòu)的變化。 5 激光的生物刺激效應(yīng) 當(dāng)用弱激光照射生物體時(shí)，激光成了刺激源。直接照射時(shí)，不會(huì)對(duì)生物組織造成不可逆性損傷的激光束 激光的生物刺激作用會(huì)產(chǎn)生消炎、止癢和擴(kuò)散血管的作用，此外還能促進(jìn)機(jī)體的代謝、增殖、機(jī)能等過程、激活機(jī)體的神經(jīng)-體液的反射作用和交感神經(jīng)-腎上腺系統(tǒng)，從而改善正常組織或提高受傷組織的抵抗力、生命力和修復(fù)力。5.1 激光生物刺激作用的特點(diǎn)(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(jī)能的不同而不同。 (b) 積累作用： 即以一次大劑量照射同與之相等的多次小劑量照射，所引起的生物效應(yīng)一樣大。(c) 拋物線效應(yīng)： 實(shí)驗(yàn)證明，生物刺激效應(yīng)曲線大致是一條不通過原點(diǎn)的拋物線。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。 5.2 生物刺激過程和引致的生物反應(yīng)5.2.1 生物刺激過程大致包括：1）生物分子吸收光子 生物分子吸收光能后，轉(zhuǎn)換為生物分子的熱能、化學(xué)能或內(nèi)能，并引起該分子自身能量狀態(tài)的調(diào)整