第三章激光生物效应

1、第三章 激光生物效应激光生物效应： 指在激光辐照下，生物体可能产生的物理、化学或生物化学反应及变化，是研究发展激光生物学、激光医学和激光防护技术的重要基础。普通光对生物体所产生的作用有： 光合作用、生物过程的能量转移、生物颜色、生物视觉、生物节律、光生物效应以及光在生物进化过程中的作用等。以往知识回顾 激光具有很好的单色性、高亮度等优点，因此激光与生物组织的相互作用将出现一系列新内容和新效应。 在1960年Maiman发明激光后，人们就开始结合各种激光系统与靶组织来研究激光与生物组织相互作用的效应。 影响激光与生物体作用效应的因素较为复杂，但大体来源于两方面：1.激光参数：包括波长、能量、振荡

2、方式（连续 或脉冲等）、作用时间、偏振等；2.生物组织的性质：物理、化学、生物学性质等。激光生物效应大致分为五种：1.激光生物热效应 任何生物组织吸收激光能量后，其震动和转动加剧，同时也加剧了受激分子和周围分子的碰撞，进而转化为热能，称为激光生物热效应。 具体表现为： 生物组织的汽化、热凝（如视网膜焊接）、切割（如激光刀）、热敷（激光治疗关节炎）和热杀（激光治癌等）。 热效应尤以可见光区和红外线区的激光所引起的热效应更为明显。 37-39-热致温热 43-45-热致红斑 47-48-热致水疱 55-60 -热致凝固 100 - 热致沸腾 300-400-热致碳化 500 - 热致燃烧 激光热效

3、应的强弱受激光及生物体自身性质影响。可通过改变功率及照射时间来调节生物组织的热学性质1.1 生物组织的热（物理）性质 比热容、密度、热导率和热扩散率、色素类型、血管分布等与生物组织温度的变化相关。 比热容 单位质量的某种物质温度升高（或降低）1时所吸收（或放出）的热量，叫做这种物质的比热容。比热容是反映物质的吸热（或放热）本领大小的物理量。 国际单位： 焦/千克（J/kg) 角质层 脂肪 真皮层 肌肉 血液 水 2093 2177 3182 3601 3852 4187生物组织的比热容（J/kgK） 含水量越高的组织（比热容高）越不易升温；水最大，血液次之. 生物组织吸收激光能量升温后，以传导

4、方式向周围组织传递能量(热导率）；还应考虑血管、神经、淋巴管等的导热性 还与生物组织的 热扩散率有关（热扩散率值差别不大，数值略）。热扩散率与温度有关 生物组织细胞内含有黑色素、血红蛋白、胡萝卜素等多种色素 ，能增加光能的吸收，从而使激光的热效应更加显著。1.2 激光生物热效应的作用机理 1）碰撞生热： 生物体吸收可见和紫外激光后，受激的生物分子将其获得的光能通过多次碰撞转移为邻近分子的振动能、转动能、平移能，使生物体温度升高。2）吸收生热： 生物体吸收红外光后，光能转变为生物分子的振动能和转动能，使温度升高。1.3 激光生物热效应对生物组织的影响1.3.1 对蛋白质和酶的影响 蛋白质分子结构

5、及特点；蛋白质变性和温度及作用时间有关。 蛋白质分子量很高，组成和结构复杂，但维持分子空间构像的次级键的键能较低 蛋白质分子不稳定，受外界因素影响而使其空间构像破坏、理化性质发生改变，并失去其生物学功能 蛋白质变性。 实验表明：当温度 55 时，可观察到蛋白质变性，当温度 60 时，就会发生永久性的凝固变性。55-60-热致凝固定义60热波进入组织的深度为热组织损伤深度蛋白质不可逆变性对正常组织的危害： 会使蛋白质部分或全部失去原有的生理功能，使细胞和组织受到破坏。酶的本质： 是活细胞产生的具有催化性能的物质。 在生物体的新陈代谢过程中，每一步生物化学反应都是由一定的酶来催化完成。 酶催化特点

6、：高效、温和、专一性等； 酶活性与温度的关系： 激光加热若使酶升温到 60 时，酶将失去催化活性；如若继续升温，蛋白质和酶都会因过热而死去，完全丧失其生理功能。1.3.2 对DNA的影响 DNA是生物遗传基因的载体，它的耐热性要比蛋白质强。 在 80 、1h 作用下，DNA 活性基本不变 过强的激光辐照也势必对其遗传特性产生影响。因此可利用这种效应进行激光诱变育种、激光转化（基因工程）等。1.3.3 对神经细胞的影响 神经细胞对温度变化很敏感，温度稍有变化就会影响它们的正常活动。 神经细胞的传导速度随温度上升而加快，但当温度在40 以上时，神经细胞的兴奋性下降，传导速率变慢； 当温度超过或低于

7、正常体温 4 时，中枢神经细胞就不能正常工作。1.3.4 对血液循环的影响 弱激光照射时血液的拉曼散射吸收 当频率为 的弱激光在血管内照射时，由于血液中各种分子的运动加剧，使血液粘度下降，血液处于低凝态。 血浆（55%-60%）血液 血细胞（40%-45%）红细胞、白细胞、血小板三种90% 水、蛋白质、酶、激素以及葡萄糖、脂肪、胆固醇、维生素等物质 1.红细胞 呈双面凹陷的圆盘状，直径约为7.5微米，没有细胞核、细胞器，红细胞里含有血红蛋白，使红细胞看起来是红色的。血细胞具有与氧(血液变得鲜红)和二氧化碳(血液变得暗红)结合的能力，供给全身组织所需要的氧，并带走组织内所产生的二氧化碳2.白细胞

8、 在血液中呈圆球形，比红细胞大得多，能产生抗体，抵抗细菌、病毒等外来物质引起的感染。 白细胞有五种，按照体积从小到大分别是：淋巴细胞、嗜碱粒细胞、中性粒细胞、单核细胞和嗜酸细胞。血细胞 白细胞数目少，细胞核明显，有炎症时，血中的白细胞数目明显增加 通过吞噬和产生抗体等方式来抵抗和消灭入侵病原体血细胞1个白细胞处理5-25个细菌后本身也就死亡。死亡的白细胞和细菌构成脓液3.血小板 也称血栓细胞，直径2-4微米。当我们外伤后，血小板就聚集起来，粘附在伤口周围，产生启动凝血机制的化学物质。血细胞 在机体的生命过程中，血细胞不断地新陈代谢：红细胞的平均寿命约120天、颗粒白细胞和血小板的生存期限一般不

9、超过10天、淋巴细胞的生存期长短不等，从几个小时直到几年。血液的重要功能： 向机体各种组织和器官输送氧和营养物质，同时清除体内代谢废物，以维持细胞的正常代谢。红细胞是氧的携带者，是重要气体交换单元 如： 血液中的葡萄糖的某些分子键在光子作用下断裂，启动葡萄糖醇解的化学过程，产生ATP 能量； 小剂量弱激光照射时，酶与底物碰撞结合的几率增加，蛋白质底物和酶结合的速率加快，血液中多种酶的活性被激活，这些酶可以消融、分解血液中过多的脂肪，从而起到降低血脂的作用。 红细胞获得足够的能量，其变形能力 随之增加。降低红细胞及血小板的凝聚性，使得血粘度及血流变指标明显好转等。 红细胞变形性： 一般是指红细胞

10、在流动中改变其形状的能力，是一种十分重要的流变现象。 为什么要变形？ 人红细胞直径为78 m，毛细血管的平均直径为6m 。 在一定的压差推动下，红细胞通过自身变形能够自由通过毛细血管，通过后恢复原形。 红细胞变形性是调节血液粘度的关键因素，是影响红细胞的释放和寿命及保障微循环的重要因素。 此外，加热作用引起毛细管扩张、血流速度加快、血流量增多； 局部的适当升温可改善该区组织的供血和营养等。1.3.5 对细胞组织中水和其它成分的影响2. 激光生物光化效应 生物光化效应是指在激光作用下生物体所产生的生物化学反应，简称光化反应或光化作用。 光化反应是生物化学反应的一部分，其机制很复杂。 普通光的光化

11、反应有：光合作用、光敏作用、合成维生素D、视觉作用等。 一般来说，激光和普通光的光化反应机制是一样的，由于激光单色光的特点，因此1.以激光作为光源的光化反应更方便、易控、有效实现特定的光化反应；普通光波长范围较宽，当用普通光照射进行光化反应时，可同时引起多种光化反应。 2.生物组织吸收激光后的光化反应明显强于普通光。2.1 光化作用过程 大致由原初光化反应、继发光化反应组成一个完整过程。原初光化反应： 处于基态的分子吸收光子能量后跃迁到激发态，在其返回基态时，多余的能量将消耗于自身化学键的断裂或形成新键上，此发生的化学反应即为原初光化反应。继发光化反应： 通常在原初光化反应过程中形成的产物，大

12、多是中间产物（如自由基、离子或其它不稳定产物），这些极不稳定的产物继续进行化学反应，直至形成稳定的产物，这种光化反应称为继发光化反应。2.2 光化反应类型： 光化作用分为光致分解、光致氧化、光致聚合和光致敏化四种类型。2.3 光化作用规律1.光化学吸收定律（光化学第一定律） 其表述为：光必须被吸收才能提供化学反应和生物学反应的能量-只有被分子吸收的光子能量才能在系统中导致化学反应。 2. Einstein-Stark光化学量子定律 (光化学第二定律) 表述为：在任何初级光化学反应中，每个分子（原子、离子）只能从入射光束中吸收一个光子。 2.4 光化反应实例2.4.1 光合作用 CO2 + H2

13、O (CH2O)n + O2 基本过程为利用光能将H2O光化分解成氢和放出氧（光反应），把能量储存于ATP和NADPH(还原型辅酶)中；在碳反应中(暗反应)将CO2固定还原为(CH2O)n的需能过程.h 光反应和碳反应构成光化反应的一个整体, 二者紧密联系: 光反应是碳反应的基础,光反应阶段为碳反应阶段提供能量(ATP和NADPH)和还原剂(NADPH), 碳反应产生的ADP和Pi为光反应合成ATP提供原料. 在活体植物中,各种色素(叶绿素B和C，类胡萝卜素、藻红蛋白等） 吸收波长峰值在400-650nm。2.4.2 光(致)敏化作用 光致敏化是生物系统所特有的由光引起的在敏化剂帮助下发生的一

14、种化学反应。 凡有氧参加的光敏化作用称为光动力作用； 凡不需要氧分子参加的光敏化作用一般叫做光敏化效应。皮肤的光敏现象 光过敏反应（光变态反应）不是任何人都会发生的，据测定：人群中约有30%的人会对紫外线产生过敏。 导致光过敏的致病光谱主要是长波紫外线。与日晒不同的是： 日晒是由短波长紫外线（290-320nm)辐照引起； 皮肤的光敏反应是由长波紫外线或紫光引起。 另外，泥螺、苋菜、荠菜、莴苣、马齿苋、荠麦、无花果、萝卜缨等食物含光敏性物质较多； 一些如磺胺、四环素、非那根等药物也是对紫外线敏感度高的物质。 光动力作用可使生物细胞、组织或机体在光的作用下发生机能或形态变化，甚至可使生物组织损伤

15、或坏死 因此，现在在医学癌症的治疗中已得到广泛应用。氧是启动光动力作用的前提 “光动力学疗法”实施如下： 将血卟啉衍生物（HpD，光敏剂）静脉注入病人体内，几小时后，HpD分布于脑以外的所有软组织中，48-72h后，健康组织中的大部分HpD已被清除，而肿瘤细胞对HpD显示出很强的亲和力，大约三天后，肿瘤细胞中HpD的浓度大约是健康细胞中的30倍，通常在注射37天内进行激光照射，这时肿瘤细胞很敏感，因此可以选择性地杀死肿瘤细胞。 光敏剂选择性积聚于肿瘤组织内的机制尚不完全清楚，一般认为主要与肿瘤本身的特性有关：1）肿瘤长期缺氧、缺血、血管通透性高、糖酵解活跃、PH值低 光敏剂易跨膜进入细胞；2）

16、快速增长的肿瘤细胞含大量的低密度脂蛋白受体 能与低密度脂蛋白结合的光敏剂能 进入细胞；通过受体介导3）肿瘤细胞内含有大量巨噬细胞，巨噬细胞介导部分亲水性光敏剂进入肿瘤细胞溶酶体内；4）肿瘤细胞相对多的胶原纤维等成分及组织结构不健全等也是导致光敏剂容易滞留的原因。小结： 某些光敏物质具有肿瘤亲和性，给癌症患者静脉注射这种光敏物质，经过一定时间后，在病变部位照射激光，可以选择性的破坏癌细胞。 照射方法1.体表或浅表层肿瘤（如表皮、口腔、耳、鼻、眼、子宫颈等） 直接照射；2.对于巨大肿瘤 需将光纤插入肿瘤体内进行组织间照射；3.对内脏器官（如呼吸道、消化道、泌尿道等） 采取内窥式照射。 注意 光敏物

17、质在正常组织中代谢较快，若有残留物则引起光线过敏反应。 患者在治疗后的一段时间内必须在避光下生活。2.4.3 视觉作用照相机成像人眼视觉成像 人感知到达视网膜的光子，是因为生色团分子吸收可见光的光子后受激，产生光化反应，这种反应改变了光感受器的电位，传递给与之相连的下面各层，直至神经细胞层，经加工并编译成生物电脉冲信号由神经纤维送到大脑中枢。吸收大部分可见光和5%左右的近红外线；其余被反射出眼球或被巩膜、脉络膜吸收视觉的形成过程 进入眼球内的光线，经过折光系统折光系统后，在视网视网膜膜上形成物像，同时感光细胞受到光线的刺激，产生兴奋，神经冲动沿着视神经视神经传到大脑，在大脑皮大脑皮层的视觉中枢

18、层的视觉中枢形成视觉。 正常眼 物体反射的光线经过晶状体的折射后形成的物像落在视网膜上 近视眼晶状体曲度过大或眼球前后径过长使物像落在视网膜的前方 远视眼晶状体曲度过小或眼球前后径过短使物像落在视网膜的后方3.激光的生物机械效应 任何电磁波都对物体有压力，激光也不例外，但光压小（约几个大气压）。光压： 激光被吸收后，可在生物体内产生机械力，称为光压。 激光本身对生物组织产生的压力称为一次压力； 生物组织吸收光能引起组织热膨胀、超声波、内部汽化压、电致伸缩等次级压力称为二次压力。 一次压力和二次压力统称为激光的光致压力，也称为激光的生物机械作用。如： 当生物组织吸收激光后不足以汽化时，将会导致体

19、膨胀而产生超声波。 由此可见，热致体膨胀所产生的超声压是激光在生物组织中产生机械力的主要因素。光钳技术 光的辐射压力：激光辐射产生的皮牛量级的微小力恰好适于移动细胞和生物大分子。激光光钳示意图激光器聚焦镜 样品池显微镜光钳技术 当用激光钳住一个细胞时，再用另一束较强的激光作为激光刀，对细胞进行手术。如，切下DNA或细胞膜，研究细胞功能的变化;钳住某种基因将其注入到植物细胞内，起到基因传递的作用等。 激光钳与激光刀联合使用还可以实现基因的重组和重排，可以帮助完成“人类基因测序计划”。4. 激光的电磁场效应 激光是电磁波，激光与生物组织的相互作用实质上是电磁场与生物组织的作用。 在一般的激光作用下

20、，电磁场效应不明显；强的电场作用于生物体，才出现明显的电磁场效应。 生物组织在激光束的作用下，生物分子可能发生电离，使无极性的生物分子发生极化，原来已极化的生物分子沿电场方向旋转，从而引起微观结构的变化。 5 激光的生物刺激效应 当用弱激光照射生物体时，激光成了刺激源。直接照射时，不会对生物组织造成不可逆性损伤的激光束 激光的生物刺激作用会产生消炎、止痒和扩散血管的作用，此外还能促进机体的代谢、增殖、机能等过程、激活机体的神经-体液的反射作用和交感神经-肾上腺系统，从而改善正常组织或提高受伤组织的抵抗力、生命力和修复力。5.1 激光生物刺激作用的特点(a) 刺激或抑制： 激光照射小剂量起刺激作用，而大剂量反而起抑制作用；大小剂量的划分则随生物的结构和机能的不同而不同。 (b) 积累作用： 即以一次大剂量照射同与之相等的多次小剂量照射，所引起的生物效应一样大。(c) 抛物线效应： 实验证明，生物刺激效应曲线大致是一条不通过原点的抛物线。即照射次数有阀值，效应不随次数正比增大，有一极大值，达极大值后，再增加照射次数，刺激作用反而减弱，甚至变成抑制作用。 5.2 生物刺激过程和引致的生物反应5.2.1 生物刺激过程大致包括：1）生物分子吸收光子 生物分子吸收光能后，转换为生物分子的热能、化学能或内能，并引起该分子自身能量状态的调整