弱激光生物刺激效应的机理研究课件

弱激光生物刺激效应的机理研究弱激光生物刺激效应的机理研究激光的医学应用弱激光生物效应弱激光调节血红蛋白活性的机理分析弱激光提高生物酶活性的一种物理模型进一步工作一、激光的医学应用1、激光的产生受激吸收、自发辐射和受激辐射产生激光的条件激光的产生2、激光器的分类3、医用激光系统的主要特征4、激光的医学应用5、激光医学发展展望自发辐射处于高能态的原子不是稳定的。在没有外界的作用下，激发态原子会自发地向低能态跃迁，并发射出一个光子，光子的能量为，这称为自发辐射。普通光源的发光就属于自发辐射。由于发光物质中各个原子自发地、独立地进行辐射，因而各个光子的位相、偏振态和传播方向之间没有确定的关系。E1E2自发辐射

受激辐射

处于高能态的原子，如果在自发辐射以前受到能量为的外来光子的诱发作用，就有可能从高能态跃迁到低能态，同时发射一个与外来光子频率、位相、偏振态和传播方向都相同的光子，这一过程称为受激辐射。在受激辐射中，一个入射光子的作用会得到两个状态全同的光子，如果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射，这样继续下去，就能得到大量的特征相同的光子，这就实现了光放大。E1E2受激辐射（2）产生激光的条件：有实现粒子数反转的激活介质；满足阈值条件的谐振腔。

A激活介质激光是通过受激辐射来实现光放大的光。对光放大过程来说，受激吸收和受激发射是相互矛盾的。吸收过程光子数减少，而辐射过程则使光子数增加。因此，光通过物质时光子数是增加还是减少，取决于那个过程占优势，这又决定于处于高、低能态的原子数。正常分布：在正常状态下，处于高能态的原子数远远小于处于低能态的原子数，这种分布称为正常分布。

正常分布下，受激吸收过程占优势，不可能实现光放大。粒子数反转：要使受激辐射占优势，必须使处在高能态的原子数大于低能态的原子数，这种分布与正常分布相反，称为粒子数反居分布，简称粒子数反转。实现粒子数反转的条件（1）要实现粒子数反居分布，一定要有实现粒子数反居分布的物质，称为激活介质，这种介质必须具有适当的能级结构。（2）必须从外界输入能量，使激活介质有尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态。这一能量供应过程称为“激励”，又称为“抽运”或“泵浦”。激励的方法一般有光激励、气体放电激励、化学激励、核能激励等。基态E1E3E2激发态亚稳态抽运无辐射跃迁（能量转移给晶格）三能级系统处于激发态的原子是不稳定的，平均寿命约为10-8秒。有些物质存在着比一般激发态稳定的多的能级，其寿命可达到10-3~1秒的数量级。这种受激态称为亚稳态。具有亚稳态的物质就有可能实现粒子数反转，从而实现光放大。产生激光的工作物质有三能级和四能级系统。

B光学谐振腔

工作物质激活后，为得到激光提供了必要的条件，但是还不可能得到方向性和单色性很好的激光。激发态原子基态自发辐射受激辐射在实现了粒子数反转分布的工作物质内，初始诱发工作物质原子发生受激辐射的光子来源于自发辐射，而原子的自发辐射是随机的，所辐射的光的相位、偏振态、频率和传播方向都是互不相关，也是随机的。无谐振腔时受激辐射的方向是随机的一、激光的医学应用（3）激光的产生将在泵浦源激发下处于粒子数反转状态的工作物质置于光学谐振腔内，如图所示。激光工作物质泵浦源谐振腔光在谐振腔内振荡，抑制自发发射，增强受激发射，不断获得光放大，这时从谐振腔轴线方向透射出来的光就是激光。激光主要是受激发射产生的，所以是相干的。激光类型波长

典型脉冲持续时间激光类型波长典型脉冲持续时间氩离子氪离子氦－氖二氧化碳染料激光器二极管激光器红宝石激光器Nd:YLFNd:YAG

Ho:YAGEr:YAG变频晶体488/514nm531/568/647nm633nm10.6μm450~900nm670~900nm694nm1053nm1064nm2120nm2940nm720~800nm连续连续连续连续或脉冲连续或脉冲连续或脉冲1～250μs100ns～250μs100ns～250μs100ns～250μs100ns～250μs50ns～100μs

XeCIXeFKrFArFNd:YLFNd:YAG自由电子激光Ti:蓝宝石

308nm351nm248nm193nm1053nm1064nm800~6000nm700~1000nm20~300ns10~20ns10~20ns10~20ns30~100ps30~100ps2~10ps10fs~100fs3、医用激光系统的主要特征注：Nd:YAG掺钕钇铝石榴石Nd:YLF掺钕氟锂钇激光医学临床治疗医学测量和诊断显微外科手术激光治疗视网膜裂孔、眼底病变、矫正屈光不正，清除血管堵塞物，激光结合光敏药物治疗恶性肿瘤，激光美容等。激光多普勒流速计可以用非接触地法测量血流速度；激光流式细胞计技术能对大量细胞的多项指标进行快速测定；激光光谱分析法大大提高了分辨率、灵敏度；激光全息、激光透照等有独特的检查效果。激光聚焦照射并摧毁活细胞体内的某个区域；激光诱导细胞融合；激光裁剪DNA生物大分子等。5、激光医学发展展望激光医学并不限于一个或几个学科，它几乎与所有的学科都有关，可以预期将来有更大的应用前景。对激光医学的新进展应谨慎看待。原因是：并不是每一个激光治疗疾病的报道都能在其他的医疗机构重现；同样的效应对某种疾病的治疗是有效的，而对另一种疾病的治疗则可能是灾难性的。国内外激光医学领域开始对激光医疗过程及其相应的治疗机理进行研究，试图从理论上对各种治疗过程及相应的治疗效应进行解释，因而形成了激光与生物组织相互作用机理研究的学科，进而发展成为生物医学光子学学科领域。二、弱激光生物效应1、激光生物学效应的分类激光生物效应光化学效应热作用光蚀除作用等离子体诱导蚀出作用光致破裂作用生物大分子吸收光子的能量受激活，产生受激原子、分子和自由基，引起体内一系列化学反应。（如光化学治癌、皮肤鲜红癍痣的治疗等）主要是利用激光的热量达到温热、凝结、汽化、碳化和熔融效应。由紫外光产生的切除作用，它是高能量的紫外激光直接打断分子键的作用。（准分子激光治疗屈光不正）高功率激光产生等离子蚀除的现象。高功率激光器产生的机械分裂和切割作用。激光医学中主要应用激光生物效应中的光和热作用。

弱激光的刺激作用，有人认为是光化学作用，其作用时间和功率密度与化学作用差不多。2、弱激光的生物刺激作用（1）弱激光（lowlevellaser）：照射不会对生物组织直接造成不可逆损伤的激光称为弱激光。（2）弱激光刺激作用弱激光照射可以影响机体免疫功能，对神经组织和功能有刺激作用，还可以引起生物机体内一系列其他的生物效应。激光生物刺激作用具有如下特点：(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：小剂量He-Ne激光有积累作用，即以一次大剂量照射或将该剂量分成小剂量多次照射，所起的生物效应一样大。(c)抛物线效应：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。3、弱激光刺激作用的机理对弱激光刺激作用的机理研究，人们提出了很多假说，主要有（1）Gurvich生物场理论这种理论认为，完整机体的组织和器官的联系并不限于体液的作用和神经系统的控制机制。由于每一细胞、组织、器官及其周围都存在着生物场，从而使高级水平的结构（机体、器官）能够对低级水平的结构（组织、细胞）施加正常的影响。（2）Mester的线偏振光定向电场力改变细胞膜的构想假说这种理论认为，细胞膜是类脂双分子层结构，而类脂分子是电偶极子。当用线偏振光照射细胞时，线偏振光的电场力强迫类脂分子极化方向沿着偏振光的电场方向重新排列，结果改变了细胞膜上类脂双分子层的构象，从而影响到了与细胞膜有关的每一个过程，如细胞的能量代谢、免疫过程的和酶的反应等。另外还有Lnyushin的生物等离子体学说、光色素吸收激光能量调节生命过程假说、细胞膜受体作用导致细胞的光照活化效应假说等，但是没有一种假说能得到普遍接受。2、血液中蛋白质活性的自然调节蛋白质是氨基酸的多聚体，其中执行酶学功能的称为酶。蛋白质的激活与抑制如图1所示：

(a)stimulation(b)restraint图1蛋白质分子的激活与抑制

Fig.1Theactivationandrestraintofproteinmolecules

无活性形式的蛋白质底物分子不能直接参与生物化学反应，它必须先与激活物结合，引起其形状改变，即变构，使其形状与酶的活性位点形状接近互补，变为活性形式的底物。而活性形式的底物也可以同抑制物进行结合，通过变构，使底物分子变得无活性。生物通过释放一定量的激活因子或抑制因子从而达到对生物化学反应的控制。

3、激光的作用3.1血液在弱激光照射时的拉曼散射吸收

图2弱激光照射时血液的拉曼散射吸收Fig.2TheRamanscatteringabsorptionofbloodirradiatingbylowlevellaser当频率为的单色弱激光在血管内照射时，它与蛋白质分子相互作用，部分被吸收，部分向各个方向散射，散射光立刻分裂为若干不同波长的谱线，如图2所示3.2激光的光压作用由于激光的光压作用，部分光子的动能将传递给蛋白质分子，使其动能增加，平均速率变大。计算方法如下：设激光的频率为ν。当蛋白质的反射率为ρ时，则在每s照射到某个蛋白质分子上的N个光子中，有个被吸收,而ρN个被反射，所以作用于此分子的压力为:假设此分子的质量为m，f为分子所受的阻力，则由光压可以得到此蛋白质分子在照射一秒的情况下获得的加速度为：

由此加速度以及光照时间，可以求得分子动能的增加量。

4、机理分析由前面的讨论可知在激光的照射下，血液中的蛋白质大分子的总能量E增加了，其中E=ET+ER+EV，ET、ER、EV分别为分子的平动动能、转动动能和振动动能。4、1蛋白质分子平动动能增加的情形对血管中蛋白质分子之间的碰撞进行粗略的估算。用分子运动论可以推算出每s碰到单位立体角内血管壁上的蛋白质分子数为。

因此：(1)酶与底物碰撞结合的几率增加。如：磷酸化酶与底物蔗糖，琥珀酸脱氢酶与底物琥珀酸盐等。这样如同激活了糖代谢及线粒体呼吸链所需的这几种酶，促进了糖的利用和三磷酸腺苷（ATP）的产生。

(2)蛋白质底物分子和酶原与激活因子结合的速率加快，数量增多，明显地提高了超氧化物岐化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSHPX)及过氧化氢酶(CAT)的活性，增强了机体清除自由基的能力。

(3)血液中各种分子的运动加剧有助于血液粘度下降，使血液处于低凝态。试验表明向血液中注光，可以激活血液中的多种酶，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。另外，向血液注光，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，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。4.2转动动能增加的情形

在小剂量照射情况下，对底物分子和酶原而言，激活因子在其4立体角内出现的几率是平均的，无论是转动还是静止，在单位时间内底物分子和酶原的结合点得到激活因子的几率相同，所以转动对蛋白质（包括酶）的活性无影响。

但当大剂量激光照射时，底物分子和酶原转动过快，可能甩掉刚刚结合，但结合不牢的激活因子，从而出现蛋白质的活性被抑制的现象。酶与底物在弱激光照射下的作用过程也同蛋白质与激活因子一样。实验证明：激光照射小剂量起刺激作用，而大剂量反而起抑制作用；照射次数有阈值，效应不随次数正比增大，有一极大值，达到极大值之后，再增加照射次数，刺激作用反而减弱，甚至变成抑制作用。4.3振动动能增加的情形某蛋白质分子与其它分子的结合是靠它的结合位点用电荷作用、疏水作用、氢键、范德华力中的一种或几种的吸引来解决的，当振动动能增加时，这些结合位点将发生更大范围的振动，故其引力范围也必将扩大，更易于吸住旁边飞过的激活因子，使无活性的蛋白质底物和酶原激活，也使酶更迅速地通过结合位点引力范围的扩大，捕捉到它催化的参于生化反应的蛋白质。同样，当大剂量照射时，振动过快可能甩掉结合不牢的激活因子，使蛋白质的活性被抑制.四、弱激光提高生物酶活性的一种物理模型1、模型的建立1.1问题的提出激光血管内照射几个方面的生物学效应，每一方面都与激活酶活性密不可分，可以说提高酶活性是生物学效应的微观基础，也就是激光血管内照射的微观基础。酶是执行酶学功能的蛋白质，氨基酸是蛋白质分子的基本单位。两个氨基酸分子结合在一起释放出一个水分子，靠肽键结成一个长链，组成了蛋白质的一维结构。对于蛋白质来讲，其活性和功能的能量供给主要由附着在蛋白质分子上的三磷酸腺苷（ATP）分子所发生的水解反应时所释放的能量，但能量是如何传递到生物组织和细胞核内的DNA，引起肌肉的收缩和DNA的复制？它是通过一个非平衡态过程而被使用，还是通过平衡过程而转化为满足经典热力学关系？一种可能的能量传递机制是，这个能量可以转变为蛋白质分子内的振动激发。以此为基础，可以建立蛋白质分子的振动模型。1.2模型建立蛋白质分子并不是准一维的分子链，而是由α螺旋，β片，球状等空间组态连成的复杂的三维结构。为了简单起见，可以用适当的方法把其分成很多小段，使每段可近似看成是准一维分子链。在此分子链上，由于氨基酸分子的相似性，可以将其看作质量均为m的谐振子，而把肽键看作为倔强系数为k的弹性振子。设在某个时刻，某一谐振子与相邻谐振子之间的位置如图1所示:

图1相邻谐振子的位置fig.1Thepositionofneighborharmonicvibrator并假定某时刻从左到右三个谐振子距其平衡位置的位移依次为x1、x2、x3,,则它们的运动方程为：设具有复数形式（i=1,2,3）（1）代入方程（1），并且注意到，求导算符相当于(iω)2=﹣ω2，消去公共因子eiωt，经移项并整理，得Âi的线性齐次联立代数方程组（2）由方程(2)有解的条件可以得到谐振子振动的圆频率ω为也就是说，谐振子的振动有三种模式。将三个ω分别代到方程（2），则得到每个运动模式振幅之间的比例关系对于ω1：

对于

ω2：

对于

：（3）由此可见，对于ω1代表的振动模式，中间谐振子不动，而两侧谐振子相对运动；对于ω2代表的振动模式，两侧谐振子相对静止，它们整体与中央振子作相对运动；对于ω3代表的振动模式，则是整个分子的刚形平动，并非内部的振动模式。模式1模式2刚形平动

图2几种振动模式fig.2somevibrationmodels这里讨论的是中央分子的运动，只能是模式2，中央谐振子以频率作简谐振动，根据量子力学计算结果，该谐振子能级可表示为：n=0,1,2,3,……相邻能级间隔为ΔΕ=ћω。假设ωL，ωD分别为激光频率以及在双键作用下谐振子的振动频率，由上面的讨论可知而在单键作用下，根据振动规律有：

即得到

ωs是单键作用下谐振子的振动频率，

所以肽键能为84～125KJ/mol,He-Ne激光器所发光子能量为1.94eV。为了取平均值附近又利于计算，我们取键能为108KJ/mol，单个键能1.125(eV)，所以

即（5）也就是说，这种情况下，激光频率与双键作用下的振动频率相同。（4）2对模型的讨论根据上面的结果，我们可以作如下讨论：

1、从振动的观点看

（1）如果是He-Ne激光入射，由于有，所以对于氨基酸分子的实际振动，策动力频率等于固有频率，发生共振现象，此时，氨基酸分子振动振幅达到最大。（2）由于氨基酸分子、肽键的差异，也有可能，此时氨基酸分子不是以固有频率振动，而是以策动力频率振动，振动频率增强。（3）若，此时氨基酸分子以固有频率振动，但策动力到来时，振动加强一次，而后又回到固有频率，频率依然是加强的。

综合所述，当有弱激光照入时，氨基酸分子的振动有的振幅达到最大，有的频率增强，这样酶的活性就会得以显著提高。

2、从能级跃迁观点看当氨基酸分子振动时，由于病变导致活性降低，一般都处于能级较低的状态。从计算结果可以看出，其能级之间隔,而根据能级跃迁规律，当吸收一个光子时，如果原来氨基酸分子处在基态，就会跃迁到第一激发态；若原来在第一激发态，则会跃迁到第二激发态……，总之，会向上跃迁一个能级。由于每个能级向上跃迁一个能级，原来“冻结”在较低能级的氨基酸分子能级提高，因此氨基酸分子活性得以提高。3、3提高酶活性的波长范围在讨论之问题之前，让我们先看两个事实。第一，采用动物实验比较了五种激光波长血管内照射对小鼠血清No,β内啡吠(β-End)含量及No合成