生物医学光子学研究

生物医学光子学研究TheResearchonBiomedicalPhotonics本文作者徐正红女士，西安交通大学生命科学与技术学院生物医学工程研究所博士生；张镇西先生，西安交通大学生命科学与技术学院副院长、博士、教授、博士生导师。关键词：光子学激光生物医学一、引言生命科学是当今世界科技发展的热点之一。而光子学是随着近代科学技术发展而日益蓬勃发展的学科。近年来一个以光子学与生命科学相互融合和促进的学科新分支――生物医学光子学（BiomedicalPhotonics）也随着激光技术、光谱技术、显微技术以及光纤技术的发展而飞速发展起来，它将开拓生命科学的新领域，成为本世纪的研究热点。生物医学光子学可以分为生物光子学和医学光子学两个部分，分属生物学和医学领域，但二者存在相互交叠的范围，并无严格的分界。也可以根据应用目的的不同，将生物医学光子学划分位光子诊断医学技术和光子治疗医学技术两个领域。前者以光子作位信息的载体，后者是以光子作为能量的载体。由于激光具有单色性好、高亮度，高密度、辐射方向性强的特点，无论光诊断还是光治疗技术，多以激光为光源。随着激光器的不断发展，光子技术在生物医学领域的应用也层出不穷。二、光子诊断医学技术1．概念生物光子学就是以研究生物体辐射的光子特性来研究生物体自身的功能和特性的学科。在光子学产生初期，充满活力的生命科学就和光子学相互交叉渗透，促进了这一学科的发展。它以生物系统的超微弱光子辐射（BPE）的发现和研究为基础的。从1923年前苏联科学家Burwitch等人首次发现BPE现象到70年代后的研究表明，BPE现象是自然界普遍存在的一种现象，是生物体的一种固有功能。除了少数原生生物和藻类等低级生物外，绝大多数动植物都能产生BPE。BPE的光谱很宽，从紫外、可见光到红外波段。奇妙的是，BPE的值和生物进化程度成正比，进化程度越高，其BPE值越大，辐射的波长越向红外扩展。另外BPE具有高度的相关性，是生物体梁子效率及低的一种低水平化学发光。80年代以来各国科学家进一步对BPE现象进行研究发现DNA是BPE的辐射源之一；BPE在细胞形态分裂前和死亡前强度会增大。另外，癌细胞的BPE高于正常细胞。这些研究表明：生物的自发超弱发光与生物体的氧化代谢、细胞的分裂和死亡、癌变、生长调控、光化学反应等许多基本的生命过程有着密切的内在联系。有关BPE的研究也正向细胞、亚细胞和分子水平深入。与之相关的理论和测试技术也在不断发展。2．应用由于生物超弱发光与生物体的生理及病理有着密切的关系，所以生物光子学在临床诊断、农作物遗传性诊断及环境检测等领域可以有重要的应用。●生物超弱发光的成像利用高灵敏度的探测和成像技术，结合数据融合技术，在可见和近红外波段获得生物体超弱发光的而二维图像，用于人体代谢功能与抗氧化、抗衰老机体防御功能的测量和研究。亦可用于疾病的诊断。例如，日本研制成第一台能探测大脑癫间病灶区的激光仪器，用很弱的近红外激光照射病人头部而得到大脑皮层的二维图像。通过分析这些图象，可以了解癫间期大脑活动类型，有助于医生发现病灶。和传统的打开头盖骨插入电极测量和用放射性同位素测定的方法相比，可以减少对病人的痛苦和伤害。此外，波士顿儿童医院利用在组织内的光的吸收和氧的浓度有关这一特性，采用近红外光谱来监视婴儿脑细胞氧含量。●生物系统的诱导发光生物体在外界强光的短暂照射下可诱导生物系统的光子发射。这种随时间衰弱的诱导发光的强度远大于生物体自发光强度。可以用于疾病诊断和食品质量的检测。由于肿瘤患者和健康人相比，其血液和病变器官与组织的发光光子强度升高，在癌症的诊断方面有很好的应用，可以在肿瘤早期找出其存在位置，实现肿瘤的早期诊断和治疗。目前有两种方法：1．外加光敏物质诊断根据荧光物质与肿瘤组织有很好的亲和力这一特点，可让患者静脉注射或口服光敏剂后（48～72小时），再接受光照，记录荧光光谱特性曲线，可以确定肿瘤位置。这种方法由于受到其他组织荧光和自体荧光的干扰，容易引起误诊，且需要寻求更有效且无毒副作用的光敏剂。在现阶段，新型光敏剂的发展是通过荧光对早期肿瘤检测方法的最有前途的改进。经研究表明靛青绿衍生物比未改变的靛青绿更能提高药物代谢动力并获得更高的收效。为了对新型光敏剂进行体内检测，LMTB在与西门子医药公司的合作中研制了一台近红外成像器，它由一个740nm的二极管激光器（1.5瓦）和一个冷却CCD照相机组成。动物试验中，完整老鼠身体的近红外荧光可被成像，不同的滤光器设置允许使用不同的荧光基团。我们可以清楚的看到肿瘤的位置。2．自体荧光光谱诊断这种诊断技术不需要外加光敏制剂，利用人体组织在激光下产生的荧光来进行光谱分析分辨肿瘤。无需口服或注射光敏剂，是一种无侵害性的、快捷诊断技术。美国南卡罗来纳州克莱姆森大学研究人员用激光二极管发射出红外线光束，不必接触皮肤即可从16个点位穿透乳房，然后用计算机分析光子模式，再现乳房内部影像，可以发现小到5毫米的肿瘤。加拿大Xillix公司将自体荧光光谱诊断技术与内窥镜技术相结合，研制了光致荧光内窥镜系统（LIFE），获取正常组织和非正常组织的荧光差别，实时显示图像或输出数字式静止图像，用于肺癌的早期诊断。经过临床试验表明，在肺癌的探测和定位方面，LIFE系统准确效率比普通的内窥镜系统提高171％。●激光扫描共焦显微技术超声波、CT、核磁共振等传统生物医学成像技术虽然可以获得人体组织在自然状态下的各种表像，但无法达到细胞级的分辨率。而采用高分辨率的光学显微镜和电子显微镜又需要将组织切片分析，无法对活组织成像。激光扫描共焦显微镜却可以进行光学断层分析获取生物样本的三维图像，实现对组织的动态成像，使研究人员观察到细胞与细胞相互作用、组织再生、光与组织的物理和生物效应、细胞内的生化成分和离子浓度等，从而成为生物学和医学研究的新技术和新手段。原理如下：激光聚焦成线度接近单个分子的极小斑点，照射样品，使之产生荧光，但只有焦点处的荧光可以被探测到，离开焦点的荧光将受到紧靠探测器的空间滤波器的阻碍，不会进入探测器，可以得到样品细胞一个层面的图像。连续改变激光的焦点，可在一系列层面进行扫描，得到整个样品细胞的三维图像。目前，利用多光子技术，用近红外光激发可以减小单光子激光扫描共焦显微镜对细胞的损伤，可以观察到样品更深层的荧光成像，具有更高的分辨率。是目前的发展方向。●光学相干层析技术（OCT）将光学相干技术与激光扫描共焦技术相结合的光学相干层析技术（OCT），利用了相干仪的高灵敏度外差探测特性，及只有探测光束焦点处返回的光才有最强的干涉信号被探测到，而离开焦点的散射光不会被探测成像这一激光共焦显微技术的结合。避免了单一激光扫描共焦显示技术只能用于透明组织，如角膜、皮肤这一缺点，可以用于探测食道、宫颈、肠道等器官，使医生看到10微米大小的组织，无损伤地了解组织结构及成分。特别值得一提的是它可以用于探测心脏、脑等以往无法活检的器官和组织，所以，OCT在医学上被称为光学活检。●光学光钳技术激光光钳是一种利用高斯激光光束的梯度压力将微粒移到激光束焦点附近的装置。微粒处于按高斯分布的激光束中时，由于光场强度的空间变化，光束对微粒产生一种梯度压力，驱使其移向光束中心，并稳定在那里。激光束如同一?quot;钳子抓住微粒，随其移动，可以无损地操纵如细胞、细菌、病毒、小的原生动物等生物粒子，为微生物学家、医学工作者提供新的有力工具。为了减小对微粒的影响，多采用近红外激光。德国生物学家用激光在卵子细胞周围的保护层（蛋白质和碳水化合物）上打孔，利用光钳将精子抓住并送入卵细胞，从可以帮助那些缺少尾巴或无法游动的精子与母卵细胞结合，从而大大提高了体外受精的成功率。●激光加速对DNA的研究基因是生物遗传、突变的基本单位。人类基因组共有3×109个碱基对（DNA），弄清这些碱基对的序列情况是研究生命科学、了解生命奥秘的基础。利用人工方法识别这些碱基对需要1000年时间。单由于引入了光子学技术，大大促进了DNA的研究进程。美国加州大学采用激光毛细管列阵电泳法，在7分钟内读出200个碱基对，精度达97％，比通常的板凝胶技术快得多。此外，日本东北大学、路易斯安娜州立大学、艾奥瓦州立大学的研究人员都利用光子学技术采用不同的方法来实现对DNA的快速识别。加利福尼亚的Affymetrix公司已开发了基因芯片技术，它将照相平板印刷术和化学合成技术相结合，在不到1.28cm2的面积上产生高密度的DNA探头阵列。利用激光共焦扫描显微技术识别DNA。●激光挑选癌细胞美国国家健康研究所研制出一种带有固体激光器的立式显微镜。在用显微镜观察肿瘤的病理样品时，病理学家可以用脉冲工作的激光束激活罩在样品上的透明热塑膜，使之与他选择的癌细胞热熔在一起。这样在取出膜的同时可以取出被选的癌细胞，进行近一步分析研究。●细胞快速分析识别美国Sandia国家实验室成功地研制出一种含有细胞地生物微腔半导体激光器。以透明地细胞作为波导材料来改变激光横模结构，从而使激光光谱发生变化。由于每一种细胞都能使激光输出带有可识别地信号，可以根据光谱识别细胞而不需要成像，因此识别速度很高。每秒能识别2万个细胞三．光子治疗医学技术1．概念光入射到人体组织后，一部分会反射回来，一部分被组织吸收，还有一部分被人体组织向四周散射。人体不同组织对不同波长光的吸收能力也不同。光照射人体组织后，根据照射的波长和时间不同，对组织有以下五种作用，分别为：光化学作用、热相互作用、光蚀除、等离子体诱导蚀除和光致破裂。如图1所示，激光医学相关的总的能量密度范围是从1J/cm2到1000J/cm2，暴光时间也是造成光与组织相互作用多样性的主要参数。图1激光与组织相互关系图，圆圈仅大致给出有关的激光参数据。由Boulnosi(1986)修正2主要应用●光子动力学医疗（PDT）利用癌细胞与正常细胞对某些光敏药物的亲和力不同的特点，使光敏物质只集中于肿瘤组织中，在光的照射下使光敏药物产生氧化能力很强的单态氧，能有效地杀死癌细胞。具体做法使给别人注射光敏药物，在48或72小时后，正常组织将药物代谢排除，而肿瘤组织代谢较慢。此时可以用低功率激光照射可疑区域，根据荧光光谱确定肿瘤位置。再用高功率激光（630～690纳米染料激光或半导体激光），通过光纤去激活药物，产生毒性反应，杀死癌细胞。这一技术成功应用于肺癌和其他癌症地治疗。●激光美容利用激光照射皮肤后的选择性光热作用，即靶组织（病灶）和正常组织对光的吸收率的差别，使激光在损伤靶组织的同时避免正常组织的损伤这一原则，达到去皱、去文身、去毛和治疗各种皮肤病的目的。采用倍频Nd：YAG或Ar＋激光有效凝固血红蛋白来治疗如鲜红斑痣等皮肤病；采用超短脉冲CO2激光器（10.6μm）进行去皱、去毛、头发移植等；在文身治疗中，根据文身颜色选择互补色激光治疗，如绿色文身采用红色激光，这时色素吸收率最高，容易实现选择性光热作用。利用不同波长和不同功率的光刀也可以进行皮肤肿瘤等切除性外科手术。●激光在牙科应用从60年代即开始了激光用于牙科的基础及临床研究。最早用于代替机械牙钻贺焊接支架。现在激光在口腔临床主要应用于口腔软组织疾病、口腔粘膜病等治疗。以及各种口腔硬组织疾病，如牙本质过敏症的脱敏、龋牙激光治疗、根管消毒和激光漂白牙齿等；还可以用激光进行止疼及麻醉。也可以用激光进行牙髓炎等口腔疾病的诊断等。●激光在眼科应用利用紫外激光的高光子能量打断角膜基质内分子链，造成非热致汽化来改变角膜的厚度和曲率，治疗近视、远视和散光。这就是今年来出现的准分子激光角膜切削术。由于该方法热损伤小、切割精细、安全、预测性好等一系列优点，近年发展很快。另一种治疗方法叫激光屈光性角膜切削术，即在角膜瓣下进行激光切割，是一种效果稳定，视力回退现象小的屈光矫正治疗。另外，激光在晶状体、玻璃体、虹膜、视网膜等各类疾病的治疗。●激光在心脏病学中应用对于冠状动脉硬化可以采用激光心脏再形成手术（TRM）进行治疗。TRM手术是医生在病人左胸开一个6～8英寸的切口，用激光再心脏上打20～30个1毫米大小的小孔，小孔在血凝固时被封