关于低强度激光生物效应的文献探讨——生物信息模型
作者：刘承宜 罗刚跃 李学梅
单位：刘承宜 华南师范大学传输光学实验室广州市，510631；罗刚跃 华南师范大学生物系；李学梅 华南师范大学生物技术研究所
关键词：
中国激光医学杂志990217 自从60年代末开展低强度激光疗法以来，人们对激光生物刺激作用开展了大量的实验研究，提出了大量的模型[1, 2]。遗憾的是至今没有一种说法得到普遍接受。近年来研究方法逐渐成熟，尤其是在细胞功能的研究方面形成了较为系统的研究。实际上绝大部分最可信的证据来自细胞水平的研究[1]。表1总结了迄今得到的关于低强度激光细胞效应的部分实验结果。
表1 低强度激光的细胞效应 激光种类
作用对象
, http://www.100md.com
观察指标
激光效应
BIML
预言[3-5]
He-Ne
HeLa细胞
S相细胞数
增加[2]
增加
He-Ne
血红细胞
变形性
, 百拇医药
降低[6]
降低
He-Ne
小鼠肥大细胞
颗粒释放
增加[1]
增加
红宝石
人类白细胞
吞噬作用
增加[1]
增加
, http://www.100md.com
He-Ne
单核巨噬细胞
免疫应答
增加[7]
增加
He-Ne
鼠皮
前列腺素合成
增加[1]
增加
红宝石
豚鼠乙酰胆碱
, 百拇医药
神经递质释放
增加[1]
增加
从表1可以看出，低强度激光的作用类似于相关激素的作用。为了进一步弄清两者相似的程度，我们先讨论作用机制比较明确的视觉过程。研究表明[8]，一个光子激活一个视紫红质分子，每个视紫红质分子激活500个转导蛋白GT。GT蛋白包含α、β和γ三个亚基。当GT蛋白被激活后，α亚基与β和γ两个亚基脱离，并激活磷酸二酯酶(PDE)水解cGMP，使细胞内的cGMP浓度降低，阻断Na+外流，形成视觉信号由视神经传导到大脑。很明显，光子通过视紫红质激活GT蛋白的机制，与肽类激素通过细胞膜受体激活G蛋白的机制是十分相似的。
肽类激素和它的细胞膜受体具有特异识别作用，就象锁和钥匙一样是一一对应的。尽管有大量的肽类激素和细胞膜上相应受体，肽类激素的化学信号转导到细胞内部的信号通道却是有限的。换句话说，肽类激素与受体的化学作用与信号转导的生物作用的对应是多对一，这种因果关系形成了生命规律与非生命规律的显著区别。这种多对一规律的分子基础在于G蛋白或受体关联蛋白酶的特殊结构[8]。与肽类激素的信号转导相似，虽然视觉细胞对不同频率的光子的敏感性有差异，视觉过程光子的信号转导也是多对一的。
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从目前发现的低强度激光的细胞效应来看，低强度激光作用主要与肽类激素相似。根据激素作用机制的最新研究结果[8]，通过与视觉过程的类比和大量的研究，笔者等人[3-5,9,10] 提出了低强度激光疗法的生物信息模型(BIML)和激光生物刺激作用的信息转换模型(BITML)。
根据BIML，低强度激光作用于细胞的生色团，受激发的生色团通过与G蛋白或受体关联蛋白酶发生作用，引起细胞内第二信使浓度的改变：绿、蓝和紫等冷色兴奋Gs蛋白介导的生理过程，cAMP升高；红、橙和黄等暖色兴奋Gq或Gi蛋白或受体关联蛋白酶介导的生理过程，cAMP下降。
根据BITML，在不引起损伤的前提下，一种激光对第二信使浓度的改变超过相应的阈值，生物系统内部的平衡机制将使它所启动的信使系统转换成与现有信使系统相拮抗的信使系统。构成G蛋白的β、γ亚基对G蛋白和受体关联蛋白酶启动的信号转导都具有调节作用[8]，这是BITML的分子基础。
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BIML的直接证据来自Karu和郑红等的研究工作。Karu[2]研究了633 nm(暖光)和546 nm(冷光)两种低强度光对中国仓鼠成纤维细胞内cAMP水平的影响，发现暖光降低cAMP的水平，而冷光升高cAMP的水平。郑红等[11]研究低强度He-Ne激光(暖光)对小鼠腹腔巨噬细胞内cAMP浓度影响，发现暖光可以使巨噬细胞内cAMP浓度降低。上述实验结果与BIML的预言是一致的。
表1表明，BIML的预言与实验结果是一致的。除此之外，BIML的间接证据还来自单色光诱导生物超弱发光(IPE)研究。Chwirot[12]对细胞分裂的IPE的研究表明，随着时间的增加，红光的IPE平均强度逐渐增加，而绿光的IPE平均强度逐渐降低。这可以用BIML来解释。Mei[13]的研究表明，一个细胞分裂周期中生物超弱发光(PE)有一个峰值，它对应于S期末，即处于S期末的细胞越多，PE越强。cGMP水平的增加会增加处于S相的细胞数目[14]。根据BIML，红光可以增加cGMP的水平。因此，红光可以增加PE的强度。随着时间的增加，因红光的作用处于S相的细胞越来越多，因此IPE的平均强度也越来越强。绿光的作用正好相反。
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关于BIML，不同激光引起第二信使浓度的不同已经有大量实验数据[1-5,9-11,15-18]。至于信号转导的中间环节，我们已经从物理学的角度从理论上予以阐明[10]，但缺乏实验支持。目前，我们正设计实验验证生色团接受光子信号后对信号的跨膜转导机制。以后我们将设计实验验证光子与生色团作用的原初过程。当然有大量的实验工作要做。本文发表的目的之一就是抛砖引玉，希望感兴趣的同行参加到验证的行列中来。
关于剂量效应，药物学将刺激与抑制交替的规律称为Arndt-Schulz定律[2]。这个定律也适用于低强度激光对细胞的生物调节作用[2]。BITML实际上是将低强度激光的Arndt-Schulz定律用信号转导的语言表达出来。BITML的直接证据来自Karu[2]关于633 nm(暖光)和546 nm(冷光)两种低强度光对中国仓鼠成纤维细胞内cAMP水平影响的研究。他们发现，暖光对cAMP水平的影响是低剂量降低高剂量升高，而冷光对cAMP水平的影响则是低剂量升高高剂量降低。BITML的间接证据来自明暗视觉系统：明视觉刺激视杆细胞GT蛋白，使cGMP分解，关闭由cGMP激活的阳离子通道，阻止Na+和Ca2+的内流。胞内Ca2+浓度的进一步降低则又引起胞内鸟苷酸环化酶活化，重新合成cGMP，而恢复暗视觉。
, 百拇医药
本文讨论了低强度激光的细胞信息生物学，提出了低强度激光的生物信息模型，为阐明低强度激光疗法的机制提供了理论依据。 参考文献
[1] Basford, JR. Low intensity laser therapy: controversies and new research finding. Lasers Surg Med, 1989, 9: 1-5.
[2] Karu T.The Science of low-power laser therapy. Amsterdam: Grodon and Breach Science Publishers, 1998.
[3] Liu TCY, Gao YQ, Liu SH. Bio-information model of laser biostimulation. 激光生物学报，1997, 6：1040-1046.
, http://www.100md.com
[4] 刘承宜，高云清，刘颂豪。关于激光对细胞生物刺激作用的类激素模型。激光杂志, 1997, 18：51-53.
[5] Liu TCY. Biological information model of low intensity laser for laser biostimulation. Lasers Surg Med, 1999, S11：4.
[6] Yova D, Haritou M, Koutsouris D, Antagonistic effects of epinephrine and helium-neon (He-Ne)laser irradiation on red blood cells deformability. Clin Hemorheol, 1994, 14:369-378.
[7] Zheng H, Qin JZ, Xin H, et al. Low incident level dose of He-Ne laser activities phagocytic action of mouse macrophages in vitro and in vivo. Lasers Surg Med, 1992, S4: 11-12.
, 百拇医药
[8] 刘景生，主编。细胞信息与调控。北京：北京医科大学中国协和医科大学联合出版社，1998.
[9] 刘承宜，刘颂豪. 低强度激光的生物光子学研究。中国激光医学杂志, 1997, 6:125-131.
[10] Liu TCY, Guo H. Time approach of information biology. Bull Am Phys Soc, 1999, 44(1-Part Ⅰ)：678.
[11] 郑红，秦建中，辛士易，等。He-Ne激光对小鼠腹腔巨噬细胞膜Fc受体C3b受体和细胞内cAMP的影响. 中华理疗杂志, 1991，14: 17-18.
[12] Chwirot BW. Ultraweak luminescence studies of microsporogenesis in larch, In: Popp FA, Li KH, Gu Q, eds. Recent advances in biophoton research and its applications. Singapore：World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1992.259-285.
, 百拇医药
[13] Mei WP. Ultraweak photon emission (saccharomyces cerevisiae) as a function of the cell division cycle. In: Popp FA, Li KH, Gu Q, eds. Recent advances in biophoton research and its applications. Singapore：World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1992. 243-258.
[14] 高英茂，叶百宽。胚胎发育机制。见：刘斌，高英茂，主编。人体胚胎学。北京：人民卫生出版社， 1996. 558-594.
[15] 阎孝诚，主编。实用中医(激光)血疗学。北京：中国古籍出版社，1999.
[16] 章萍，刘润梅。低强度半导体绿色激光血管内照射的实验研究。中国医学物理学杂志, 1998, 15: 80.
[17] Goldman JA. Biostimulation. In：Goldman L. Laser non-surgical medicine. Lancaster: Technomic Publishing Co., Inc., 1991. 185-190.
[18] Yu W, McGowan M, Naim JO, et al. Mechanism of low level laser biostimulatory effects. Lasers Surg Med, 1996, S8: 8.
收稿日期：1999-3-09, 百拇医药
单位：刘承宜 华南师范大学传输光学实验室广州市，510631；罗刚跃 华南师范大学生物系；李学梅 华南师范大学生物技术研究所
关键词：
中国激光医学杂志990217 自从60年代末开展低强度激光疗法以来，人们对激光生物刺激作用开展了大量的实验研究，提出了大量的模型[1, 2]。遗憾的是至今没有一种说法得到普遍接受。近年来研究方法逐渐成熟，尤其是在细胞功能的研究方面形成了较为系统的研究。实际上绝大部分最可信的证据来自细胞水平的研究[1]。表1总结了迄今得到的关于低强度激光细胞效应的部分实验结果。
表1 低强度激光的细胞效应 激光种类
作用对象
, http://www.100md.com
观察指标
激光效应
BIML
预言[3-5]
He-Ne
HeLa细胞
S相细胞数
增加[2]
增加
He-Ne
血红细胞
变形性
, 百拇医药
降低[6]
降低
He-Ne
小鼠肥大细胞
颗粒释放
增加[1]
增加
红宝石
人类白细胞
吞噬作用
增加[1]
增加
, http://www.100md.com
He-Ne
单核巨噬细胞
免疫应答
增加[7]
增加
He-Ne
鼠皮
前列腺素合成
增加[1]
增加
红宝石
豚鼠乙酰胆碱
, 百拇医药
神经递质释放
增加[1]
增加
从表1可以看出，低强度激光的作用类似于相关激素的作用。为了进一步弄清两者相似的程度，我们先讨论作用机制比较明确的视觉过程。研究表明[8]，一个光子激活一个视紫红质分子，每个视紫红质分子激活500个转导蛋白GT。GT蛋白包含α、β和γ三个亚基。当GT蛋白被激活后，α亚基与β和γ两个亚基脱离，并激活磷酸二酯酶(PDE)水解cGMP，使细胞内的cGMP浓度降低，阻断Na+外流，形成视觉信号由视神经传导到大脑。很明显，光子通过视紫红质激活GT蛋白的机制，与肽类激素通过细胞膜受体激活G蛋白的机制是十分相似的。
肽类激素和它的细胞膜受体具有特异识别作用，就象锁和钥匙一样是一一对应的。尽管有大量的肽类激素和细胞膜上相应受体，肽类激素的化学信号转导到细胞内部的信号通道却是有限的。换句话说，肽类激素与受体的化学作用与信号转导的生物作用的对应是多对一，这种因果关系形成了生命规律与非生命规律的显著区别。这种多对一规律的分子基础在于G蛋白或受体关联蛋白酶的特殊结构[8]。与肽类激素的信号转导相似，虽然视觉细胞对不同频率的光子的敏感性有差异，视觉过程光子的信号转导也是多对一的。
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从目前发现的低强度激光的细胞效应来看，低强度激光作用主要与肽类激素相似。根据激素作用机制的最新研究结果[8]，通过与视觉过程的类比和大量的研究，笔者等人[3-5,9,10] 提出了低强度激光疗法的生物信息模型(BIML)和激光生物刺激作用的信息转换模型(BITML)。
根据BIML，低强度激光作用于细胞的生色团，受激发的生色团通过与G蛋白或受体关联蛋白酶发生作用，引起细胞内第二信使浓度的改变：绿、蓝和紫等冷色兴奋Gs蛋白介导的生理过程，cAMP升高；红、橙和黄等暖色兴奋Gq或Gi蛋白或受体关联蛋白酶介导的生理过程，cAMP下降。
根据BITML，在不引起损伤的前提下，一种激光对第二信使浓度的改变超过相应的阈值，生物系统内部的平衡机制将使它所启动的信使系统转换成与现有信使系统相拮抗的信使系统。构成G蛋白的β、γ亚基对G蛋白和受体关联蛋白酶启动的信号转导都具有调节作用[8]，这是BITML的分子基础。
, http://www.100md.com
BIML的直接证据来自Karu和郑红等的研究工作。Karu[2]研究了633 nm(暖光)和546 nm(冷光)两种低强度光对中国仓鼠成纤维细胞内cAMP水平的影响，发现暖光降低cAMP的水平，而冷光升高cAMP的水平。郑红等[11]研究低强度He-Ne激光(暖光)对小鼠腹腔巨噬细胞内cAMP浓度影响，发现暖光可以使巨噬细胞内cAMP浓度降低。上述实验结果与BIML的预言是一致的。
表1表明，BIML的预言与实验结果是一致的。除此之外，BIML的间接证据还来自单色光诱导生物超弱发光(IPE)研究。Chwirot[12]对细胞分裂的IPE的研究表明，随着时间的增加，红光的IPE平均强度逐渐增加，而绿光的IPE平均强度逐渐降低。这可以用BIML来解释。Mei[13]的研究表明，一个细胞分裂周期中生物超弱发光(PE)有一个峰值，它对应于S期末，即处于S期末的细胞越多，PE越强。cGMP水平的增加会增加处于S相的细胞数目[14]。根据BIML，红光可以增加cGMP的水平。因此，红光可以增加PE的强度。随着时间的增加，因红光的作用处于S相的细胞越来越多，因此IPE的平均强度也越来越强。绿光的作用正好相反。
, http://www.100md.com
关于BIML，不同激光引起第二信使浓度的不同已经有大量实验数据[1-5,9-11,15-18]。至于信号转导的中间环节，我们已经从物理学的角度从理论上予以阐明[10]，但缺乏实验支持。目前，我们正设计实验验证生色团接受光子信号后对信号的跨膜转导机制。以后我们将设计实验验证光子与生色团作用的原初过程。当然有大量的实验工作要做。本文发表的目的之一就是抛砖引玉，希望感兴趣的同行参加到验证的行列中来。
关于剂量效应，药物学将刺激与抑制交替的规律称为Arndt-Schulz定律[2]。这个定律也适用于低强度激光对细胞的生物调节作用[2]。BITML实际上是将低强度激光的Arndt-Schulz定律用信号转导的语言表达出来。BITML的直接证据来自Karu[2]关于633 nm(暖光)和546 nm(冷光)两种低强度光对中国仓鼠成纤维细胞内cAMP水平影响的研究。他们发现，暖光对cAMP水平的影响是低剂量降低高剂量升高，而冷光对cAMP水平的影响则是低剂量升高高剂量降低。BITML的间接证据来自明暗视觉系统：明视觉刺激视杆细胞GT蛋白，使cGMP分解，关闭由cGMP激活的阳离子通道，阻止Na+和Ca2+的内流。胞内Ca2+浓度的进一步降低则又引起胞内鸟苷酸环化酶活化，重新合成cGMP，而恢复暗视觉。
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本文讨论了低强度激光的细胞信息生物学，提出了低强度激光的生物信息模型，为阐明低强度激光疗法的机制提供了理论依据。 参考文献
[1] Basford, JR. Low intensity laser therapy: controversies and new research finding. Lasers Surg Med, 1989, 9: 1-5.
[2] Karu T.The Science of low-power laser therapy. Amsterdam: Grodon and Breach Science Publishers, 1998.
[3] Liu TCY, Gao YQ, Liu SH. Bio-information model of laser biostimulation. 激光生物学报，1997, 6：1040-1046.
, http://www.100md.com
[4] 刘承宜，高云清，刘颂豪。关于激光对细胞生物刺激作用的类激素模型。激光杂志, 1997, 18：51-53.
[5] Liu TCY. Biological information model of low intensity laser for laser biostimulation. Lasers Surg Med, 1999, S11：4.
[6] Yova D, Haritou M, Koutsouris D, Antagonistic effects of epinephrine and helium-neon (He-Ne)laser irradiation on red blood cells deformability. Clin Hemorheol, 1994, 14:369-378.
[7] Zheng H, Qin JZ, Xin H, et al. Low incident level dose of He-Ne laser activities phagocytic action of mouse macrophages in vitro and in vivo. Lasers Surg Med, 1992, S4: 11-12.
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[8] 刘景生，主编。细胞信息与调控。北京：北京医科大学中国协和医科大学联合出版社，1998.
[9] 刘承宜，刘颂豪. 低强度激光的生物光子学研究。中国激光医学杂志, 1997, 6:125-131.
[10] Liu TCY, Guo H. Time approach of information biology. Bull Am Phys Soc, 1999, 44(1-Part Ⅰ)：678.
[11] 郑红，秦建中，辛士易，等。He-Ne激光对小鼠腹腔巨噬细胞膜Fc受体C3b受体和细胞内cAMP的影响. 中华理疗杂志, 1991，14: 17-18.
[12] Chwirot BW. Ultraweak luminescence studies of microsporogenesis in larch, In: Popp FA, Li KH, Gu Q, eds. Recent advances in biophoton research and its applications. Singapore：World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1992.259-285.
, 百拇医药
[13] Mei WP. Ultraweak photon emission (saccharomyces cerevisiae) as a function of the cell division cycle. In: Popp FA, Li KH, Gu Q, eds. Recent advances in biophoton research and its applications. Singapore：World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1992. 243-258.
[14] 高英茂，叶百宽。胚胎发育机制。见：刘斌，高英茂，主编。人体胚胎学。北京：人民卫生出版社， 1996. 558-594.
[15] 阎孝诚，主编。实用中医(激光)血疗学。北京：中国古籍出版社，1999.
[16] 章萍，刘润梅。低强度半导体绿色激光血管内照射的实验研究。中国医学物理学杂志, 1998, 15: 80.
[17] Goldman JA. Biostimulation. In：Goldman L. Laser non-surgical medicine. Lancaster: Technomic Publishing Co., Inc., 1991. 185-190.
[18] Yu W, McGowan M, Naim JO, et al. Mechanism of low level laser biostimulatory effects. Lasers Surg Med, 1996, S8: 8.
收稿日期：1999-3-09, 百拇医药