研究简介：本研究探讨了采用平顶手具的808纳米激光疗法对草履虫线粒体活动的光生物调节作用。草履虫作为一种非感知模型生物，因其短细胞周期、遗传同质性以及与动物细胞相似的细胞器结构，成为研究光生物调节效应的理想对象。研究重点在于分析不同能量密度（1和3 J/cm²）和激光功率（100 mW和1 W）对草履虫线粒体呼吸链活动的影响，通过测量氧气消耗和ATP合成来评估其效应。实验中，草履虫在特定培养条件下生长，并在自交阶段被用于实验。


使用808纳米连续波激光和平顶手具对草履虫进行照射，照射参数包括多种能量密度和功率组合。结果显示3 J/cm²-100 mW和64 J/cm²-1 W的激光照射显著增加了草履虫的氧气消耗和ATP合成，表明线粒体呼吸链活动的增强。然而64 J/cm²-100 mW和64 J/cm²-2 W的照射则抑制了细胞呼吸，并导致ATP浓度降低。此外1 J/cm²-100 mW、1 W和3 J/cm²-1 W的照射对线粒体活动无显著影响。这些结果表明，高能量密度和高功率激光的组合比低能量密度和低功率激光更有效地促进草履虫线粒体的呼吸链活动。


研究还发现，平顶手具能够在短时间内提供均匀的能量密度，使得高功率激光成为一种有效且非侵入性的疗法。此外实验结果表明，即使在15°C的水中进行照射，以控制温度变化，也能观察到类似的生物效应，这表明激光的生物调节作用可能与温度变化无关，而是通过非热机制实现的。本研究揭示了高能量密度激光疗法在调节草履虫线粒体活动方面的潜力，并强调了平顶手具在提供均匀能量密度方面的重要性。这些发现为光生物调节在生物医学应用中的进一步研究提供了新的视角，并提示高能量密度激光可能在治疗效果和照射时间上具有优势。


Unisense微电极系统的应用


Unisense氧气微呼吸电极被用于测量草履虫（Paramecium primaurelia）的氧气消耗。测量在24°C的封闭微呼吸腔室中进行。高精度地测量草履虫在不同激光照射条件下的氧气消耗量。通过测量氧气消耗的变化，能够直观地观察到不同激光参数（能量密度和功率）对草履虫线粒体活动的影响。


实验结果


808纳米、64 J/cm2-1瓦的激光疗法比808纳米、3 J/cm2-100毫瓦更能有效提升草履虫线粒体呼吸链活性，且该效应不受约3℃温度变化的影响。平顶手具能够在短时间内以高功率(1瓦)和高能量密度(64 J/cm2)在目标表面上实现均匀的能量密度分布。能量密度本身并不影响草履虫的细胞呼吸，而是激光功率与照射时间之间存在精确关系。通过平顶手具照射，高功率激光的高能量密度可被视为一种有效且非侵入性的疗法。未来研究应比较相同参数下高斯光束手具的效果。本研究结果表明，高能量密度激光疗法不仅能够有效调节草履虫的线粒体活动，还可能在生物医学应用中具有潜在价值，例如在治疗慢性疼痛等方面。

图1、低和高能量密度照射对草履虫无菌生菜培养基温度的影响。横坐标显示808纳米二极管激光照射使用的能量密度(J/cm2)和激光功率(W)。虚线表示对照组的温度，黑色和灰色线条分别显示在室温(24℃)或15℃水接触条件下照射的培养基温度。通过星号标记表示与对照组存在显著差异的数值。

图2、低和高能量密度照射对草履虫氧消耗量的影响，分别以μmol O2(a)和相对于对照组的百分比(b)表示。照射参数[能量密度(J/cm2)—功率(W)]如下：1 J/cm2–100 mW、3 J/cm2–100 mW、64 J/cm2–100 mW、1 J/cm2–1 W、3 J/cm2–1 W、64 J/cm2–1 W、64 J/cm2–1.5 W和64 J/cm2–2 W。通过星号标记表示与对照组存在显著差异(P<0.05，Student-Newman-Keuls多重比较检验)的数值。

图3、低、高能量密度照射对草履虫内源性ATP合成的影响，分别以nmol ATP/mg蛋白(a)和相对于对照组的百分比(b)表示。照射参数[能量密度(J/cm2)-功率(W)]如下：3 J/cm2-100 mW、64 J/cm2-100 mW、3 J/cm2-1 W、64 J/cm2-1 W、64 J/cm2-1.5 W和64 J/cm2-2 W。通过星号标记表示与对照组存在显著差异的数值。

图4、高通量辐照对鹦鹉螺耗氧量和内源性ATP合成的影响。图中指出了辐照的调节作用，而没有解除线粒体呼吸链的耦合直径。


结论与展望


光生物调节被认为是一种非线性过程，通常认为只有低强度激光疗法(LLLT)能够刺激暴露的细胞，而高功率激光和高能量密度则可能产生负面影响，因过度的光子刺激耗尽细胞的能量储备。在本研究中研究人员使用新型平顶手具，研究并比较了808纳米二极管激光(连续波)的效果。为此研究人员测试了由100毫瓦或1瓦激光功率产生的1 J/cm2和3 J/cm2能量密度，以及由100毫瓦、1瓦、1.5瓦或2瓦激光功率产生的64 J/cm2能量密度对草履虫的氧消耗和ATP合成的影响。数据显示，3 J/cm2-100毫瓦或64 J/cm2-1瓦的照射导致草履虫氧消耗增加，同时伴随ATP合成的提升。Unisense微电极分析系统在本研究中发挥了不可或缺的作用，为评估激光疗法对草履虫线粒体活动的影响提供了精确的氧气消耗数据。而64 J/cm2-100毫瓦或64 J/cm2-2瓦的能量密度会抑制草履虫的呼吸作用，并导致内源性ATP浓度下降。1 J/cm2-100毫瓦或1瓦以及3 J/cm2-1瓦的照射对线粒体活性无显著影响。结果表明64J/cm2-1瓦的能量密度比3 J/cm2-100毫瓦更能有效提升草履虫线粒体呼吸链活性。本研究揭示了高能量密度激光疗法在调节草履虫线粒体活动方面的潜力，并强调了平顶手具在提供均匀能量密度方面的重要性。这些发现为光生物调节在生物医学应用中的进一步研究提供了新的视角，并提示高能量密度激光可能在治疗效果和照射时间上具有优势。