近红外激光调节可兴奋细胞膜钠离子通道功能的实验研究

发布时间：2018-06-23 22:24

本文选题：激光与生物组织相互作用 + 光热效应　；参考：《大连理工大学》2015年博士论文

【摘要】：激光医疗技术在临床上已有广泛的应用,但激光治疗作用的生理学基础尚不十分清楚。针对这一问题国内外研究者借助电生理等手段探讨了激光对可兴奋细胞的作用,结果发现激光不但可以调节可兴奋细胞的电生理功能,甚至可以直接诱发动作电位。而动作电位的发生是以钠离子从细胞外流向细胞内为起始的,因此这一现象表明激光作用不但可以调节可兴奋细胞膜上的钠通道蛋白功能,还可以直接开启电压门控钠离子通道,从而导致动作电位的发生。本论文基于近红外激光辐照对可兴奋细胞膜上钠离子通道功能的调节作用,来研究其作用机制。研究中选择980nm的近红外激光作用于细胞膜,用膜片钳技术同步地记录下全细胞钠离子通道电流在激光辐照作用前、后的变化情况。再根据描述离子通道全细胞电流动力学特性的Hodgkin-Huxley模型,对实验记录到的全细胞钠电流进行数据拟合,从而获得表征钠离子通道电流激活与失活动力学特性的时间常数τm与τh,并对激光辐照前、后的这两个时间常数进行比值运算,来定量表征激光对细胞活性的影响。为了测量实验中涉及到的激光诱导的光热效应,使用空电极测温方法直接测量激光辐照所产生的溶液瞬时温升。这一测温方法将直径为微米量级的玻璃微电极充灌导电溶液作为热敏元件,细胞外溶液中的快速温度变化可以瞬时改变该微电极的阻抗,再根据温度标定实验即可获得相应的溶液温度变化。这种方法可以测得空间中1微米左右区域内0.1毫秒的温度变化。本论文中主要研究工作包括,一定功率激光辐照作用中的不同时程对钠离子通道功能的调节作用,以及不同功率的980nm激光对细胞功能的调节两大部分内容。通过对实验结果的分析发现： 1.一定功率的激光作用时程中,上升沿可以使钠电流激活过程受到抑制,而使失活过程加快。激光的下降沿则使钠电流激活和失活两个过程都得到加速。通过对激光辐照上升沿对钠电流激活抑制效应的分析发现,980nmm激光辐照所产生温度场的建立时间将长于1毫秒左右的钠通道激活时间。也就是说,在钠通道的激活时间内尚没有明显的光热效应产生,此时近红外激光作为一种电磁波会降低钠通道的活性。而激光作用的下降沿情况中,光热效应成为激光调节细胞电生理功能的主要机制,激光的调节作用可以很好的用钠通道蛋白温度特性以及激光作用引起的溶液平均温升来定量解释。 2.不同功率的980nm激光对细胞功能的调节效果研究,分为时间动力学研究和峰值钠电流研究两个方面。时间动力学研究中选取不同功率激光刺激细胞膜上钠离子通道,在光热效应最显著的激光辐照的下降沿同步地引出全细胞钠电流。结果发现钠电流的激活时间常数τm在激光作用前后的比值与辐照激光的功率呈线性关系,且与细胞膜电位的变化无关。这一结果表明不同功率980nm激光辐照对钠电流的线性调制效果是通过光热效应实现的。激光辐照对峰值钠电流调制的功率依赖性研究中,通过测量不同功率激光作用下峰值钠电流的变化,并与相应的细胞外环境温度变化相互参考,经分析发现近红外激光作用可以使峰值钠电流增加,增加量不但线性依赖于激光功率,而且也可以用细胞外溶液温升和钠通道蛋白的温度特性来解释。但在激光作用以后的钠电流恢复程度则与溶液温度耗散的时间变化率相关,快速负的温度变化率有利于钠电流从激光作用中恢复。钠电流的失活恢复实验则表明在激光作用后钠电流的失活恢复速度加快。综合结果表明980nm红外激光是通过改变细胞外溶液的温度(绝对温升),以及温度改变的快慢(温度变化率)一起影响细胞功能的,温升本身会使峰值钠电流增加,而温度耗散过程中的温度梯度会加快钠电流的恢复。本论文的研究针对近红外980nm激光对细胞功能调节作用的离子通道机制,为理解激光直接诱发动作电位提供了直接的实验支持。因为钠离子通道是动作电位的产生基础,为神经细胞、肌肉细胞和腺体细胞等实现正常的电生理功能所必需,从另一方面来看,钠离子通道的兴奋性保证了生物体正常的新陈代谢,并且是70%药物的作用靶点,与众多疾病的产生和治疗息息相关,因此这一研究对于激光医学的临床实践又有一定的参考价值。
[Abstract]:Laser medical technology has been widely used in clinic , but the physiological basis of laser therapy is not very clear .

In this paper , the effect of laser irradiation on the function of Na ~ + channel on the membrane was studied . The effect of laser irradiation on cell membrane was studied by means of membrane patch clamp technique .

The main research work in this paper includes the regulation of the function of sodium ion channel and the regulation of the function of cell by 980nm laser of different power .

1 . During the laser action of a certain power , the rising edge can inhibit the activation of sodium current and accelerate the deactivation process . In the analysis of the effect of laser irradiation rising edge on the activation of sodium current , it is found that the temperature field generated by 980nmm laser irradiation will be longer than about 1 millisecond . In other words , the near - infrared laser is the main mechanism of laser regulating the electrophysiologic function of the cell . In the case of the decreasing of laser action , the laser modulation can be explained quantitatively by the temperature characteristic of sodium channel protein and the average temperature rise of the solution caused by laser action .

In this paper , the effect of laser irradiation on sodium current is studied . The results show that the effect of laser irradiation on sodium current is not only linearly dependent on laser power , but also with the change rate of extracellular temperature .

The research of this thesis is directed to the ion channel mechanism for the regulation of cellular function by the near infrared 980nm laser , which provides direct experimental support for understanding the action potential of laser direct induced action . Since the sodium ion channel is the basis of action potential , it is necessary to realize the normal electrophysiological function for nerve cells , muscle cells and gland cells . On the other hand , the excitation of sodium ion channel ensures the normal metabolism of the organism , and is a target of 70 % drug . Therefore , this research is of reference value to the clinical practice of laser medicine .
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R454.2

【参考文献】