【2021】【论文笔记】红外及THz下的细胞膜生物效应——效应是现象，作用是机理——THz对医学的好处

前言

类型
$太赫兹+生物效应$
期刊
$物理学报$
作者
$薄文斐,车嵘,孔磊,张明洁,张晓波$
时间
$2021$

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研究目的

太赫兹电磁波辐照, 包括其短波段红外波辐照, 因具有无创和非电离特性在生物科学中展现出广泛和重要的应用前景

细胞膜对电磁场的响应是大部分THz生物效应产生的机理

生物效应：
某种外界因素（例如生物物质、 化学药品 、物理因素等）对生物体产生的影响

效应：
对生物体所造成影响的外在表现或观察到的现象
作用：
对生物体产生影响所发生的部位或原发的机理

太赫兹频段：$0.1\sim 10THz或0.3\sim 10THz或0.5\sim 100THz(广义)$

基于量子理论的振动模型，蛋白质等生物分子中一些原子基团化学键的伸缩振动频率在$10^{12}\sim 10^{14}Hz$

THz在生物神经系统物理机理的研究，叫THz生物学

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THz电磁辐照的安全性

（体现在太赫兹电磁辐照的非电离特性）
因为太赫兹光子能量远低于各种化学键的键能, 所以不会对生物体、组织

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THz电磁辐照的好处

1. 当活兔的有破裂眼角膜在$2.5—68.8nW/c{m}^2$功率、$0.1—1.8THz$ 频率的电磁场下辐照 $5min$时, 兔眼的正常生物功能没有受到影响, 并且角膜组织的上皮细胞再生上皮化过程得到改善

2. 视网膜神经节细胞在$\mu W/c{m}^2$量级辐照功率、$0.1\sim 2.0THz$ 频率的电磁场下辐照$5\sim 40min$ ， 发现细胞的凋亡率在辐照后$0\sim 12h$ 相比未辐照时显著下降, 说明太赫兹电磁辐照没有对视网膜神经节细胞产生有害损伤, 反而会抑制神经节细胞在不利的环境下发生凋亡

3. Ostrovskiy采用$0.15THz$的电磁场对病人受灼伤的部位进行辐照,发现太赫兹电磁辐照可促使病人的局部灼伤皮肤组织康复

4. Chen采用$0.3\sim 100THz$的电磁场对手术后大鼠的坐骨神经组织进行辐照,发现太赫兹电磁辐照加速了大鼠的受损伤坐骨神经组织康复

5. Wei采样了患有精子活力不足病人的精子细胞, 采用 0.1—3 THz 的电磁场辐照, 发现太赫兹电磁辐照$5min$以上能够显著提升精子活力

6. Kirichuk采用$0.24THz、1mW/c{m}^2$的THz电磁场对 接收硝酸异山梨酯药物治疗的、患有不稳定心绞痛病人的全血 辐照，发现辐照后血液的黏稠度下降，说明THz辐照有利于不稳定心绞痛疾病的治疗

7. Kirichuk还采用束缚应激的方法使雌性和雄性大鼠产生血小板凝聚功能的异常, 采用 0.15 THz的电磁场对大鼠辐照, 发现辐照后大鼠的血小板凝聚功能得到完全康复，雌性大鼠血小板功能的康复更加显著

8. Liu采用$52\sim 85THz$ 波段的电磁波 ($3.5\sim 5.8\mu m$中红外波) 在距离$70\sim 300\mu m$处对小鼠前额皮层切片的神经细胞以及幼体斑马鱼头部进行电磁辐照, 发现太赫兹电磁波能够对神经放电过程产生增益调制的效应、调节动作电位的波形、以及调节幼体斑马鱼的神经活动产生感觉运动反射行为。神经调节中没有生物损伤, 调节的作用可逆且不受温度增加的影响
   说明该频段的太赫兹电磁辐照可以对神经信号进行非热效应的、非接触式的、可逆的无损伤调节

9. Zhang通过开颅方式, 经过完整薄颅骨以非创伤的方式, 采用 53.53 THz 的电磁波 ($5.6\mu m$中红外波) 对小鼠的脑内神经细胞进行辐照, 说明了 53.53 THz 的电磁辐照能够引起脑内的特定部位皮层区神经细胞产生放电活动, 在脑听觉皮层接受太赫兹辐照后, 小鼠的听觉相关学习行为学习速度加快了 50%, 证明了太赫兹电磁辐照对神经活动及功能的调节作用

10. Liu发现太赫兹电磁波能够在神经细胞轴突的细胞膜上髓鞘结构中传输, 并且在相邻两个髓鞘结构之间的郎飞氏节上得到电磁能量的补充和放大, 使得太赫兹电磁波能够通过有髓神经纤维进行神经传输, 这在无创脑机接口中具有重要的科学和应用价值

太赫兹辐照生物细胞时电磁场首先作用到细胞膜上, 细胞膜是保护细胞的生物屏障, 它将细胞内、外环境隔绝起来,细胞膜的物质跨膜输运功能维持着细胞的基本新陈代谢、内稳态环境以及各种生物活动功能

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$*$ THz造成的损伤

当然，当THz电磁强度或者辐照剂量，足够大时，也会有一定损伤

（1）在成人皮肤成纤维细胞和人体 Jurkat 细胞系的实验研究中, 发现当太赫兹辐照的功率增大到$227mW/c{m}^2$的高强度时,

1. 皮肤细胞的少数特定基因表达出现上调
2. Jurkat 悬浮细胞在辐照 12 s 后出现细胞死亡迹象, 细胞死亡率在辐照 40 min 时接近 80%
   可能与高强度太赫兹辐照引起的高温脱水干燥、或者炎症细胞因子坏死及凋亡过程等有关

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（2）在大鼠胶质细胞系的实验研究中, 在平均功率为 $3.2mW/c{m}^2$、频率为 0.12—0.18 THz 的连续波电磁辐照下, 辐照 $1min$ 时细胞凋亡数目增加 1.5 倍, 辐照$3min$时细胞凋亡数目再次翻倍

• THz引起生物组织损伤的最小辐照功率需高达$7.16W/c{m}^2$

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THz下的磷脂膜的介电响应（THz时域光谱特性）

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神经细胞表面固有振动模式的频率位于太赫兹到远红外频段范围

生物大分子的振动和转动频率以及分子间氢键、范德瓦耳斯力等弱相互作用的振动频率也都处于太赫兹频段范围

细胞膜在太赫兹辐照时的介电响应特性（细胞膜的太赫兹时域光谱特性）：
当不同频率的太赫兹电磁波通过细胞膜时, 膜上的分子会产生不同的时间延迟以及振动吸收

因为细胞膜的主要组成成分是磷脂分子, 基本架构为磷脂双分子层膜结构
——通常采用 DOPC, DPPC, DMPC,DMPG 等磷脂分子对太赫兹辐照下细胞膜的介电响应特性进行研究.

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THz下的细胞膜离子通道蛋白的离子跨膜输运

对于葡萄糖、氨基酸、水、氧气、二氧化碳等小分子从高浓度一侧输运到低浓度一侧, 这些输运蛋白基本上始终处于开启状态, 属于非门控通道

对于生命活动必需的无机盐离子, 其跨膜输运通常需借助于细胞膜上的离子通道蛋白, 并且离子通道蛋白通常处于关闭状态, 即对离子的输运电流几乎为零 ($\ll fA$), 只有在一些特定情况才开启, 产生对离子跨膜输运的电流$fA-pA$，属于门控通道，当与特定分子基团结合时，开启的 通道称配体门控通道，当膜电位变化时开启的通道叫电压门控通道

• 太赫兹电磁辐照引起细胞区域中生物电场的分布变化, 从而影响细胞膜上电压门控离子通道的开启和关闭状态

• 引起离子的跨膜输运, 离子的跨膜输运会引起细胞的离子浓度改变, 从而可能开启细胞膜主动运输通道等其他种类的离子通道

• 对于一些亲水性的、细胞膜不通透的大分子,当太赫兹电磁辐照能够在细胞膜上形成亲水性的输运通孔时, 也能够引起这些大分子以及各种离子的跨膜输运

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结论

太赫兹电磁辐照，能够
开启细胞膜上$\stackrel{◯}{1}$压控钙离子通道、$\stackrel{◯}{2}$压控钾离子通道、$\stackrel{◯}{3}$主动运输的钙离子通道 $*$ 对生命离子进行跨膜输运
$\stackrel{◯}{4}$能在细胞膜的磷脂膜部分产生亲水孔，从而对大分子和离子进行跨膜输运

（引起的离子和大分子的跨膜输运能够实现对神经活动等生物活动功能的调节作用,为太赫兹电磁波辐照在生命医药、以及在神经调节和人工智能等重要领域的应用奠定了重要的基础）

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现阶段的实验研究能够说明

• 2.3 THz 的电磁波辐照能产生可逆的神经细胞的细胞膜穿
• 0.1—3 THz 的电磁波辐照能够开启细胞膜压控钙离子通道, 引起精子细胞活力的增强
• 53.53 THz 的电磁波能够与压控钾离子通道内的羰基发生共振, 从而开启神经细胞的细胞膜压控钾离子通道
  （但是由于压控钙离子通道中负责门控作用的原子基团在$0.1\sim 3THz$频率范围内 没有显著的共振频率峰, 因此在这一频率范围内压控钙离子通道的开启不太可能由太赫兹波发生的频率共振引起，有什么非共振原因？）

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关于细胞膜的实验

现在THz辐照下的细胞膜介电响应特性实验，都是采用类细胞膜磷脂的磷脂分子，在水溶液中形成仿生物膜的磷脂膜

未来，需要对生物细胞的细胞膜进行提取、提纯，并让细胞膜在标准生理盐溶液中，对介电响应特性进行实验
（也要对仿生物膜进行对照实验）

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问题

引起损伤的最短时间是多久？不同功率下辐照引起损伤的最短时间是多久？

引起细胞膜穿孔的THz功率、时间阈值是多少？

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