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1 ISBN 低 强 度 激 光 鼻 腔 内 照 射 疗 法 Intranasal Low Intensity Laser Therapy 主 编 刘 承 宜 朱 平 副 主 编 石 秉 霞 章 萍 肖 学 长 邵 云 生 俞 沁 Editors in Chief: Cheng-Yi Liu, Ping Zhu Editors in Associate Chief: Bing-Xia Shi, Ping Zhang, Xue-Chang Xiao, Yun-Sheng Shao, Qin Yu 人 民 军 医 出 版 社 ( People s Military Medical Press( 北 京,Beijing

2 Citation: Liu CY, Zhu P (ED) Intranasal Low Intensity Laser Therapy. Beijing: People s Military Medical Press. (file name: m, ppl-n means: Chapter m is between page 1 and page n)

3 致 谢 我 们 的 研 究 得 到 国 家 自 然 科 学 基 金 ( , 和 ) 国 家 973 基 础 研 究 计 划 (2005CB523502) 国 家 博 士 后 科 学 基 金 ( 和 ) 美 国 激 光 医 学 会 和 2002 暑 期 学 生 研 究 基 金 霍 英 东 高 等 院 校 青 年 教 师 基 金 香 港 裘 槎 基 金 广 东 省 自 然 科 学 基 金 团 队 项 目 ( ) 重 点 项 目 ( ) 和 一 般 项 目 ( 和 ) 广 东 省 千 百 十 人 才 百 级 基 金 (Q02087) 华 中 科 技 大 学 激 光 技 术 国 家 重 点 实 验 室 访 问 基 金 和 华 南 师 范 大 学 激 光 生 命 科 学 教 育 部 重 点 实 验 室 开 放 课 题 基 金 的 资 助 ACKNOWLEDGMENTS Our study has been supported by National Science Foundation of China ( , , , and ); National 973 basic project (2005CB523502); National Postdoctoral Science Foundation of China ( and ); The 2000, 2001 and 2002 summer student research grants of the American Society of Lasers in Surgery and Medicine; Fok Ying Dong Education Foundation, Croucher Foundation of Hong Kong; Group project ( ), Key Project ( ), and General Project ( and ) of Guangdong Science Foundation of China; Guangdong Qianbaishi Bai-Level Fellow Foundation (Q02087). Visiting Foundation of State Key Laboratory of Laser Technology, Huazhong University of Science and Technology; and Opening Project of MOE Key laboratory of Laser Life Science, South China Normal University.

4 序 言 Preface 光 生 物 调 节 作 用 直 接 产 生 于 单 色 光 或 激 光 (laser irradiation or monochromatic light, LI) 对 生 物 系 统 的 化 学 效 应 而 不 是 热 效 应 ( 温 度 升 高 不 超 过 C), 这 种 没 有 不 可 逆 损 伤 的 刺 激 或 抑 制 作 用 获 得 了 广 泛 的 临 床 应 用 LI 作 用 于 人 体 的 途 径 是 多 种 多 样 的, 体 表 有 伤 口 或 溃 疡 的 直 接 照 射 内 脏 器 官 的 体 表 照 射 穴 位 照 射 鼻 腔 内 照 射 等, 体 内 有 利 用 光 纤 实 现 的 血 管 内 照 射 支 气 管 内 照 射 和 肠 内 照 射 等 我 国 1970 年 代 和 1990 年 代 先 后 流 行 用 于 内 科 疾 病 康 复 治 疗 的 激 光 针 刺 疗 法 和 低 能 量 激 光 血 管 内 照 射 疗 法 (intravascular low energy laser therapy, ILELT) 然 而, ILELT 必 须 将 光 纤 光 针 插 入 人 体 血 管 内, 不 仅 给 病 人 带 来 痛 苦, 如 果 操 作 不 当, 还 可 能 引 起 医 源 性 感 染 1998 年 开 始 探 索 低 强 度 LI(low intensity LI, LIL) 血 管 外 照 射 疗 法, 其 中 的 鼻 腔 内 LIL 照 射 疗 法 (intranasal LIL therapy, ILILT) 逐 渐 发 展 成 为 比 较 成 熟 的 临 床 疗 法 尽 管 俄 罗 斯 早 在 1998 年 以 前 已 经 开 始 研 究 鼻 腔 内 LIL 照 射, 但 主 要 处 理 的 是 鼻 腔 内 局 部 炎 症 ILILT 综 合 了 激 光 针 灸 和 ILELT 的 优 势, 可 以 说 是 唯 一 我 国 首 创 的 一 种 用 于 内 科 疾 病 康 复 治 疗 的 LIL 疗 法 我 本 人 也 一 直 使 用 ILILT 进 行 保 健, 效 果 可 佳 Photobiomodulation (PBM) is a photochemical effect of laser irradiation or monochromatic light (LI) on biosystems with the temperature elevation less than 0.1 ~ 0.5, which stimulates or inhibits biological functions but does not result in irreducible damage and widely applied in clinic. There are many forms of LI-biosystem interaction such as cutaneous irradiation of wound, ulcer, viscera and acupoints, intranasal irradiation, intravascular irradiation, intrabronchial irradiation and intraintestine irradiation. In our country, 1970s and 1990s have seen the population of laser acupuncture and intravascular low energy laser therapy (ILELT) for rehabilitation therapy in internal medicine, respectively. However, the optical fiber should be introduced into vascular by invasive needle for ILELT, which makes patients feel pain and might be infective if the operation is not very careful saw the many kinds of study of cutaneous irradiation of low intensity LI (LIL) on blood vessel among which intranasal LIL therapy (ILILT) has been widely applied in clinic. ILILT as an integration of ILELT and laser acupuncture for rehabilitation therapy of internal medicine is originally put forward in our country although it has been used for intranasal inflammation in Russian before I myself have used ILILT for health promotion and enjoyed its excellent rehabilitation effects. 早 在 1980 年 我 就 倡 导 并 开 展 了 激 光 生 命 科 学 研 究, 先 后 在 1989 年 和 2005 年 建 成 广 东 省 和 教 育 部 的 重 点 实 验 室 1989 年 开 始 研 究 低 水 平 LI(low level LI, LLL) 的 在 体 效 应 1993 年 开 始 从 细 胞 水 平 研 究 LLL 治 疗 (LLL therapy, LLLT) 的 机 理 研 究 1999 年 我 们 邀 请 LLLT 基 础 研 究 的 国 际 权 威 俄 罗 斯 科 学 院 的 Karu 院 士 组 织 了 LLLT 的 国 际 会 议 2000 年 我 们 的 研 究 成 果 获 得 美 国 激 光 医 学 会 第

5 20 届 年 会 的 最 佳 生 物 刺 激 作 用 论 文 奖 2002 年 分 别 成 立 了 激 光 运 动 医 学 实 验 室 和 光 子 中 医 学 实 验 室 我 们 对 光 生 物 调 节 作 用 及 其 中 医 基 础 与 临 床 应 用 的 深 入 研 究 包 括 了 LLL 细 胞 效 应 以 及 ILELT 激 光 针 灸 和 ILILT 等 的 作 用 机 理 I have begun to study laser life science from as early as 1980, and established its key laboratory of Guangdong province in 1989 and then Ministry of Education in Our study on low level LI therapy (LLLT) was at in vivo level in 1989 and at cellular level in We have invited Prof. Tiina Karu, Academician of Russian Academy in Laser Science, who has been internationally famous in the science of LLLT to hold an international conference of LLLT in 1999 in Shunde, Guangdong. In 2000, one of our papers was chosen for its excellence in the speciality in biostimulation in the 20th annual meeting of American Society for Laser Medicine and Surgery has seen our establishment of laboratories of laser sports medicine and photonic traditional Chinese medicine (TCM). From then on, our depth study in PBM and its foundation and applications in TCM has included the cellular effects of low level LI and the mechanism of ILELT, laser acupuncture and ILILT. 虽 然 我 国 光 生 物 调 节 作 用 的 基 础 研 究 已 经 进 入 国 际 前 沿, 但 临 床 研 究 很 不 规 范 尽 管 光 生 物 调 节 作 用 的 临 床 应 用 已 经 获 得 普 遍, 但 很 多 临 床 医 生 或 普 通 使 用 者 对 其 作 用 机 理 了 解 甚 少, 存 在 不 少 临 床 上 亟 待 解 决 的 问 题, 有 的 医 生 或 普 通 使 用 者 甚 至 一 直 使 用 厂 家 建 议 的 固 定 参 数 进 行 临 床 治 疗, 不 但 影 响 了 疗 效, 也 丧 失 了 患 者 的 信 心 面 临 这 种 情 况, 这 是 一 本 非 常 及 时 的 参 考 书 本 书 作 者 都 是 一 直 从 事 光 生 物 调 节 作 用 的 基 础 与 临 床 应 用 研 究 的 专 家 本 书 从 离 体 细 胞 实 验 和 临 床 研 究 两 个 方 面 综 述 了 LLLT 作 用 机 理 和 ILILT 临 床 应 用 方 面 的 大 量 研 究, 是 相 关 领 域 的 研 究 教 学 和 临 床 应 用 方 面 的 重 要 的 参 考 书 我 相 信, 随 着 光 生 物 调 节 作 用 基 础 研 究 与 临 床 应 用 的 普 及 和 提 高, 无 论 是 我 国 相 应 的 学 术 地 位, 还 是 适 应 症 的 治 疗 效 果, 都 将 获 得 进 一 步 提 高 Chinese therapeutic applications of LLLT, especially in ILELT and ILILT, were the most widely in the world, and its basic research was internationally progressive, but its randomized placebo-controlled trial need to be enforced. Although PBM has been widely applied in clinic, many physicians or persons interested in LLLT knew little on PBM mechanism, and many related clinic problems left unresolved. LLLT has been even used only according to the fixed parameters suggested by the instrument manufactory, which might not work and then increase the loss of patient belief. At this point, this book is very in time. The authors are very professional in the basic research of PBM and its clinic applications. It is very of use in studying, teaching and clinic in the mechanism research of LLLT and the clinic applications of ILILT because it has deeply reviewed the related topics. I believe our academic role will become bigger and the therapeutic effects will become more enhanced as our basic research of PBM and its clinic applications become wider and deeper in our country.

6 刘 颂 豪 教 授 中 国 科 学 院 院 士 美 国 光 学 会 会 士 二 〇 〇 八 年 四 月 二 十 六 日 Prof. Song-Hao Liu Academician of Chinese Academy Fellow of Optical Society of American April 26, 2008

7 第 8 章 光 生 物 调 节 作 用 过 程 8 Photobiomodulation Process 光 生 物 调 节 作 用 (PBM) 是 激 光 或 单 色 光 (LI) 对 生 物 系 统 的 一 种 调 节 作 用 光 疗 与 中 医 一 样 古 老 但 是, 直 到 激 光 发 现 之 后, 人 们 才 开 始 研 究 低 水 平 LI(LLL) 的 生 物 医 学 效 应 虽 然 人 们 一 直 在 探 讨 LLL 效 应 的 机 理, 但 直 到 1970 年 人 们 才 提 出 生 物 刺 激 作 用 的 概 念 随 着 研 究 的 深 入, 人 们 还 发 现 了 LLL 的 生 物 抑 制 作 用,1996 年 提 出 用 PBM 来 描 述 LLL 效 应 的 机 理 现 在 PBM 比 生 物 刺 激 更 常 用 Photobiomodulation (PBM) is a modulation of laser irradiation or monochromatic light (LI) on biosystems. As chapter 1 has pointed out, phototherapy was as old as traditional Chinese medicine (TCM) was. However, low level LI (LLL) effects was studied just after laser was discovered and biostimulation as their mechanism was put forward in As its research became deeper, bio-inhibition was also found, and PBM was put forward to describe the mechanism of LLL effects in PBM is now more popularly used than biostimulation is. 上 世 纪 六 十 年 代 早 期 出 现 的 激 光 引 起 了 光 疗 的 革 命 PBM 的 研 究 正 在 发 展, 但 在 剂 量 关 系 等 方 面 依 然 经 受 阵 痛 的 煎 熬 PBM 的 剂 量 关 系 是 PBM 研 究 的 一 个 十 分 重 要 但 常 常 被 忽 视 的 问 题 一 篇 结 果 很 好 的 论 文 往 往 因 为 剂 量 没 有 陈 述 清 楚 而 大 大 降 低 参 考 价 值 国 际 上 PBM 的 研 究 中, 有 些 研 究 小 组 常 常 忽 视 剂 量 关 系 的 研 究, 发 表 了 大 量 否 定 PBM 的 结 果, 造 成 PBM 研 究 的 极 大 混 乱 国 内 PBM 用 于 血 管 内 鼻 腔 内 和 穴 位 照 射 的 临 床 应 用 中 也 忽 视 剂 量 关 系 的 研 究, 造 成 疗 效 严 重 下 降, 激 光 针 灸 已 经 基 本 上 从 临 床 上 消 失, 血 管 内 低 能 量 激 光 照 射 疗 法 (ILELT) 在 医 院 的 临 床 应 用 甚 至 受 到 卫 生 部 的 严 格 限 制 Since its introduction in the early 1960s, laser has transformed phototherapy. Now in its developing years, the PBM field is still experiencing growing pains especially in dose relationship. The dose relationship of PBM is very important topic which has been often underestimated. A paper of excellent results could not been referred because there has been no clear dose relationship. Some international groups always reported negative results of PBM since their inattentive research on dose relationship, which have left other researchers or physicians confused. Many Chinese groups have done the same things so that there almost was no laser acupuncture in clinic, and intravascular low energy laser therapy (ILELT) was forbidden by Chinese health ministry. 在 面 临 PBM 研 究 的 局 限 性 的 同 时, 非 视 觉 光 信 号 转 导 (extraocular phototransduction, EPT) 等 课 题 的 研 究 也 标 志 PBM 研 究 走 向 成 熟 早 在 1996 年, 笔 者 就 从 EPT 的 角 度 提 出 了 激 光 生 物 刺 激 作 用 的 准 激 素 模 型 (Liu et al. 1996, 刘 承 宜 等 1997), 后 来 发 展 为 PBM 的 生 物 信 息 模 型 (biological information model of PBM, BIMP)(Liu et al. 2003) Campbell 等 人 (1998) 在 解 释 掴 窝 LIL 照 射 引 起 生 物 节 律 改 变 的 现 象 时 提 出 了 节 律 EPT 的 可 能 性 2001 年, 笔 者 实 验 室 在 研 究 低 强 度 He-Ne 激 光 (LHNL) 诱 导 中 性 粒 细 胞 (PMN) 呼 吸 爆 发 时, 发 现 了 第 一 个 EPT 现 象 2001 年 之 后 发 现 了 许 多 低 强 度 LI(LIL) 诱 导 的 EPT 现 象, 它 们 都 满 足 BIMP At the same time, there are signs that the field is maturing especially in extraocular phototransduction (EPT), as researchers confront the limitations of PBM research. As early as 1996, we have put forward quasi-hormone model of laser biostimulation from the viewpoint of EPT (Liu et al. 1996), which was developed as the biological information model of PBM (BIMP) (Liu et al. 2003). The possibility of circadian EPT was put forward by Campbell et al. (1998) in explaining their investigation that LIL exposure to the area behind the knee caused phase shifts of the human circadian rhythms. The first EPT phenomenon was observed in low intensity nm

8 He-Ne laser irradiation (LHNL) induced respiratory burst of polymorphonuclear neutrophils (PMNs) in our laboratory in 2001 (Duan et al. 2001). Since then, many low intensity LI (LIL) induced EPT phenomena have been observed. Moreover, BIMP has held for the EPT phenomena. 本 章 将 从 动 力 学 的 角 度 研 究 PBM 的 剂 量 关 系, 从 光 信 号 转 导 的 角 度 研 究 EPT 介 导 的 LIL 的 PBM(LPBM) 和 活 性 氧 (ROS) 介 导 的 中 等 强 度 LI(MIL) 的 PBM(MPBM) 1 In this chapter, we study the dose relationship of PBM from dynamic viewpoint, and discuss EPT mediated LIL PBM (LPBM) and reactive oxygen species (ROS) mediated PBM of moderate intensity LI (MIL) from phototransduction. 第 一 节 光 生 物 调 节 作 用 的 动 力 学 8.1 Dynamic Photobiomodulation 光 化 学 ( 和 光 物 理 学 ) 的 第 一 定 律 指 出, 光 化 学 或 光 物 理 学 发 生 的 前 提 是 光 必 须 被 吸 收 这 是 一 个 简 单 的 概 念, 但 是 正 确 从 事 光 生 物 学 实 验 的 基 础 光 化 学 或 光 物 理 学 是 光 生 物 学 和 光 医 学 效 应 的 第 一 步 除 非 特 定 波 长 的 光 被 吸 收, 不 管 照 射 多 长 时 间, 都 不 会 有 光 化 学 或 光 物 理 血 发 生, 也 就 不 能 观 察 到 光 生 物 学 效 应 The first law of photochemistry (and photophysics) states that light must be absorbed for photochemistry (or photophysics) to occur. This is a simple concept, but it is the basis for performing photobiological experiments correctly. Since photobiological and phototherapeutic effects are initiated by photochemistry (or photophysics), unless light of a particular wavelength is absorbed by a system, no photochemistry (or photophysics) will occur, and no photobiological effects will be observed, no matter how long one irradiates with that light. PBM 包 括 从 LI 被 吸 收 到 产 生 生 物 医 学 效 应 之 间 的 大 量 过 程, 其 中 决 定 整 个 过 程 快 慢 的 关 键 性 过 程 称 为 关 键 过 程 2 PBM 的 动 力 学 试 图 揭 示 PBM 的 关 键 过 程, 并 进 一 步 讨 论 PBM 的 剂 量 关 系 尽 管 PBM 的 现 象 和 机 理 已 经 开 展 大 量 的 研 究, 但 PBM 的 动 力 学 却 开 展 得 很 少 不 但 影 响 了 PBM 机 理 研 究 得 深 入, 而 且 阻 碍 了 临 床 应 用 中 非 常 急 需 的 剂 量 关 系 研 究 There are many processes of PBM from LI absorption to the observed biomedical effect among which one process is called the key process 3 which is very critical for PBM, and its speed determines PBM speed. The dynamics of PBM tries to find the key process, and discuss further the dose relationship of PBM. There is little research on the dynamics of PBM although its phenomena and mechanism have been widely studied, which is in the way of the deep research of PBM mechanism, especially the urgent research on the dose relationship in clinic applications. 生 物 系 统 错 综 复 杂, 但 最 基 本 的 单 位 是 细 胞 细 胞 PBM 的 原 初 过 程 是 LI 与 细 胞 分 子 的 相 互 作 用 根 据 细 胞 PBM 的 综 述, 这 里 通 过 比 较 原 初 过 程 的 跃 迁 速 率 与 剂 量 关 系 的 比 较 研 究 来 揭 示 细 胞 PBM 的 关 键 过 程 The biosystem is very complicated, but it can be studied at cellular level. The primary process of cellular PBM of LI is the interaction of LI with cellular molecules. The key process of cellular PBM was studied by means of comparison of the transition rate of its primary process with its dose relationship after reviewing cellular PBM in this section. 1 过 程 甲 介 导 过 程 乙 是 指 过 程 乙 是 由 许 多 子 过 程 组 成 的 复 杂 过 程, 过 程 甲 是 其 中 的 一 个 子 过 程 2 一 个 复 杂 的 过 程 是 由 大 量 子 过 程 构 成 的, 每 个 过 程 都 有 一 个 速 率, 关 键 过 程 是 其 中 速 率 最 小 的 子 过 程 换 句 话 说, 关 键 过 程 就 是 复 杂 过 程 的 瓶 颈 3 A complicated process consists of many subprocesses each of which has its speed. The key subprocess is one of the subprocesses and its speed is the smallest among the subprocesses.

9 1 原 初 过 程 Primary Process 大 量 LLL 治 疗 (LLLT) 工 作 为 我 们 提 供 了 大 量 证 据 支 持 光 的 医 学 价 值 其 科 学 基 础 来 自 于 量 子 物 理 学 赫 兹 首 先 发 现 了 光 电 效 应 阿 尔 伯 特 爱 因 斯 坦 随 后 阐 明 了 光 的 理 论 根 据 光 电 效 应, 光 入 射 材 料, 材 料 释 放 电 子, 形 成 电 流 很 简 单, 光 通 过 将 能 量 转 移 给 电 子 与 材 料 发 生 作 用 1905 年, 爱 因 斯 坦 用 光 的 粒 子 理 论 解 释 了 这 个 现 象, 并 因 此 获 得 了 诺 贝 尔 物 理 学 奖 LLL therapy (LLLT) works provided us with sufficient empirical evidence of the value of light in medicine. The scientific evidence for this rests in quantum physics, the photoelectric effect first discovered by Hertz, and the theory of light elucidated by Albert Einstein. According to the photoelectric effect, when light strikes any material substance, electrons are discharged, creating a current. Simply, light interacts with matter as the energy of the light is transferred to the electrons. In 1905, Einstein offered an explanation for this phenomenon with his corpuscular theory of light, for which he was awarded a Nobel Prize. 爱 因 斯 坦 建 议 光 由 称 为 光 子 的 粒 子 组 成 他 认 为, 光 子 是 光 的 最 小 单 位, 并 且 具 有 波 粒 二 象 性, 即 同 时 具 有 波 的 特 性 和 粒 子 的 特 性 光 子 用 光 速 传 播 光 子 的 能 量 由 光 子 的 频 率 决 定 当 光 与 材 料 发 生 作 用 时, 光 子 的 能 量 转 移 给 电 子 光 子 的 波 长 越 短, 转 移 给 电 子 的 能 量 越 大 光 的 强 度 确 定 多 少 个 光 子 与 材 料 同 时 发 生 作 用, 以 及 多 少 个 电 子 同 时 受 到 光 的 作 用 光 的 强 度 越 大, 同 时 作 用 的 光 子 越 多, 受 到 作 用 的 电 子 数 越 多 因 此, 爱 因 斯 坦 首 先 提 出 了 激 光 的 物 理 学 图 像 Einstein proposed that light is composed of corpuscular units called photons. He further claimed that a photon is the smallest unit of light and has a dual nature, being both a particle and a wave at the same time. A photon travels at the speed of light and its energy is related to the frequency of radiation. The energy of the photon is transferred to the electrons when it collides with any material substance. The shorter the wavelength of light, the greater the energy transferred to the electron. The intensity of the light determines how many photons strike given surface and how many electrons are, thus, affected. The higher the intensity, the greater the number of photons and therefore, the greater the amount of energy transferred to the electrons. Hence the physics of lasers were first imagined by Einstein. 对 于 细 胞 PBM, 受 到 光 子 作 用 的 材 料 就 是 细 胞 或 细 胞 中 的 分 子 细 胞 PBM 的 原 初 过 程 就 是 细 胞 分 子 与 LI 的 相 互 作 用 分 子 有 许 多 状 态, 每 个 状 态 都 有 自 己 的 能 量 这 些 能 量 是 不 连 续 的, 它 们 由 低 到 高 排 成 能 级 例 如, 能 量 最 低 的 状 态 n 称 为 基 态, 其 能 量 为 E n ; 其 它 状 态 称 为 激 发 态, 例 如 激 发 态 k 的 能 量 为 E 在 辐 射 时 间 t 内 受 到 角 频 率 为 强 度 为 I 的 LI 的 作 用, 分 子 的 状 态 由 基 态 n 激 发 到 激 发 态 k 表 征 激 发 态 的 波 函 数 中, 基 态 n 的 系 数 为 k n For cellular PBM, the material substance is a cellular molecule. The primary process of PBM is a molecule-li interaction. A molecule in the ground state n with energy E n has been irradiated with LI at angular frequency and intensity I for radiation time t. According to quantum mechanics, the coefficient, k n, of the ground state n in the expansion of the wavefunction of the excited state k with energy E k at the time t is denoted by the following equation under the electric-dipole approximation k

10 k n 1 1 exp[ i( kn ) t] I Dkn 2 kn (1) k n 1 1 exp[ i( kn ) t] I Dkn 2 kn (1) 式 中 为 约 化 的 普 朗 克 常 数, D kn 是 跃 迁 距 阵 元,i 是 虚 数, E E 分 子 的 跃 迁 速 kn n k 率 为 (Liu et al. 2003&2005) where is the reduced Plank constant, Dkn is the matrix element, and kn Ek En. We then have the transition rate of the molecule (Liu et al. 2003&2005) d 2 kn r k n 1 D 2 sin kn I (2) 2 dt 2 kn d 2 kn t r k n 1 sin D 2 I (2) 2 kn dt 2 kn 如 果 与 LI 发 生 作 用 的 全 同 蛋 白 质 分 子 在 细 胞 或 细 胞 器 的 膜 上 ( 图 13), 当 全 同 分 子 相 关 的 功 能 远 离 功 能 内 稳 态 (FSH) 时, 全 同 分 子 可 以 相 互 合 作 形 成 相 干 态, 细 胞 发 生 状 态 改 变 的 速 率 为 (Liu et al. 2003) If the identical protein molecules interacting with LI are in the membrane of the cell or their organelles(fig. 13), the identical molecules might cooperate with each other to form coherent states when the related function is far from its function-specific homeostasis (FSH), and the transition rate of a cell should be (Liu et al. 2003) kn t R 1 2 C N D 2 sin I (3a) 2 k kn 2 kn kn t R 1 2 sin C N D 2 I (3a) 2 k kn 2 kn 式 中 N 和 C k 分 别 为 全 同 分 子 的 数 目 和 激 发 态 的 量 子 常 数 对 于 共 振 跃 迁 kn =, 光 子 的 能 量 刚 好 为 分 子 发 生 能 级 跃 迁 所 需 要 的 能 量 kn En Ek, 跃 迁 速 率 为 where N and Ck are the number of the identical molecules and the quantum constant of the excited k. For the resonant transition, kn =, we have from Eq rr Dkn It (4a) r D It (4a) r 2 kn 2 这 就 是 光 化 学 中 的 倒 易 规 则 (Bunsen-Roscoe 定 律 )(Karu 1998) 它 表 明, 只 要 光 的 剂 量 It 是 一 个 常 数, 光 化 学 响 应 不 依 赖 于 光 强 I 和 辐 射 时 间 t We then have the reciprocity rule (Bunsen-Roscoe law) (Karu 1998), the photochemical response is independent of the intensity I and the radiation time t when the dose It is kept constant. 根 据 原 初 过 程 的 共 振 性 质, 介 导 细 胞 PBM 的 通 路 可 以 分 为 特 异 性 通 路 和 非 特 异 性 通 路 两 类 特 异 性 通 路 由 与 LI 发 生 共 振 作 用 的 内 源 性 光 敏 剂 介 导, 例 如 血 红 蛋 白 核 黄 素 和 由 细 胞 色 素 b558 构 成 的 烟 酰 胺 腺 嘌 呤 二 核 苷 酸 磷 酸 (NADPH) 非 特 异 性 通 路 由 与 LI 发 生 非 共 振 作 用 的 细 胞 或 细 胞 器 的 膜 蛋 白 方 程 3a 和 4a 两 式 分 别 对 非 特 异 性 通 路 和 特 异 性 通 路 成 立 According to whether the primary process is resonant or non-resonant, the pathways mediating cellular PBM are classified into two kinds, the specific pathway which is mediated by the resonant interaction of LI with endogenous photosensitizers such as hemoglobin, flavin and t

11 nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) oxidases which consist of the membrane-bound cytochrome b558 (Lubart et al. 2005), the non-specific pathway which is mediated by the non-resonant interaction of LI with the proteins in the membrane of cells or organelles (Liu et al. 2003&2005). Eqs. 3a and 4a hold for non-specific pathways and specific pathways, respectively. 根 据 方 程 2 和 4 两 式, 非 共 振 作 用 的 跃 迁 速 率 ( 方 程 2 式 ) 远 远 小 于 共 振 作 用 的 跃 迁 速 率 ( 方 程 4a 式 )( r r ), 非 特 异 性 通 路 几 乎 是 不 可 能 发 生 的 然 而, 根 据 我 们 的 全 同 粒 子 模 型 (Liu et al. 2003), 非 特 异 性 通 路 可 以 被 非 线 性 放 大 细 胞 膜 上 介 导 非 特 异 性 通 路 的 蛋 白 质 分 子 有 10 3~4 个 ( 图 13) 所 有 介 导 非 特 异 性 通 路 的 分 子 是 全 同 的 当 相 关 的 细 胞 功 能 远 离 FSH 时, 这 些 全 同 分 子 可 以 按 照 量 子 力 学 方 式 相 互 合 作 形 成 相 干 态 这 些 相 干 态 可 以 分 为 超 辐 射 态 和 亚 辐 射 态 两 类 超 辐 射 态 的 跃 迁 速 率 是 分 子 数 目 N 的 非 线 性 函 数 ( 方 程 3a 式 ), 因 此, 超 弱 的 非 共 振 所 用 可 以 得 到 非 线 性 放 大 亚 辐 射 态 的 跃 迁 速 率 为 零 研 究 表 明, 膜 分 子 处 于 超 辐 射 态 的 细 胞 的 功 能 低 下, 细 胞 远 离 FSH 因 此, 由 非 特 异 性 通 路 介 导 的 PBM 属 于 fpbm 正 如 前 面 所 讨 论 的,LPBM 主 要 由 非 特 异 性 通 路 介 导, 因 此 属 于 fpbm 这 个 结 果 与 前 一 章 的 结 论 是 一 致 的 Obviously, the non-resonant transition rate (Eq. 2) is extraordinarily small in comparison with resonant transition rate (Eq. 4a) ( r ) so that the non-specific pathway may be impossible. rr However, the non-specific pathway may be nonlinearly amplified according to our identical particle model within the frame work of quantum mechanics (Liu et al. 2003). There are 10 3~4 membrane protein molecules (Fig. 13) mediating the non-specific pathway. All the membrane molecules mediating the non-specific pathway are identical. They cooperate with one another to form the coherent states when the related cellular function is far from its FSH. The coherent states can be classified into two kinds, the superradiant state which transition rate is a nonlinear function of the molecular numbers N so that the ultra-weak non-resonant interaction can be amplified according to Eq. 3a, and the subradiant state which transition rate is zero. It has been shown that the function of cells which molecules mediating the non-specific pathway are in superradiant states is not optimal and the cells are far from FSH. Therefore, the PBM mediated by non-specific pathway should be fpbm. As discussed in the previous chapter, LPBM is mainly mediated by the non-specific pathway (Liu et al. 2005) and then might be fpbm. This is in agreement with the conclusion in the previous chapter. 2 关 键 过 程 Key Process 关 键 过 程 就 是 限 速 过 程 在 农 业 化 学 中, 光 降 解 是 表 层 土 壤 中 控 制 许 多 农 业 化 学 过 程 的 命 运 和 化 学 成 分 的 剩 余 时 间 的 关 键 过 程 对 于 细 胞 PBM, 我 们 提 出 了 细 胞 PBM 的 关 键 过 程 假 定 (key process hypothesis of cellular PBM, KPHCP) 根 据 KPHCP, 细 胞 PBM 的 原 初 过 程 是 细 胞 PBM 的 关 键 过 程, 方 程 3a 和 4a 两 式 决 定 了 细 胞 PBM 的 剂 量 关 系 因 此, 方 程 3a 式 适 用 于 非 特 异 性 通 路 介 导 的 响 应 (non-specific pathway mediated response, NSPR): The key process is the rate-limiting process. As photodegradation is a key process in governing the residence time and fate of many agrochemicals in top soils (Ciani et al. 2005), the primary process of cellular PBM might be supposed to be the key process of cellular PBM so that the dose relationship of cellular PBM should be decided by transition rate of the primary process,

12 Eqs. 3a & 4a, which was called the key process hypothesis of cellular PBM (KPHCP) for convenience. According to KHPH, Eq. 3a should hold for the non-specific pathway mediated response (NSPR), sin kn t NSPR I (3b) sin kn NSPR I (3b) kn 倒 易 规 则 方 程 4a 式 适 用 于 特 异 性 通 路 介 导 的 响 应 (specific pathway mediated response, SPR): and the reciprocity rule, Eq. 4a, should hold for the specific pathway mediated response (SPR), SPR It (4b) SPR It (4b) 鉴 于 LPBM 和 MPBM 主 要 分 别 由 非 特 异 性 通 路 和 特 异 性 通 路 介 导 (Liu et al. 2005), 方 程 3 和 4 两 式 分 别 可 能 为 LPBM 和 MPBM 的 剂 量 关 系 KPHCP 得 到 应 用 研 究 的 支 持 Therefore, Eqs. 3 &4 might be the dose relationship of LPBM and MPBM because LPBM and MPBM may be mainly mediated by non-specific pathways and specific pathways (Liu et al. 2005), respectively. KPHCP was supported by its applications. MPBM 或 光 动 力 效 应 主 要 由 SPR 介 导 根 据 KPHCP, 倒 易 规 则 方 程 4 式 应 该 成 立 Ben-Dov 等 人 (1999) 离 体 研 究 了 MIL 对 骨 骼 肌 卫 星 细 胞 增 殖 的 影 响, 在 固 定 照 射 强 度 的 情 况 下 发 现 MPBM 与 辐 射 时 间 呈 线 性 关 系 Stadler 等 人 (2000) 全 血 MIL 照 射 对 淋 巴 细 胞 增 殖 的 影 响, 在 固 定 照 射 强 度 的 情 况 下 也 发 现 MPBM 与 辐 射 时 间 呈 线 性 关 系 王 怡 振 等 (1996) 在 固 定 辐 射 时 间 的 条 件 下 研 究 了 不 同 照 射 光 强 的 He-Ne 激 光 的 ILELT 对 实 验 性 糖 尿 病 兔 红 细 胞 变 形 性 的 影 响, 只 发 现 红 细 胞 滤 过 指 数 (erythrocyte filtration index, EFI) 随 着 照 射 光 强 下 降 的 趋 势, 但 我 们 用 线 性 关 系 拟 合 发 现 了 很 好 的 相 关 性 : MPBM or photodynamic effects is mainly mediated by SPR so that the reciprocity rule, Eq. 4, should hold according to KPHCP. Ben-Dov et al. (1999) have studied MPBM on satellite cell proliferation in vitro, and found that there is a linear relationship of PBM and irradiation time when the intensity was kept constant. Stadler et al. (2000) have studied the MIL of whole blood on the lymphocyte proliferation, and also found a linear relationship of the PBM and irradiation time when the intensity was kept constant. Obviously, Eq. 3 holds for MPBM. Wang et al. (1996) have used ILELT to treat New Zealand rabbits with Alloxan-diabetes, and observed the variations of their erythrocyte filtration index (EFI). Their data have been linearized as following y x , R (5) y x , R (5) y x , R (6) y x , R (6) 式 中 x y 和 R 分 别 为 激 光 功 率 EFI 和 线 性 拟 合 的 相 关 度, 下 标 为 照 射 后 的 天 数 where x, y and R are the intensity, EFI and the correlation coefficient. LPBM 主 要 由 NSPR 介 导 根 据 KPHCP, 方 程 3 式 成 立, 因 此, 倒 易 规 则 不 成 立, 在 固 定 照 射 剂 量 的 情 况 下, 改 变 照 射 强 度 或 辐 射 时 间,LPBM 会 发 生 改 变 Sommer 等 人 (2001) 根 据 前 人 的 实 验 和 他 们 自 己 的 研 究 认 为, 剂 量 和 强 度 是 生 物 学 上 彼 此 独 立 的 阈 值 参 数 Karu 等 人 (1982) 发 现, 倒 易 规 则 对 于 LHNL 与 HeLa 细 胞 的 作 用 不 成 立 Schindl 等 人 (2001) 指 出, 虽 然 在 实 验 或 应 用 光 生 物 学 中 很 少 倒 易 规 则 有 效 性 的 直 接 研 究, 大 部 份 数 据 表 明 一 个 事 实, 即 倒 易 规 则 对 许 多 光 生 物 学 过 程 不 成 立 或 有 限 成 立 ; 在 照 射 剂 量 为 常 数 的 情 况 下, kn t

13 强 度 是 决 定 LLL 效 应 的 关 键 参 数 van Breugel 等 人 (1992) 发 现, 尽 管 LHNL 的 剂 量 相 近, 1.24 mw/145 s 可 以 显 著 促 进 人 的 二 倍 体 成 纤 维 皮 肤 细 胞 增 殖, 但 0.55 mw/330 s 或 5.98 mw/30 s 没 有 作 用 Lubart 等 人 (1993) 研 究 了 LIL 对 哺 乳 动 物 细 胞 的 作 用, 发 现 常 数 剂 量 下 成 纤 维 细 胞 的 增 殖 效 应 是 非 线 性 依 赖 于 LIL 的 强 度 Li 等 人 (2004) 研 究 了 固 定 剂 量 分 别 为 800 1,000 1,800 和 2,000 J/m 2 的 LHNL 对 PMN 的 调 节, 发 现 每 个 固 定 剂 量 下 的 NADPH 氧 化 酶 活 性 依 赖 于 LHNL 的 强 度 Lanzafame 等 人 (2007) 来 自 发 光 二 极 管 (LED) 的 670 nm 红 色 (RLED 670) 对 C57/BL 小 鼠 的 压 力 性 溃 疡 的 LPBM, 发 现 固 定 剂 量 下 的 强 度 改 变 影 响 光 疗 结 果 LPBM is mainly mediated by NSPR (Liu et al. 2005) so that Eq. 3 should hold according to KPHCP. In this case, the reciprocity rule, Eq. 4, should not hold, and LPBM depends intensity or radiation time if the dose is kept constant. From the observations of different research groups and their own observations, Sommer et al. (2001) concluded that the threshold parameters dose and intensity are biologically independent from each other. The analysis of intensity and radiation time dependences for the same biological response indicates that the reciprocity rule does not hold when HeLa cells are irradiated with LHNL (Karu et al. 1982). Although few studies have addressed the validity of the reciprocity rule in experimental and applied photobiology to date, most of these data point to the fact that the rule of reciprocity is invalid or of limited validity for many photobiological reactions, and it has been shown that at a constant total dose, the intensity of the source is a major factor that determines quality and quantity of the response for the effects of LLL (Schindl et al. 2001). van Breugel et al. (1992) have found LHNL at 1.24 mw/145 s can significantly promote the preliferation of human diploid skin fibroblasts in vitro but the irradiation at 0.55 mw/330 s or 5.98 mw/30 s can not although their doses are almost the same. Lubart et al. (1993) have investigated the effect of LIL on mammalian cells. They found that the induction of fibroblast proliferation at a constant dose depends on the applied intensity in a non-linear manner. In the research of Li YL et al. (2004), PMNs were irradiated by LHNL at doses of 800, 1,000, 1,800, and 2,000 J/m 2, respectively, and the intensity was changed at each dose. They found that the NADPH oxidase activity was different at different intensity for each dose of LHNL. Lanzafame et al. (2007) have studied the effects of red light at 670nm from light emitting diode array (RLED 670) on pressure ulcers of C57/BL mice, and found varying irradiance and exposure time to achieve a specified energy density affects phototherapy outcomes. 根 据 方 程 3 式, 倒 易 规 则 不 成 立, 固 定 照 射 剂 量 下 的 LPBM 存 在 一 个 极 大 值 引 入 When the dose of LIL is constant, the reciprocity rule might not hold so that there might be a maximum PBM according to Eq. 3. Let T be defined as following T kn t (7) T kn t (7) 根 据 方 程 3a 式 可 以 得 到 From Eq. 3a, we have R Ck N Dkn ItsinT T 2 (8) R C N D 2 k kn 2 It sint T (8) 方 程 两 边 分 别 对 辐 射 时 间 求 导 数 可 以 得 到

14 and then dr dr dt ICk N Dkn cost sint T 2 (9) dt ICk N Dkn cost sint T 2 (9) 2 令 上 述 导 数 为 零, 可 以 推 出, T T 时, 跃 迁 速 率 和 LPBM 达 到 极 大 值 : 0 Therefore, the transition rate of the primary process and then LPBM arrives at their maximum value, respectively, at T T0 T0 cost0 sin T0 (10) T cost sint (10) 对 于 指 数 生 长 期 的 HeLa 细 胞,Karu (1989) 改 变 辐 射 时 间 ( 强 度 ) 分 别 研 究 了 0.01 J/cm² 的 nm 激 光 和 0.3 J/cm² 的 454 nm 激 光 对 DNA 合 成 和 细 胞 增 殖 的 影 响, 研 究 发 现 倒 易 规 则 不 成 立,LPBM 在 1mW/cm² 和 20 mw/cm² 之 间 存 在 极 大 值 对 于 对 数 生 长 期 的 HeLa 细 胞,Karu 等 人 (2005) 研 究 了 氩 离 子 激 光 泵 浦 的 100 J/m 2 连 续 燃 料 激 光 ( 波 长 633 nm, 最 大 强 度 8 mw/cm 2 ) 辐 照 后 1.5h 时 的 DNA 合 成, 发 现 LPBM 的 极 大 值 在 辐 射 时 间 10s 左 右 Karu (1989) have measured DNA synthesis in exponentially growing HeLa cells and proliferation after constant low doses of nm (0.01 J/cm²) and 454 nm (0.3 J/cm²) laser irradiation applied within different exposure times (i.e. with different intensities), respectively. Her findings pointed to the non-validity of the reciprocity rule as the biological response varied clearly with different intensities peaking between 1 mw/cm² and 20 mw/cm². Karu et al. (2005) also observed dependence of stimulation of DNA synthesis rate on light intensity or irradiation time at a constant dose measured 1.5 h after irradiation of log-phase HeLa cells with a continuous wave dye laser pumped by an argon laser ( 633 nm, 8 mw/cm 2 ) at 100 J/m 2, and found the maximum PBM at about 10s. 根 据 方 程 7 和 10 两 式, 最 佳 T 0 和 最 佳 辐 射 时 间 t 0 不 依 赖 于 照 射 剂 量 在 528 和 2130 mj/cm 2 两 个 固 定 照 射 剂 量, 笔 者 研 究 了 低 强 度 810 nm GaAlAs 半 导 体 激 光 对 NIH 3T3 成 纤 维 细 胞 增 殖 的 影 响, 发 现 存 在 PBM 存 在 极 大 值, 而 且 两 个 照 射 剂 量 的 极 大 值 点 辐 射 时 间 是 相 同 的 这 个 结 果 是 对 KPHCP 的 直 接 支 持 Obviously, the optimum T 0 and then the optimum radiation time t 0 is dose-independent according to Eqs. 7 and 10. We also observed the maximum PBM of low intensity 810 nm GaAlAs laser irradiation at the constant dose 528 and 2130 mj/cm 2, respectively, on NIH 3T3 fibroblasts (Cheng 2008). Moreover, the optimum irradiation time 40 s at the maximum PBM has been found dose-independent (Cheng 2008). This is a direct support to KPHCP. 固 定 照 射 强 度 或 辐 射 时 间 所 获 得 的 剂 量 关 系 也 支 持 KPHCP 有 大 量 的 工 作 研 究 固 定 照 射 强 度 的 剂 量 关 系 (Karu 1998) 根 据 KPHCP 和 方 程 3 式,LPBM 应 该 是 辐 射 时 间 的 正 弦 函 数 这 个 结 果 得 到 Al-Watban 等 人 (2001) Brill 等 人 (2000) 黄 平 (2008) Karu(1998) Karu 等 人 (1981, 2001, 2003 & 2004) Yang 等 人 (2006) Zhang et al (2003) 和 Zharov 等 人 (1987) 的 支 持 KPHCP was also supported by the dose relationship when the intensity or the radiation time is kept constant. There are many works on the dose relationship when the intensity is kept constant (Karu 1998). In this case, the LPBM should be the SIN function of radiation time according to

15 KPHCP and Eq. 3, which is supported by Al-Watban et al. (2001), Brill et al. (2000), Huang (2008), Karu(1998), Karu et al. (1981, 2001, 2003 & 2004), Yang et al. (2006), Zhang et al. (2003) and Zharov et al. (1987). 固 定 辐 射 时 间 的 剂 量 关 系 研 究 很 少 根 据 KPHCP 和 方 程 3 式,LPBM 应 该 是 照 射 强 度 的 线 性 函 数 这 个 结 果 得 到 Cheng 等 人 (2006) Duan 等 人 (2001) Karu(1998) Liang 等 人 (2008) 和 Xu 等 人 (2008) 的 支 持 There are few works on the dose relationship when the radiation time is kept constant. In this case, the LPBM should be the linear function of intensity according to KPHCP and Eq. 3, which is supported by Cheng et al. (2006), Duan et al. (2001), Karu(1998), Liang et al. (2008) and Xu et al. (2008). 笔 者 研 究 了 来 自 发 光 二 极 管 的 640 nm 红 光 (RLED 640) 对 H 2 O 2 细 胞 毒 性 康 复 的 促 进 作 用 分 化 成 熟 的 PC12(dPC12) 细 胞 在 H 2 O 2 浓 度 为 150 mol/l 的 培 养 基 培 养 半 小 时 后 再 在 新 鲜 的 培 养 基 中 培 养 6 小 时, 用 固 定 强 度 0.06 mw/cm 2 分 别 照 射 和 60 分 钟, 或 者 用 固 定 剂 量 分 别 照 射 和 40 分 钟 研 究 发 现, 固 定 照 射 强 度 0.06 mw/cm 2 的 最 佳 照 射 时 间 是 10 分 钟, 固 定 照 射 剂 量 72 mj/cm 2 的 最 佳 照 射 时 间 是 20 分 钟 研 究 结 果 显 然 支 持 方 程 3 式 We have studied red light at 640±15nm from light-emitting diode array (RLED 640) promotion on the recovery of differentiated PC12 (dpc12) cells from H 2 O 2 cytotoxicity. dpc12 cells were cultured with the medium of H 2 O 2 at 150 mol/l for 30 mins and then with fresh medium for 6 hrs, and were then irradiated with RLED640 at 0.06mW/cm 2 for 10, 20, 40 and 60 min and 72 mj/cm 2 for 5, 10, 20 and 40 mins, respectively. It was found among the irradiation at 0.06mW/cm 2 or 72 mj/cm 2, 10 and 20 mins irradiation was the most effective in promoting cellular rehabilitation, respectively. Obviously, Eq. 3 may hold. 第 二 节 光 信 号 转 导 8.2 Phototransduction 膜 上 的 视 色 素 受 体 吸 收 光 子 引 起 视 觉 细 胞 产 生 电 信 号 的 过 程 称 为 光 信 号 转 导 其 中 膜 上 视 色 素 受 体 视 紫 质 是 光 子 受 体, 转 导 蛋 白 是 光 受 体 特 异 的 G 蛋 白, 前 者 吸 收 光 子 引 起 后 者 构 型 改 变, 作 用 于 其 效 应 酶 cgmp 磷 酸 二 酯 酶 节 律 EPT 的 可 能 性 首 先 由 Campbell 等 人 (1998) 提 出 他 们 发 现 膝 盖 后 掴 窝 3 小 时 的 明 光 照 射 可 以 引 起 体 温 和 唾 液 褪 黑 素 的 生 理 节 律 发 生 变 化 然 而, Yamazaki 等 人 (1999) 没 有 在 叙 利 亚 鼠 的 视 觉 外 的 节 律 系 统 发 现 光 受 体 Wright 等 人 (2002) 重 复 了 Campbell 等 人 (1998) 的 实 验, 但 没 有 发 现 类 似 的 结 果 我 们 实 验 室 在 2001 年 首 次 发 现 EPT 现 象 我 们 发 现 LHNL 可 以 诱 导 PMNs 的 呼 吸 爆 发, 其 机 制 可 能 是 通 过 PTKs PLC-γ PKC NADPH 氧 化 酶 介 导 的 光 信 号 转 导 实 现 的 随 后 人 们 陆 续 发 现 了 许 多 EPT 现 象 根 据 BIMP, 细 胞 的 信 号 转 导 通 路 可 以 分 为 两 类,Gs 介 导 的 通 路 为 通 路 1, 其 它 信 号 通 路 为 通 路 2 通 路 2 包 括 PTKs PLC PKCs PI-3K 和 MAPK 等 目 前 发 现 的 光 信 号 转 导 通 路 都 属 于 通 路 2 本 节 将 综 述 这 些 发 现 Phototransduction is the process by which a photon of light captured by a molecule of visual pigment generates an electrical response in a photoreceptor cell (Arshavsky et al. 2002). In this pathway, the photoreceptor-specific G protein, transducin, mediates between the membrane visual pigment, rhodopsin, and the effector enzyme, cgmp phosphodiesterase. The possibility of circadian EPT was put forward by Campbell et al. (1998) in their report that 3 h of bright light

16 exposure to the area behind the knee caused phase shifts of the circadian rhythms of both body temperature and saliva melatonin in humans. However, Yamazaki et al. (1999) found no evidence for extraocular photoreceptors in the circadian system of the Syrian hamster, and Wright et al. (2002) found the absence of circadian phase resetting in response to bright light behind the knees. The first cellular EPT phenomenon was observed in LHNL induced respiratory burst of PMNs in our laboratory in 2001 (Duan et al. 2001). Duan et al. (2001) found that PTKs PLC- PKC NADPH oxidase might mediate the respiratory burst. Since then, many EPT phenomena (Zhang YO et al. 2003, Luo et al. 2006&2007, Gao et al. 2006, Huang 2007, Huang et al. 2008) have been observed. According to BIMP, the signal transduction pathways can be classified into two kinds so that the Gs protein mediated pathways belong to pathway 1, and the other pathways mediated by Gi protein, Gq protein, PTKs, PLC, PKCs, PI-3K or MAPK belong to pathway 2. Most of the present pathways found to mediate PBM (Duan et al. 2001, Shefer et al & 2003, Zhang YO et al. 2003, Luo et al. 2005, Gao et al. 2006, Huang 2007, Huang et al. 2008) belong to pathway 2. These would be reviewed in this section. 1 光 信 号 转 导 的 非 特 异 通 路 Non-Specific Pathway Mediated Phototransduction LPBM 主 要 由 非 特 异 性 通 路 所 介 导 (Liu et al. 2005) 换 句 话 说, 非 特 异 性 通 路 介 导 的 光 信 号 转 导 可 以 在 LPBM 中 发 现 值 得 注 意 的 是 这 些 信 号 转 导 现 象 都 是 由 中 国 的 研 究 者 发 现 的 LPBM is mainly mediated by the non-specific pathways (Liu et al. 2005). In other words, the non-specific pathways mediated EPT might be observed in LPBM. It should be pointed out that all the EPT phenomena were found by Chinese researchers. 笔 者 实 验 室 观 察 到 第 一 个 非 视 觉 细 胞 的 光 信 号 转 导 现 象 30 mj/cm 2 的 LHNL 照 射 100s 可 以 诱 导 PMNs 呼 吸 爆 发 笔 者 分 别 用 PTK PLC 和 PKC 等 蛋 白 酶 的 抑 制 剂 研 究 了 LHNL 启 动 的 光 信 号 转 导, 发 现 抑 制 PTK 可 以 完 全 抑 制 呼 吸 爆 发, 但 抑 制 PLC 或 PKC 只 能 部 分 抑 制 呼 吸 爆 发 这 个 研 究 表 明,PTKs 在 LHNL 诱 导 的 呼 吸 爆 发 中 起 到 关 键 性 的 作 用, PTKs PLC-γ PKC NADPH 氧 化 酶 可 能 介 导 了 LHNL 诱 导 的 信 号 转 导 ( 图 15) The first EPT phenomenon was observed in our laboratory (Duan et al. 2001). We have probed signal transduction pathways of respiratory burst of bovine PMNs which were induced by LHNL at a dose of 300 J/m 2 for 100 s by using the PTK inhibitor, genistein, the PLC inhibitor, U-73122, and the PKC inhibitor, calphostin C, respectively, and found the inhibitor of PTKs can completely inhibit LHNL-induced PMN respiratory burst, and PLC and PKC inhibitors can obviously reduce it, but not fully inhibit it. These results suggested that PTKs play a key role in LHNL-induced PMN respiratory burst and [PTK-PLC-PKC-NADPH oxidase] signal transduction pathways might be involved in this process (Fig. 15). 香 港 的 Zhang YO 等 人 (2003) 用 cdna 芯 片 观 察 到 第 二 个 LIL 启 动 的 信 号 转 导 现 象 628nm 的 LIL 可 以 调 节 人 的 成 纤 维 细 胞 的 功 能 基 因 表 达 模 式 分 析 表 明, 受 LIL 调 节 的 111 个 基 因 可 以 分 为 10 大 功 能 研 究 发 现,P38/MAPK 和 血 小 板 生 长 因 子 通 路 介 导 了 LIL 对 细 胞 生 长 的 促 进 作 用 The second research was done by the cdna microarray technique in Hong Kong (Zhang YO et al. 2003). The gene expression profiles revealed that 111 genes of human fibroblasts were

17 regulated by LIL of red light at 628 nm and can be grouped into 10 functional categories. Two kinds of signaling pathways, the p38 MAPK signaling pathways and the platelet-derived growth factor signaling pathways, were found to be involved in cell growth promoted by LIL. 第 三 个 工 作 是 用 荧 光 共 振 能 量 转 移 技 术 (fluorescence resonance energy transfer, FRET) 观 察 到 的 血 清 剥 夺 24 小 时 后, 人 肺 腺 癌 ASTC-a-1 细 胞 用 0.8 J/cm 2 的 LHNL 照 射 广 州 Gao 等 人 (2006) 用 FRET 成 像 研 究 表 明,LPBM 是 由 PKC 所 介 导 的 血 清 浓 度 降 低 到 1% 所 培 养 的 细 胞 就 开 始 凋 亡 Gao 等 人 (2006) 所 用 血 清 浓 度 正 是 1%, 因 此,Gao 等 人 (2006) 所 发 现 的 信 号 转 导 通 路 所 介 导 的 应 该 是 LIL 对 细 胞 凋 亡 的 抑 制 作 用 The third research was done by fluorescence resonance energy transfer (FRET) imaging in our university(gao et al. 2006). The human lung adenocarcinoma cells, ASTC-a-1 cells, were irradiated with LHNL at 0.8 J/cm 2 in the dark after 24 hours of serum deprivation. Its FRET imaging indicated the PBM was mediated by PKCs. Serum withdrawal to a 1% level was used as a positive apoptosis control for human cells from the anulus in vitro (Gruber et al. 2000). In Gao et al s experiments on effects of LHNL at different doses on serum-starved ASTC-a-1 cells, ASTC-a-1 cells were cultured in Dulbcco's modifed Eagle medium supplemented with 1% NCS so that there should be NCS withdraw induced ASTC-a-1 cell apoptosis. Therefore, the PBM phenomena observed by Gao et al. (2006) should be PKCs mediated anti-apoptosis (Wu M et al. 2007). 台 湾 的 Chen 等 人 (2008) 用 0.15 mw/cm 2 的 LHNL 照 射 人 的 脐 带 静 脉 血 管 内 皮 细 胞, 发 现 LHNL 对 细 胞 增 殖 迁 移 和 NO 分 泌 的 促 进 作 用 他 们 的 进 一 步 研 究 发 现,LHNL 所 诱 导 的 内 皮 NO 合 酶 的 表 达 可 以 被 PI-3K 抑 制 剂 所 抑 制, 因 此,PI-3K 介 导 了 LHNL 的 信 号 转 导 作 用 LHNL at 0.15 mw/cm 2 has been used to irradiate human umbilical vein endothelial cells and was found to increase endothelial cell proliferation, migration and nitric oxid (NO) secretion in Taiwan (Chen et al. 2008). The induced endothelial NO synthase (enos) expression was inhibited by the PI-3K inhibitor, LY294002, indicating that the effect of LHNL on human umbilical vein endothelial cells could be attributed to the up-regulation of enos expression through PI-3K pathway at the cellular and molecular levels (Chen et al. 2008). DEX 诱 导 的 C2C12 肌 管 萎 缩 可 以 作 为 胆 固 醇 肌 病 的 细 胞 模 型 RLED 640 照 射 该 模 型 可 以 作 为 胆 固 醇 肌 病 PBM 治 疗 的 细 胞 模 型 笔 者 实 验 室 用 MAPK 和 ERK 激 酶 (MAPK and ERK kinase, MEK) 抑 制 剂 和 PI-3K 抑 制 剂 分 别 研 究 了 其 中 的 信 号 转 导 机 制 我 们 发 现,MEK 介 导 了 1 μmol/l 的 DEX 诱 导 的 C2C12 肌 管 萎 缩,PI-3K 介 导 了 3.5 mw/cm 2 的 RLED640 照 射 胆 固 醇 肌 病 细 胞 模 型 300s 对 蛋 白 质 降 解 的 抑 制 作 用 DEX induced C2C12 myotube atrophy was studied as a cellular model of steroid myopathy in our laboratory. The effects of RLED 640 on the cellular model was studied as a cellular model of PBM on steroid myopathy by using the PI-3K activity inhibitor, Wortmannin at 1μmol/L, and MAPK and ERK kinase (MEK) activity inhibitor, PD98059 at 50 μmol/l, and it was found PI-3K might mediate the inhibition of RLED 640 at 3.5 mw/cm 2 for 300 s on MEK mediated C2C12 myotube atrophy induced by DEX at 1 μmol/l (Huang 2007, Huang et al. 2008). 笔 者 实 验 室 分 别 发 现 了 LHNL 对 红 细 胞 变 形 性 的 调 节 是 由 G 蛋 白 介 导 和 膜 水 通 道 蛋 白 aquaporin-1 介 导 的 红 细 胞 部 分 脱 水 可 以 形 成 变 形 功 能 低 下 的 棘 红 细 胞 用 200 μmol/l 的 G 蛋 白 抑 制 剂 GDP-β-S 孵 育 棘 红 细 胞, 然 后 用 5 mw 的 LHNL 照 射 5 分 钟 研 究 发 现,LHNL 可 以 改 善 棘 红 细 胞 的 变 形 性, 但 加 入 GDP-β-S 可 以 阻 断 LHNL 的 PBM 用 1~5 mw 的 LHNL

18 照 射 棘 红 细 胞 5-30 min, 并 用 aquaporin-1 抑 制 剂 HgCl 2 研 究 aquaporin-1 的 作 用 研 究 发 现, 4.4 mw/cm 2 的 LHNL 促 进 棘 红 细 胞 变 形 性 的 最 佳 剂 量 是 1.3 J/cm 2, 但 加 入 HgCl 2 可 以 阻 断 LHNL 的 PBM LHNL on RBC deformability was found to be mediated by G protein and membrane aquaporin-1 in our laboratory(luo et al &2007). The deformability of chinocytes is dysfunctional. Human echinocytes were cultured with G protein inhibitor, GDP-β-S, at 200 μmol/l for 15 mins, and then were irradiated by LHNL at 5 mw and 5 mins. The deformability of echinocytes was improved by LHNL, but no modulation of LHNL on RBC deformability has been found when the echinocytes were cultured with GDP-β-S. Human echinocytes were irradiated with LHNL at 1-5 mw for 5-30 min, respectively, and aquaporin-1 inhibitor, HgCl 2, was used to study the role of aquaporin-1 in mediating PBM at LHNL optimum dose. It was found the LHNL optimum dose promoting echinocyte deformability is 1.3 J/cm 2 at 4.4 mw/cm 2, but it is significantly inhibited by 0.2 μm HgCl 2. Aβ25-35 诱 导 的 PC12 细 胞 凋 亡 是 AD 的 细 胞 模 型 ( 图 16) 笔 者 实 验 室 发 现,0.09 mw/cm 2 的 RLED 640 照 射 60 min 可 以 抑 制 Aβ25-35 诱 导 的 PC12 细 胞 凋 亡 笔 者 进 一 步 开 展 了 机 制 研 究 研 究 发 现,Aβ25-35 诱 导 细 胞 camp 升 高,RLED 640 照 射 进 一 步 促 进 camp 升 高, 前 者 诱 导 凋 亡, 后 者 则 通 过 分 泌 抗 凋 亡 因 子 抑 制 凋 亡 广 州 Zhang J 等 人 发 现 0.52 mw/cm 2 的 LHNL 照 射 5~40 分 钟 也 可 以 抑 制 Aβ25-35 诱 导 的 PC12 细 胞 凋 亡,FRET 研 究 发 现 了 PKC 的 介 导 作 用 Aβ25-35 induced PC12 cell apoptosis is a cellular model of AD (Fig. 16). In our laboratory, Duan et al. (2003) has found RLED 640 at 0.09 mw/cm 2 for 60 min inhibited Aβ25-35 induced PC12 cell apoptosis, Zhu et al. (2008) further found that Aβ25-35 enhanced intracellular camp level, and RLED 640 promoted further the enhancement but induced the secretion of the anti-apoptosis factors. Zhang L et al. (2008) found LHNL at 0.52 mw/cm 2 for 5~40 mins also inhibited Aβ25-35 induced PC12 cell apoptosis, and its FRET imaging indicated that the inhibition was mediated by PKC. 2 活 性 氧 介 导 的 光 信 号 转 导 Reactive Oxygen Species Mediated Phototransduction 尽 管 过 量 的 ROS 是 有 害 的, 生 理 浓 度 的 ROS 可 以 作 为 信 号 分 子 介 导 细 胞 迁 移 和 生 长 等 功 能 (Dröge 2002) ROS 家 族 包 括 多 种 分 子, 各 自 对 细 胞 存 在 各 种 作 用 : 调 节 细 胞 生 长 和 分 化, 调 节 细 胞 外 基 质 的 产 生 和 清 除, 使 NO 失 活, 刺 激 多 种 酶 和 炎 症 基 因 例 如, 超 氧 阴 离 子 O 2 水 平 升 高 使 血 管 扩 张 因 子 NO 失 活, 导 致 内 皮 功 能 障 碍 和 血 管 收 缩, 后 者 是 很 多 血 管 性 疾 病 的 特 征 另 一 方 面, 过 氧 化 氢 H 2 O 2 则 是 脑 血 管 心 血 管 和 肠 系 膜 动 脉 的 血 管 扩 张 因 子 Although excess ROS are toxic, physiological concentrations of ROS may function as signaling molecules to mediate various responses, including cell migration and growth (Dröge 2002). The ROS family comprises many molecules that have divergent effects on cellular function, such as regulation of cell growth and differentiation, modulation of extracellular matrix production and breakdown, inactivation of NO, and stimulation of many kinases and proinflammatory genes. For example, increased O 2 levels inactivate the vasodilator NO leading to endothelial dysfunction and vasoconstriction, characteristic of many vascular diseases. On the other hand,

19 H 2 O 2 acts as a vasodilator in some vascular beds, including cerebral, coronary, and mesenteric arteries. 超 氧 阴 离 子 O 2 和 过 氧 化 氢 H 2 O 2 截 然 不 同 的 性 质 和 它 们 不 同 的 作 用 位 点 表 明, 不 同 的 ROS 激 活 不 同 的 信 号 转 导 通 路, 引 起 广 泛 的 甚 至 是 相 反 的 功 能 响 应 (Dröge 2002) 大 量 的 科 学 数 据 证 实, 氧 化 应 激 影 响 MAPK 信 号 通 路 研 究 表 明, 不 同 的 ROS 水 平 激 活 不 同 的 MAPK 通 路 ( 图 4) 低 水 平 的 ROS 激 活 ERK 介 导 的 MAPK 通 路, 细 胞 增 殖 分 化 或 存 活 中 等 水 平 ROS 激 活 应 激 信 号 JNK 或 p38 介 导 的 MAPK 通 路, 细 胞 存 活 或 凋 亡 高 水 平 ROS 引 起 细 胞 凋 亡 或 坏 死 ROS 可 以 用 剂 量 依 赖 的 方 式 增 加 Akt 的 磷 酸 化, 促 进 PI-3K 的 迅 速 激 活, 激 活 NFκB The distinct properties between O 2 and H 2 O 2 and their different sites of distribution mean that different species of ROS can activate different signaling pathways, which lead to divergent, and potentially opposing, functional responses (Dröge 2002). An abundance of scientific literature exists demonstrating that oxidative stress influences the MAPK signaling pathways (McCubrey et al. 2006). It has been shown that different ROS levels activate different MAPK pathways (Fig. 4), that is, low level ROS activates ERK mediated MAPK, a signal for proliferation, differentiation or survival, moderate level ROS activates the stress signals JNK or p38 mediated MAPK, which leads to cell survival or apoptosis, and high level ROS leads to cellular apoptosis or necrosis (Bladier et al. 1997, Owuor et al. 2002). ROS also increased phosphorylation of Akt in a dose-dependent and promoted rapid activation of PI-3K( Zhuang et al. 2003, Venkatesan et al. 2007), and activated NFκB (Dröge 2002). 受 体 激 活 可 以 产 生 ROS,ROS 的 扩 散 寿 命 很 短 ROS 在 恰 当 的 亚 细 胞 器 定 位 是 激 活 特 定 的 氧 化 还 原 信 号 的 所 必 需 的 MIL 诱 导 的 ROS 是 一 种 广 泛 发 现 的 局 部 信 号 Wu S 等 人 (2007) 研 究 了 中 等 强 度 He-Ne 激 光 (MHNL)(200 mw/cm 2 ) 对 ASTC-a-1 细 胞 的 凋 亡 作 用, 发 现 ROS 在 线 粒 体 中 产 生,MHNL 照 射 后 60 分 钟 达 到 最 高 峰 Zhang J 等 人 (2008) 用 FRET 研 究 了 MHNL (64.4 mw/cm 2 ) 对 HeLa 细 胞 中 Src 的 激 活 作 用, 发 现 这 种 激 活 也 是 由 ROS 直 接 介 导 的 ROS may be produced in response to receptor activation. However, given that ROS are diffusible and short-lived, localizing the ROS signal at the precise subcellular compartment is essential for stimulation of specific redox signaling. As a kind of localized ROS signal, MIL induced ROS production has been directly found in PBM. Wu S et al.(2007) have studied the apoptotic effect of moderate intensity He-Ne laser irradiation (MHNL) (200 mw/cm 2 ) on ASTC-a-1 cells, and found immediate generation of mitochondrial ROS following MHNL, reaching a maximum level 60 min after irradiation. Zhang J et al.(2008) use FRET to visualize the dynamic Src activation in HeLa cells immediately after irradiated with MHNL (64.4 mw/cm 2 ), and found that it was ROS that mediated MHNL induced Src activation. 一 个 以 色 列 小 组 研 究 了 177 mw/cm 2 的 MHNL 对 小 鼠 骨 骼 肌 卫 星 细 胞 pmi28 或 i28 的 PBM MHNL 影 响 5% 马 血 清 中 培 养 的 pmi28 细 胞 增 殖, 剂 量 依 赖 满 足 钟 形 曲 线 4, 峰 值 照 射 时 间 为 3 秒 静 息 的 i28 细 胞 剥 夺 新 生 牛 血 清 (NCS) 36 小 时 会 引 起 细 胞 凋 亡, 但 这 个 过 程 可 以 被 3 秒 MLHN 照 射 变 为 增 殖, 其 信 号 转 导 通 路 为 PI-3K/Akt 和 Ras/Raf/ERK 10 秒 MHNL 照 射 5% 马 血 清 培 养 的 细 胞 的 DNA 合 成 低 于 对 照 组, 可 能 是 所 产 生 的 ROS 水 平 太 高, 引 起 了 细 胞 凋 亡, 这 个 现 象 支 持 PBM 是 由 ROS 介 导 的 An Israel group has studied the effects of MHNL at 177 mw/cm 2 on mouse skeletal muscle 4 钟 形 曲 线 : 剂 量 依 赖 满 足 (2) 式, 随 着 时 间 的 增 加,PBM 线 性 增 加, 达 到 峰 值 后,PBM 线 性 下 降

20 satellite cells, pmi28 (Ben-Dov et al. 1999) or i28 (Shefer et al. 2001&2003). The MHNL affected pmi28 proliferation in 5% horse serum in a bell-shaped manner 5, with a peak at 3 s of irradiation (Ben-Dov et al. 1999). The 3 s-mhnl drives quiescent i28 cells after 36 h newborn calf serum (NCS) deprivation into the cell cycle and enhances their proliferation via the PI3K/Akt and Ras/Raf/ERK pathways (Shefer et al. 2001&2003). The ROS mediated mechanism of the MHNL effects is supported by the phenomenon the thymidine incorporation of the group irradiated for 10 s in 5% horse serum was significantly lower than the one of the control (Ben-Dov et al. 1999), which shows the 10 s-mhnl might induce pmi28 apoptosis. Schieke 等 人 (2002) 用 333mW/cm 2 的 (MIL) 短 波 红 外 (IRA) nm 照 射 人 真 皮 成 纤 维 细 胞 1 小 时, 发 现 基 质 金 属 蛋 白 酶 1 表 达 增 加, 其 信 号 通 路 为 MAPK/ERK1/2 p38 MAKP 也 被 激 活, 但 不 介 导 基 质 金 属 蛋 白 酶 1 的 表 达, 这 可 能 是 MIL 长 期 照 射 所 产 生 的 较 高 水 平 的 ROS 启 动 的 MAPK 的 应 激 信 号 通 路 Miyata 等 人 (2006) 用 231mW/cm 2 的 GaAlAs 半 导 体 810nm 激 光 (MIL) 照 射 牙 髓 细 胞 90 秒, 发 现 MIL 激 活 了 MAPK/ERK 通 路, 但 没 有 激 活 p38 MAPK 和 JNK 通 路 Schieke et al. (2002) have found 60 min exposure of cultured human dermal fibroblasts to infrared A (IRA) ( nm) at 333 mw/cm 2 (MIL) induced the expression of matrix metalloproteinase 1 at the mrna and protein level via activation of MAPK/ERK1/2. p38 MAKP was also activated but did not mediated expression of matrix metalloproteinase 1 (Schieke et al. 2002), which might be due to the long radiation time so that the ROS activates the stress signals. Miyata et al. (2006) have studied the effects of a GaAlAs semiconductor 810 nm laser 90 s-irradiation at 231 mw/cm 2 (MIL) on human dental pulp-derived fibroblast-like cells (dental pulp cells) obtained by primary culture of human dental pulp tissues from extracted third molar teeth, and found the MIL activated MAPK/ERK, but did not activate the stress signals p38 MAPK and JNK in human dental pulp cells. UVA 照 射 引 起 ROS 的 增 加 和 MAPK 的 激 活 低 剂 量 MIL 和 高 剂 量 MIL 分 别 激 活 MAPK/ERK 和 p38/jnk MAPK 40~44 mw/cm 2 的 UVA (360~400 nm) 照 射 人 的 皮 肤 成 纤 维 细 胞 (human skin fibroblasts, HSFs) 大 约 12 分 钟, 所 激 活 的 MAPK 与 单 线 态 氧 1 6 O 2 对 MAPK 的 激 活 是 相 似 的,p38 和 JNK 被 短 暂 激 活, 但 ERK 不 受 影 响 UVA 诱 导 的 p38 的 磷 酸 化 被 单 线 态 氧 清 除 剂 所 抑 制, 但 不 受 羟 基 自 由 基 清 除 剂 的 影 响 因 此,UVA 的 PBM 是 由 单 线 态 氧 所 介 导 的 用 自 由 基 清 除 剂 预 处 理 黑 素 细 胞, 则 0.2 mw/cm 2 的 UVA(365 nm) 照 射 500 秒 所 激 活 的 ERK 通 路 被 抑 制 在 UVA 照 射 的 黑 素 细 胞 中, 没 有 发 现 DNA 损 伤, 这 说 明 ERK 的 活 化 来 自 ROS 作 用 的 上 游 或 者 酪 氨 酸 激 酶 受 体, 而 不 是 来 源 于 DNA 损 伤 对 于 NCTC 2544 角 化 细 胞,4 mw/cm 2 的 UVA 分 别 照 射 和 100 分 钟 可 以 诱 导 激 活 蛋 白 1 的 激 活, 这 个 激 活 是 由 ROS 激 活 的 MAPK/ERK 介 导 的 UVA exposure is associated with increased production of ROS and MAPK activation (Bode et al. 2003). Low-dose MIL and high-dose MIL activated MAPK/ERK (Yanase et al. 2001, Djavaheri-Mergny et al. 2001) and p38/jnk MAPK (Klotz et al. 1999), respectively. The effects of UVA ( nm) at mw/cm 2 and 12 min and singlet oxygen 1 O 7 2 are similar in their activation of MAPKs in human skin fibroblasts (HSFs) (Klotz et al. 1999). In this study, the 5 Bell-shaped manner: Eq. 3 holds. PBM linearly increases and decreases with radiation time before and after the peak, respectively 6 通 常 的 氧 气 的 能 量 较 低, 有 两 个 电 子 是 自 旋 平 行 的 单 线 态 氧 的 能 量 较 高, 属 于 ROS 7 The ground state of oxygen is a triplet state with two unpaired and parallel electron spins. The singlet oxygen is its excited stated and a kind of ROS.