激光的生物学作用

激光是激光工作物质的原子、分子体系内通过受激辐射过程产生的光。受激辐射是指处在较高能级的原子或分子，在外界特定频率光子激发下，被迫辐射特定频率的光子，结果光子数被放大。产生激光的装置称为激光器。早在1917年爱因斯坦就在理论上证明受激辐射是辐射与物质相互作用中的一种必要过程，但是在实验上直到1960年7月方由Maiman制成了世界上第一台红宝石激光器。1961年红宝石激光首先用于治疗视网膜裂洞。我国医学界于1965年开始研究激光的生物学作用和医学应用，目前已用于临床各科治疗150多种疾病。
就光的波长而论，激光和普通光是相同的，只是激光具有光谱纯、相干性好、平行性和高强度等特点。光谱纯是指激光是单色光。相干性好是指光场中任意两点在时间和空间上都有确定的振幅关系和位相关系。激光具有和普通光相似的生物学作用，由于它的高强度和平行性，通过光学系统聚焦可大大提高激光强度，使生物学作用更显著。激光的生物学作用与其波长、强度、和生物组织对激光的反射、吸收、热传导有关。在近紫外、可见光和近红外光谱区，生物组织的颜色对激光具有选择性吸收。激光辐射被生物组织吸收后，一般认为有热、压力、光和电磁场等四种效应。
激光生物效应 (1) 热效应： 可见光与红外光谱区的长脉冲激光和连续波激光与生物组织相互作用时，引起生物物质变化的主要机理是热。热效应与曝光范围和持续时间有密切关系，Henrigkes和Moritz研究了组织曝光后温度上升到70℃的时间——温度曲线(图1)表明，皮肤对于极短时间的曝光能抵抗短暂的温升，较短时间曝光，曲线呈对数变化。例如曝光时间大于10s，体温从37℃上升到58℃，升高了21℃，便产生细胞破坏。如果曝光持续时间小于1s，温度即使上升到70℃，组织也能抵抗热的

图1 组织破坏作为时间和温度的函数（点区示组织破坏）

破坏作用。热效应是激光致伤的最重要的因素，组织破坏是由于细胞蛋白质变性的结果。激光损伤区与正常组织的界缘十分清楚，这是由于激光脉冲时程短，瞬间释放的热来不及扩散到受照射部位以外，以及生物组织的热传导差之故。但是，在激光辐照以后，由于继发变化，如炎症渗出，出血，再生等，可使原初清楚的损伤界缘变得模糊。
(2) 压力效应： 普通光的光压是微不足道的，然而聚焦激光束焦点上的能量密度达到10¹⁶W/cm²时，产生的光压约为40g/cm2，这将给生物组织造成相当可观的一次压力作用。聚焦激光束焦点上的能量，在短时间中转换成热能，且伴随有受照射面上物质的蒸发，组织热膨胀和组织液从液相向气相转变等现象。这些物理变化产生的压力作用，称为二次压力作用。由这种作用产生的冲击波是致伤的另一原因。冲击波在组织中以超声速运动，在组织中产生空穴现象，引起组织破坏。Goldman指出脉冲时程50ns的Q开关激光产生的冲击波压力可>10⁶个大气压。实际上激光热效应十分局限，而由压力效应引起的组织损伤则可波及受照远离部位。例如用红宝石激光照射小鼠头部时，发现头皮轻度损伤，颅骨和大脑硬膜并无损伤，而大脑本身大面积出血，甚至死亡。
(3) 光效应：生物组织具有一定的着色度，能选择性吸收300～1000nm光谱。存在于生物体内的色素有：黑色素和类黑色素、血红蛋白、胡萝卜素、铁质，其中黑色素对激光能量的吸收最大。还原血红蛋白在556nm，氧合血红蛋白在415、542、575nm处有清楚的吸收带，胡萝卜素吸收带在480nm处，黑色素和类黑色素在400～450nm波段吸收最强。无论是正常细胞还是肿瘤细胞，在细胞质和细胞间有许多黑色素颗粒，这些色素颗粒吸收激光能量即成为一个热源，其热量向周围传导和扩散，引起周围组织细胞损伤。
(4) 电磁场效应： 聚焦激光束在焦点上的激光功率密度可达到10⁶W/cm²，相当于103V/cm的电场强度，可在焦点部位上引起组织离化。现在，Q开关脉冲激光器的功率输出远远大于这个数量级。强电磁场与生物分子的直接作用会产生激发、振动、热和自由基等效应，从而引起组织损伤。用电子自旋共振可测得激光束辐照黑色皮肤和黑瘤等组织所产生的自由基。
激光对生物大分子的作用 用近紫外、可见光和近红外光谱的激光束辐射无色生物大分子，一般不引起明显的变化，若用光敏染料 （如亚甲蓝等） 给大分子人工着色，相同的激光能量就可引起大分子明显变化。例如用波长为6328Å的氦-氖激光和波长为6943Å的红宝石激光辐照色氨酸无色溶液，或α-糜蛋白酶溶液，色氨酸或α-糜蛋白酶不发生变化； 若用亚甲蓝着色，用相同激光辐照着色的色氨酸，则引起色氨酸典型的紫外吸收光谱的变化，辐照着色的α-糜蛋白酶，则酶失活。用上述激光辐照核酸的研究中发现，激光分别辐照培养细胞和离体的核酸制备液，结果是不一样的，这是由于在活细胞中存在生物色素，核酸制备中没有色素，由于吸收的激光能量不同，引起的结果也就不一样。
激光对细胞的作用 在激光辐射细胞效应研究中，人们感兴趣的是激光、显微镜系统，激光束被聚焦成1μm或更小的光斑，这在研究细胞器时特别有用。
细胞内色素颗粒对光能具有选择性吸收，被吸收的激光能量在色素颗粒上积聚，成为热源，并很快地将热向四周扩散，引起细胞破坏。因此，细胞颜色的深浅和细胞内色素颗粒的多少都能影响激光效应。细胞内含有5个以下的色素颗粒时，用激光辐照几乎不受损伤，但色素颗粒含量在20个以上时，细胞便被完全破坏并死亡(图2)。

图2 激光束照射，细胞内的色素颗粒数和细胞死亡百分比的关系

因此，黑人皮肤，人视网膜色素上皮，黑痣，黑瘤等都可以用红宝石激光破坏；而白人的皮肤，小白鼠肺的纤维母细胞等在相同条件下几乎看不出什么变化。红宝石激光辐照使藻类细胞核膜起皱时，还发生了单个核仁变得透明的现象。用单脉冲强度为9.5J/mm2的聚焦红宝石激光束辐照亚甲蓝染色的变形虫，能将细胞核排出。重复辐照未染色的细胞核，能使其产生不可逆的损伤。用强度为1.2J/mm²的聚焦红宝石激光单脉冲辐照一种绿藻的细胞质，能使其环流停止数分钟，重复辐照可使细胞质胶凝延长。用烟鲁绿B给上皮细胞和成纤维细胞染色后，再用红宝石激光微光束辐照细胞，于电镜下发现线粒体受到轻微损伤的细胞，在辐照后4小时才得到恢复，受到中等损伤的线粒体可在细胞内蒐集在一起，受到严重损伤的线粒体，线粒体的嵴消失，此种细胞大多在辐照2小时后死亡。
用530nm的未聚焦激光脉冲，辐照新生小鼠脑新鲜制备的脑细胞悬浮液，细胞呼吸受到抑制，耗氧量下降30～40%。分析实验结果，绿色激光辐照的细胞悬浮液中，除细胞色素b外，所有细胞色素都被氧化，这意味着在电子传递的顺序中，细胞色素c+c1没有起到电子受体的作用。虽然细胞悬浮液中有氧供，但细胞色素b仍处于还原状态，这表示没有一个电子被传递。用强度为9.5J/mm²的聚焦红宝石激光单脉冲辐照变形虫的细胞核或细胞质，受辐照变形虫的有丝分裂速率下降了45%。细胞分裂受到阻滞的原因，可能是激光能量的热作用使线粒体中的蛋白质和类脂质变性，因而细胞分裂所必需的酶系统的供能和RNA代谢等都因这种变性而减少。
激光对眼和皮肤的作用 迄今激光对生物组织和器官作用的研究中，大部分研究工作是激光对眼和皮肤的损伤作用。
紫外波段激光只损伤眼的浅层，引起角膜炎。眼晶状体可透过380nm以上的紫外线，比这个波长短的紫外线可被晶状体强烈吸收。 氮分子激光的波长为3371Å，紫外氦-镉激光的波长为3250Å, 这二种激光对晶状体的损伤作用发生在晶状体前囊和前皮质层，呈现灰白色不可逆损伤，而对角膜为可逆的损伤。
近红外和可见光波段激光大部分透过眼的屈光系统，达到眼底。色素上皮较薄，只能吸收部分光能，大部分将进入脉络膜。视网膜和脉络膜的色素颗粒吸收这个光谱范围的激光能量以后，不再辐射出来，可能通过非辐射过程转化为热，而对组织加温产生热损伤。氩离子激光的4880和5145Å谱线造成相同的视网膜效应， 使用极小能量时，损害小而呈灰色；使用较大能量时，损害变大，并有视网膜下出血；更大能量时可引起视网膜爆炸性破裂，血液从视网膜下间隙流入玻璃体内，以后发生色素性变化，表示有致密的脉络膜视网膜疤痕形成。较大能量的Q开关红宝石激光可引起视网膜爆炸，视网膜组织破裂和大量眼内出血，出血发生在损害的中央，是由于Bruch氏膜破裂引起脉络膜微血管出血，散布到玻璃体内的出血呈蕈状。钕激光波长为1.06μm，对兔眼视网膜的损害呈现为灰色圆盘状凝固和色素上皮分散的现象，数天内发生色素沉着，组织学检查表明激光主要作用于色素上皮，较大能量才引起视网膜本身的真正破坏性变化。
水对10.6μm波长的二氧化碳激光吸收很强。由于组织的主要成份是水，因此眼屈光系统对二氧化碳激光不透明，损伤作用表现在角膜浅层，低功率二氧化碳激光(500mw)辐照兔角膜，造成角膜表面呈毛玻璃状溃疡，不透明。
皮肤是一不均匀系统，其外面是一层较干燥的角质细胞，上皮细胞含有色素颗粒，并且皮肤各处的色素颗粒浓度相差很大。上皮下是富有血管的结缔组织，其中有许多小的汗腺和皮脂腺。在激光对皮肤作用的研究中发现，用远低于产生表面损伤的能量级，在毛囊中已看到变化。这现象是由于毛囊中集中较多的黑色素，这些黑色素起着强大的热源作用。
激光引起活组织的损伤类似于非特异性的组织坏死。坏死区以外，黑色素颗粒周围的蛋白质出现气泡，靶区血管数减少和血栓形成。上皮细胞中未见糖元颗粒减少，碱性磷酸酶的研究未见血管壁的特异变化。用红宝石和钕脉冲激光、氩离子和二氧化碳连续波激光辐照组织，没有发生变态成纤维细胞、动脉内膜炎、毛细血管扩张或恶性变。因此，这与X射线皮炎的效应不同。