研究簡介：本研究探討了采用平頂手具的808納米激光療法對草履蟲線粒體活動的光生物調節作用。草履蟲作為一種非感知模型生物，因其短細胞周期、遺傳同質性以及與動物細胞相似的細胞器結構，成為研究光生物調節效應的理想對象。研究重點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）對草履蟲線粒體呼吸鏈活動的影響，通過測量氧氣消耗和ATP合成來評估其效應。實驗中，草履蟲在特定培養條件下生長，并在自交階段被用于實驗。


使用808納米連續波激光和平頂手具對草履蟲進行照射，照射參數包括多種能量密度和功率組合。結果顯示3 J/cm2-100 mW和64 J/cm2-1 W的激光照射顯著增加了草履蟲的氧氣消耗和ATP合成，表明線粒體呼吸鏈活動的增強。然而64 J/cm2-100 mW和64 J/cm2-2 W的照射則抑制了細胞呼吸，并導致ATP濃度降低。此外1 J/cm2-100 mW、1 W和3 J/cm2-1 W的照射對線粒體活動無顯著影響。這些結果表明，高能量密度和高功率激光的組合比低能量密度和低功率激光更有效地促進草履蟲線粒體的呼吸鏈活動。


研究還發現，平頂手具能夠在短時間內提供均勻的能量密度，使得高功率激光成為一種有效且非侵入性的療法。此外實驗結果表明，即使在15°C的水中進行照射，以控制溫度變化，也能觀察到類似的生物效應，這表明激光的生物調節作用可能與溫度變化無關，而是通過非熱機制實現的。本研究揭示了高能量密度激光療法在調節草履蟲線粒體活動方面的潛力，并強調了平頂手具在提供均勻能量密度方面的重要性。這些發現為光生物調節在生物醫學應用中的進一步研究提供了新的視角，并提示高能量密度激光可能在治療效果和照射時間上具有優勢。


Unisense微電極系統的應用


Unisense氧氣微呼吸電極被用于測量草履蟲（Paramecium primaurelia）的氧氣消耗。測量在24°C的封閉微呼吸腔室中進行。高精度地測量草履蟲在不同激光照射條件下的氧氣消耗量。通過測量氧氣消耗的變化，能夠直觀地觀察到不同激光參數（能量密度和功率）對草履蟲線粒體活動的影響。


實驗結果


808納米、64 J/cm2-1瓦的激光療法比808納米、3 J/cm2-100毫瓦更能有效提升草履蟲線粒體呼吸鏈活性，且該效應不受約3℃溫度變化的影響。平頂手具能夠在短時間內以高功率(1瓦)和高能量密度(64 J/cm2)在目標表面上實現均勻的能量密度分布。能量密度本身并不影響草履蟲的細胞呼吸，而是激光功率與照射時間之間存在精確關系。通過平頂手具照射，高功率激光的高能量密度可被視為一種有效且非侵入性的療法。未來研究應比較相同參數下高斯光束手具的效果。本研究結果表明，高能量密度激光療法不僅能夠有效調節草履蟲的線粒體活動，還可能在生物醫學應用中具有潛在價值，例如在治療慢性疼痛等方面。

圖1、低和高能量密度照射對草履蟲無菌生菜培養基溫度的影響。橫坐標顯示808納米二極管激光照射使用的能量密度(J/cm2)和激光功率(W)。虛線表示對照組的溫度，黑色和灰色線條分別顯示在室溫(24℃)或15℃水接觸條件下照射的培養基溫度。通過星號標記表示與對照組存在顯著差異的數值。

圖2、低和高能量密度照射對草履蟲氧消耗量的影響，分別以μmol O2(a)和相對于對照組的百分比(b)表示。照射參數[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。通過星號標記表示與對照組存在顯著差異(P<0.05，Student-Newman-Keuls多重比較檢驗)的數值。

圖3、低、高能量密度照射對草履蟲內源性ATP合成的影響，分別以nmol ATP/mg蛋白(a)和相對于對照組的百分比(b)表示。照射參數[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。通過星號標記表示與對照組存在顯著差異的數值。

圖4、高通量輻照對鸚鵡螺耗氧量和內源性ATP合成的影響。圖中指出了輻照的調節作用，而沒有解除線粒體呼吸鏈的耦合直徑。


結論與展望


光生物調節被認為是一種非線性過程，通常認為只有低強度激光療法(LLLT)能夠刺激暴露的細胞，而高功率激光和高能量密度則可能產生負面影響，因過度的光子刺激耗盡細胞的能量儲備。在本研究中研究人員使用新型平頂手具，研究并比較了808納米二極管激光(連續波)的效果。為此研究人員測試了由100毫瓦或1瓦激光功率產生的1 J/cm2和3 J/cm2能量密度，以及由100毫瓦、1瓦、1.5瓦或2瓦激光功率產生的64 J/cm2能量密度對草履蟲的氧消耗和ATP合成的影響。數據顯示，3 J/cm2-100毫瓦或64 J/cm2-1瓦的照射導致草履蟲氧消耗增加，同時伴隨ATP合成的提升。Unisense微電極分析系統在本研究中發揮了不可或缺的作用，為評估激光療法對草履蟲線粒體活動的影響提供了精確的氧氣消耗數據。而64 J/cm2-100毫瓦或64 J/cm2-2瓦的能量密度會抑制草履蟲的呼吸作用，并導致內源性ATP濃度下降。1 J/cm2-100毫瓦或1瓦以及3 J/cm2-1瓦的照射對線粒體活性無顯著影響。結果表明64J/cm2-1瓦的能量密度比3 J/cm2-100毫瓦更能有效提升草履蟲線粒體呼吸鏈活性。本研究揭示了高能量密度激光療法在調節草履蟲線粒體活動方面的潛力，并強調了平頂手具在提供均勻能量密度方面的重要性。這些發現為光生物調節在生物醫學應用中的進一步研究提供了新的視角，并提示高能量密度激光可能在治療效果和照射時間上具有優勢。