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激光发展对生命科学的重大影响

互联网2011年2月24日 13:03 点击:1101


从第一台激光器诞生到现在激光技术的发展和应用突飞猛进。激光之所以倍受瞩目,其根本在于他与普通光 相比有四大特点:第一,单色性好,如单模氦-氖激光器发出波长为6328的激光,其谱线宽度小于1E-7;第二,方向性 好;第三,亮度高,其亮度远高于太阳;第四,相干性好,其相干长度可达数十公里,而最好的普通光的相干长度只有数十厘米。

正因为如此,激光在细胞学,胚胎学,遗传学,肌肉动力学,生物工程,医学与医学工程等生命科学领域中得到越来越广泛的应用。激光同生命科学的结合大致可分为激光生物效应,激光生物技术和激光医学。

激光生物效应泛指激光作用于生物体所能产生的物理,化学或生物学的反应。可分为激光生物热效应,光化效应,机械效应,电磁场效应,刺激效应等。利用其热效应,我们可以对生物组织进行气化,切割,热杀,热敷,热致光强。利用其光化效应,可引起生物体内的化学反应,如光致离解。激光电磁场效应指激光作为电磁波,是在时间和空间上变化的电磁场,而生物体作为介质具有电导和电容,在激光电场作用下会发生一些变化,如电致伸缩,受激布里渊散射激光刺激效应指低强度的弱激光作用生物体所产生的现象,如刺激细菌生长,消炎,镇痛等。

激光生物技术是在激光生物效应基础上发展起来的新技术。这是下面要着重谈到的一个重要方面。

激光医学包括激光诊断和检测以及激光医疗两大类。这也是与我们生活所密切联系的一片面。近几年来兴起的激光治疗近视就属于这一方面。

治疗光角膜矫正术是通过激光手术改变角膜的曲率,从而来改变眼球的屈光度,以达到治疗近视的目的。当然,这对激光是有很高的要求。首先,所用的激光必须能被角膜几乎全部吸收,以防止激光穿透角膜损伤眼内其它组织。它要求波长小于300mm的准分子激光和波长在1.88-2.04mm,2.36-40mm的中红外激光。其次,要尽可能减少对角膜造成的热损伤。这要求激光密度不能太高(对于准分子激光为200mj/cm ^2,对于中红外激光为1-2mj /cm^2),也不能太低,否则时间过长也不利于治疗。

激光对近视的治疗是激光医学的一大进步。而激光的作用远非如此,它对基因工程和细胞工程都有着重要的意义。

DNA是遗传信息的载体,细胞传代时,DNA必须忠实地复制才能使子细胞喊含有相同的遗传信息,从而保持物种的稳定。那么,激光在这方面有什么作用呢?科学界都希望能控制DNA,而控制和操作DNA的关键在于开发光学捕捉机,既利用高度聚集的激光束来清除塑料小球和其他颗粒及其操作微小物体的相关技术。通过将微小球体连接在一条DNA键的任何一端并且操作激光束,研究者可以监测分子的机械学,从根本上了解DNA在伸展和扭曲时能承受多大力。而在这一领域的发展使我们可以用激光控制DNA的复制,既控制DNA解旋。另外,我们可以利用弱激光通过相关成像技术,和激光能承载信息,清晰获得DNA的基因信息。这是激光生物技术方面。这门新技术已经 取得了不少研究成果,例如:激光外源导入基因法使基因转化,利用激光辐照使染色体突变等;在这方面我国已取得不少成果,如:1988年中国科技大学用激光在蚕卵上打孔,植入染色质引起变异。

激光在上的引用更为突出,它可以导致细胞融合,线粒体瓦解等。细胞工程,就是应用生物学和分子生物学的方法,在细胞水平进行的遗传操作。近来,激光技术可以根除脑瘤。它是将一种药物注射入体内,使其附着在脑瘤上,再用激光照射,使药物发生反应,反应的分子切断对脑瘤细胞的供血,再将其切除。由于药物是附着在瘤细胞上的,故而药物的细胞破坏作用限制在一定范围内,精确得到控制。

这使我们不禁想到能否用激光消灭细胞内的病毒。就我对一些资料的分析和思考,我认为这是完全做的到的。这可先从病毒侵入细胞内的方式谈起。

病毒侵入细胞有三种方式,而最主要的一种是病毒在胞饮 作用下进入细胞内,从利用激光消灭脑瘤细胞,可以联想,我们能否利用相关技术消灭细胞内的病毒呢?理论上是可以的。各种动,又有其不同的特性,归根到底是它们有着不同的DNA。既然激光可以控制D不同类型的病毒NA的运可以获悉DNA的基因信息,就完全能透悉病毒的不同特性。然后,我们可以对症下药,研制出相关药物,并使其进入细胞内 ,于是药物便可附着在病毒上。再用激光照射,使药物发生作用,切断病毒与细胞的联系,将病毒孤立起来。接着,药物便可发挥药效,把病毒清除。

另外,我们也可以利用细胞的胞吐作用使病毒先退出细胞外,再结合药物治疗,从而达到消灭病毒的目的。激光既然可以通过小球来控制DNA的机械运动,就一顶可以很简单的控制液泡的机械运动。具体说来,就是用激光将包有病毒的液泡拉到细胞膜上,再通过胞吐作用,把病毒排到胞体外。

我之所以说以上两种方法可行,是因为某些技术难题以得到初步解决。激光要制细胞内的液泡,必须得先进入细胞内,这可以利用电穿孔法加以实现。电穿孔法的基本原理是利用新鲜分离的原生质在高压脉冲作用下在质膜上形成可逆的瞬间通道。这原本是用于DNA的提取,在这里我们可以用它结合光纤的导光性,将激光导入细胞内。也许有人担心细胞膜会破裂,其实这种担心是多余的。因为细胞膜有很强的韧性,况且用于导光的光纤可以做的非常细。另外,近来发展出来的激光愈合技术也可以消除人们的疑虑。它是将强性蛋白与伤口附近的组织结合起来,在红外光的照射下可直接融入伤口。当然,这主要用与外科,但进一步发展下去,完全可以用于细胞尺寸的组织。然而,在第一种消除病毒的方法种,关键在于如何使药物很好的附着在病毒上,而不损害细胞内其他物质。解决这一问题的前提是很好的了解病毒的特性,我们需要利用病毒不同于细胞内其它组织的特性制造出相应的药物,使着种药物对病毒有“吸引”作用,与细胞内其他组织不“相融”,从而将药物控制在一定范围内,只对病毒起作用,而不损伤其他组织结构。

当然,利用激光消灭病毒仍然有一些技术难题。比如说,如何利用激光技术清晰地获得病毒DNA的基因情况,如何寻找最有效的药物?不过,随着激光技术的发展,这些问题必然会一一得到解决。

(来源: 互联网 )


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