中国医学科学院生物医学工程研究所, 天津 300192
非侵入性激光照射可以诱导细胞和组织的光生物调节效应。光生物调节(PBM)应用广泛, 特别是在抗微生物感染和改善炎症方面有着很好的效果。然而, 研究发现, PBM对细菌和炎症有双向调节现象, 抗菌-促菌和抑炎-促炎在不同的试验条件下会发生变化。近些年来, PBM的临床应用受到越来越多的关注, 特别是在抗菌领域, 因为它是一种无创的策略, 禁忌症少。然而, 由于双向调节效应, 研究人员仍然对PBM的应用方式存疑, 必须根据其临床应用进行光照波长、剂量等参数的修改。因此, 本文总结了PBM对细菌的双向调节效应, 分析了这种双向调节效应产生的影响因素及其分子机制。PBM对细菌的双向调节作用受光照波长、剂量、细菌类别及细菌状态的影响。更好地了解低强度激光治疗中双向剂量反应的程度能够探索PBM使用的最可靠机制, 并最终使各种疾病患者的治疗标准化, 这对于优化临床治疗是必要的。此外, 研究人员对PBM双向调节机制的合理利用使其可以达到促进或抑制细菌生长的作用, 这在微生物制造、菌群调节、改善和治疗疾病等领域有广阔的应用前景。
光生物调节 双向调节 分子机制 肠道菌群 抗菌-促菌 photobiomodulation bidirectional regulatory molecular mechanism intestinal flora antibacterial-promoting bacteria
中国医学科学院生物医学工程研究所激光医学实验室，天津 300192
细菌是人类最常见的致病源之一，不仅严重危害人类健康和公共卫生安全，还带来了巨额的医疗支出。快速而准确的细菌检测对细菌感染的治疗具有重要的意义。光谱检测方法不但可以快速实时地获得细菌的分类、含量以及功能状态等信息，而且具有操作简单、非侵入性的优势，在细菌检测领域具有巨大的潜力。本文介绍了拉曼光谱、太赫兹光谱、可见光和近红外光光谱、荧光光谱在细菌检测方面的研究与应用，并对可见光和近红外光光谱的分子机制——光靶点，包括含有视网膜发色团的细菌视紫红质（ CBCRs）、带有四吡咯发色团的拟菌植物色素、带有对香豆酸发色团的光活性黄蛋白（ PYP）、带有黄素单核苷酸（ FMN）的光氧压力（ LOV）结构域、带有黄素腺嘌呤二核苷酸（ FAD）发色团的隐色剂和含有 FAD的蓝光感应域等进行了阐述。最后，针对现有细菌光谱检测技术的优缺点提出了细菌检测技术的优化策略，希望对细菌的光谱检测研究提供帮助。
细菌感染 光谱检测 拉曼光谱 可见光和近红外光谱 光靶点 bacterial infection spectral detection Raman spectroscopy visible light and near-infrared spectroscopy optical target
1 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所, 天津 300192
2 安徽恩迪亚智能科技有限公司, 铜陵 244199
光学参数如波长、功率密度、照射时间等可显著影响光疗的杀菌效果。本研究旨在探索LED光疗抑制口腔细菌增殖的最佳光学参数, 为临床口腔细菌感染性疾病的光学治疗提供参考。将粪肠球菌(Enterococcus faecalis)和牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis)菌液接种于96孔板中, 用峰值波长为405 nm和455 nm的自制LED光源, 以10 mW/cm2和40 mW/cm2的功率密度, 在能量密度9.6～33.6 J/cm2的范围内对其进行光照, 30?min后以活死菌荧光染色或平板涂布法检测光疗杀菌效果。结果发现: 405/455 nm波长LED光照对两种厌氧菌均有显著的杀伤效果; 牙龈卟啉单胞菌在波长为405 nm、功率密度为40 mW/cm2、光照能量为33.6 J/cm2的LED光照下达最大抑菌率(96.05±1.80)%; 粪肠球菌则在波长为405 nm、功率密度为10 mW/cm2、光照能量为33.6 J/cm2时达到最佳抑菌效果(97.64±2.31)%。研究表明, 适宜的光学参数可使LED光照对口腔常见致病菌产生显著的抑菌效果。在本研究条件下, 波长为405 nm、照射剂量为33.6 J/cm2的参数组合效果最佳。
LED光疗 内源性光敏剂 粪肠球菌 牙龈卟啉单胞菌 口腔感染 LED phototherapy endogenous photosensitizer Enterococcus faecalis Porphyromonas gingivalis oral infection
1 中国医学科学院生物医学工程研究所，天津 300192
2 天津医科大学总医院消化内科，天津 300050
胃癌是我国主要的致死癌症之一，大部分患者发现时已处于进展期，如果能通过大规模筛查在早期发现胃癌，则可大大提高患者生存率。制约我国胃癌大规模筛查的障碍有二，其一是内镜的侵入性高，患者接受度低，其二是我国内镜医师相较于庞大的人口数量严重短缺。第一个障碍可通过胶囊内镜机器人得到缓解，第二个障碍则有望通过人工智能技术解决。将领域前沿的Big Transfer（BiT）技术迁移到一个小样本的早期胃癌内镜图像数据集上，构建了基于白光内镜图像的早期胃癌分类识别模型。在实现迁移过程中，对BiT的超参数调整规则进行了本地化适配，根据GPU内存的限制，选择了单批次数量；利用线性缩放规则，根据单批次数量动态调整了优化算法的初始学习率；固化小型目标数据集上的训练图像总量为256000张，在此基础上设置了迁移学习的其他超参数。对多个模型进行实验，所有模型的结构均为ResNet-v2，只是深度和宽度不同。最佳模型的深度为101，宽度为初始结构的3倍，在测试集上的准确率为97.14%，F1分值为94.77%，敏感度为90.67%，特异度为99.73%。此外，结果表明，单批次数量对模型训练效果的影响不具有显著的统计学差异。所提模型通过对BiT进行本地化适配，成功地在小规模内镜图像数据集上实现了较大模型的迁移，这将会促进大模型技术在内镜图像分析领域的应用，从而有助于早期胃癌大规模筛查的实现。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617028
1 中国医学科学院，北京协和医学院生物医学工程研究所，天津 300192
2 首都医科大学附属北京友谊医院，北京 100050
3 中国医学科学院，北京协和医学院北京协和医院，北京 100730
本研究的目的在于获得Nd∶YAG激光在血液中传播的几何尺寸损耗与血液厚度的关系，从而获得适用于Nd∶YAG激光在血液中传播的修正朗伯比尔定律的准确表达式。通过所建立的Nd∶YAG激光在离体血液中透过的光检测实验系统，检测得到激光在穿透目标厚度为1.0~2.5 mm（临床脉管性病变的常见血层厚度）的圆柱形血层后的光衰减情况，并基于R语言和统计学方法，建立了几何尺寸损耗与血液厚度之间的线性、对数、指数和乘幂回归模型。其中，线性回归模型的拟合效果最好，R2值可达0.9219，由此获得适用于Nd∶YAG激光在血液中传播的修正朗伯比尔定律表达式。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617023
1 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所, 天津 300192
2 国家康复辅具研究中心, 北京 100176
光动力疗法是目前临床上出现的一种新型治疗肿瘤的方法, 利用光敏剂吸收可见-近红外光并在组织氧的参与下发生光化学反应, 产生活性氧物质进而诱导肿瘤细胞凋亡或坏死。光动力疗法对肿瘤侵袭性低, 具有较高的选择性和良好的患者依从性, 因此被广泛用于各种消化道恶性肿瘤的姑息性治疗和挽救性治疗。本文对近年来国内外应用光动力疗法治疗消化道肿瘤的文献进行综述, 对所报道的疾病类型、治疗病例数、光敏剂和光源、疗效和安全性等信息进行分类整理, 并对所面临的挑战和近期的研究进展进行了汇总, 以期全面和客观地了解光动力疗法在治疗消化道肿瘤中的应用和研究进展, 探讨目前的新应用及存在的问题和可能的发展方向。
光动力疗法 消化道肿瘤 姑息疗法 光动力诊断 光敏剂 photodynamic therapy gastrointestinal cancer palliative treatment photodynamic diagnosis photosensitizer
1 深圳大学医学部, 广东 深圳 518071
2 深圳大学光电工程学院光电子器件与系统(教育部/广东省)重点实验室, 广东 深圳 518060
3 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所, 天津 300192
发光二极管(LED)是一种具有一定带宽的非相干光源,LED光源生物学效应的发现促进了其在生物医学领域的应用。基于不同波长LED光源照射组织深度的差别,分别介绍了各个波段LED光源的靶组织特异性及生物学效应,梳理了每个波段LED光源在临床优势病种中的应用现状,并对LED光源在生物医学领域的应用进行了展望,可为指导临床应用及仪器研发提供参考。
生物光学 发光二极管 光生物调节 光动力疗法 激光与光电子学进展
2019, 56(12): 120003
1 天津工业大学电子与信息工程学院, 天津 300387
2 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所激光医学实验室, 天津 300192
间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)具有自我更新和多向分化的潜能, 但分化方向缺乏引导性, 受基因、细胞因子、内环境等多种因素的影响。干细胞移植是神经性疾病治疗的常用手段, 本文就MSCs定向神经分化的诱导方法如神经营养因子、化学诱导剂、光生物调节、中药诱导等及其可能机制进行阐述。
间充质干细胞 神经分化 弱激光 神经营养因子 mesenchymal stem cells neural differentiation photobiomodulation neurotrophic factor
1 中国医学科学院生物医学工程研究所激光医学实验室，天津 300192
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院太赫兹研究中心，天津 300192
3 天津医科大学生物医学工程学院，天津 300070
太赫兹波（THz）是一种介于微波和红外线波之间的电磁波。由于生物体对THz波的独特响应性，太赫兹波在生物医学领域的应用研究特别是其与生物组织的相互作用成为了研究热点。该研究旨在探索太赫兹波能否激发光敏剂产生光敏效应。采用纳焦级宽谱（1~3 THz）的脉冲太赫兹光源对光敏剂（PS）血卟啉单甲醚（HMME）照射30 min，用DPBF作为单态氧的捕获剂检测单态氧产率。采用相同的太赫兹光源照射常规培养的HepG2细胞，光学显微镜下观察细胞形态，MTT法检测细胞活性。PS+THz组单态氧产率显著高于单纯太赫兹波组（21.04% vs. 2.39%）；PS+THz组HepG2细胞形态较对照组略圆，细胞有收缩趋势；细胞活性检测结果显示，太赫兹波照射后HMME孵育的HepG2细胞的活性降低至81.13%（THz组为99.21%）。实验结果表明宽谱1~3 THz纳焦级太赫兹波可激发光敏剂HMME，激发效率约为20%。
医用光学 太赫兹波 光敏效应 单态氧 血卟啉单甲醚 中国激光
2015, 42(s1): s104001
1 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所, 天津 300192
2 天津医科大学生物医学工程学院, 天津 300070
研究和比较双波长低能量激光疗法(LLLT)对人皮肤成纤维细胞(CCC-ESF)的生长、酶活性以及生长因子等的影响,讨论弱激光促进伤口愈合的作用机理.体外培养CCC-ESF,实验分为对照组和照光组(635 nm 组、808 nm 组和635 nm/808 nm 组),照光剂量为20 mW/cm2、12 J/cm2,分别检测细胞增殖情况、活性氧(ROS)产量、抗氧化酶活性[过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)]、脂质氧化能力(MDA)以及细胞生长因子含量.635 nm 组细胞增殖速度明显大于其他各组；635 nm、808 nm 和635 nm/808 nm 组ROS 水平分别比对照组提高了14.55%、7.49%和14.92%；CAT 和SOD 酶活力提高；808 nm 激光促进MDA 增加；双波长激光使人白介素1(IL-1)和成纤维细胞生长因子(FGF)分泌量显著增多；808 nm 激光增加了人胰岛素样生长因子(IGF-1)和人胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)的分泌.LLLT 诱导产生的低水平氧化应激反应可促进CCC-ESF 增殖,提升细胞活力,增强细胞对外界环境的抵抗能力.LLLT 刺激细胞分泌多种细胞因子,调控创伤愈合的进程.双波长激光产生的生物效应优于单一波长.
医用光学 低能量激光 成纤维细胞 活性氧 生长因子 激光与光电子学进展
2015, 52(8): 081703
