彭曉昱 周歡

1) (中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，太赫茲技術(shù)研究中心，重慶 400714)

2) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué)重慶學(xué)院，重慶 400714)

3) (重慶大學(xué)，重慶 400044)

太赫茲波能被生物組織中的水強(qiáng)烈吸收，能與生物組織中生物大分子和這些分子間的弱相互作用產(chǎn)生共振，因而太赫茲波在生物醫(yī)學(xué)中有許多潛在的應(yīng)用.盡管單個(gè)太赫茲光子能量很低，對(duì)生物組織沒有電離損傷作用，但是隨著強(qiáng)度增大，太赫茲波會(huì)對(duì)生物細(xì)胞和組織產(chǎn)生一系列生物效應(yīng).由于太赫茲波參數(shù)和受輻照生物材料等輻照條件不同，將導(dǎo)致不同的生物學(xué)效應(yīng)，包括以熱效應(yīng)為主和以非熱效應(yīng)為主導(dǎo)致的生物學(xué)效應(yīng).本文討論了這兩種效應(yīng)的物理機(jī)理，介紹了適合用于生物效應(yīng)研究的現(xiàn)今主要的強(qiáng)太赫茲輻射源種類，綜述了典型的太赫茲波的生物效應(yīng)具體表現(xiàn)和已有的研究進(jìn)展，展望了太赫茲波生物效應(yīng)的潛在應(yīng)用以及面臨的挑戰(zhàn).

1 引言

太赫茲波通常是指頻率范圍在0.1—10 THz，波長(zhǎng)在3—0.03 mm 之間的電磁波.太赫茲波在生物醫(yī)學(xué)中有許多潛在的應(yīng)用，主要由于其具有以下獨(dú)特性質(zhì):1)能被生物組織中的水強(qiáng)烈吸收;2)生物組織中蛋白質(zhì)、DNA、RNA、脂類、糖類等生物大分子骨架振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)以及分子之間弱的相互作用(氫鍵、范德瓦耳斯力等)正好位于 THz 頻段范圍內(nèi)，太赫茲波與這些生物大分子作用可以產(chǎn)生共振，因此其特征共振吸收峰可用于檢測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分的微小變化，為分析細(xì)胞結(jié)構(gòu)和醫(yī)學(xué)診斷提供了新方法;3)太赫茲光子能量低(1 THz-4.1 meV)，不會(huì)直接對(duì)生物組織產(chǎn)生電離損傷，因而波束強(qiáng)度較低時(shí)可安全用于人體和其他生物材料的檢測(cè)和成像.目前，基于較低能量的太赫茲波的光譜探測(cè)技術(shù)已用于生物分子的表征和獲取生物分子的信息[1]或者用于生物組織中某種成份的測(cè)定[2]，以及通過(guò)太赫茲成像技術(shù)用于腫瘤細(xì)胞和腫瘤組織的診斷[3].

盡管單個(gè)太赫茲光子對(duì)生物組織沒有類似于X 射線那樣的直接電離損傷作用，但是隨著波束強(qiáng)度的增大，太赫茲波會(huì)對(duì)生物細(xì)胞和組織產(chǎn)生一系列生物效應(yīng)，包括熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)導(dǎo)致的二次效應(yīng)，如導(dǎo)致組織溫度升高，影響基因表達(dá)，促使細(xì)胞增殖，導(dǎo)致腫瘤抑制因子和細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白表達(dá)明顯升高，影響細(xì)胞的形態(tài)和細(xì)胞膜的通透性，引起生物大分子構(gòu)象和功能發(fā)生變化或損傷生物大分子，甚至可能導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和壞死而損傷生物組織等.

本文包含以下6 個(gè)部分:第1 節(jié)引言中一般性介紹太赫茲波的獨(dú)特性質(zhì)及其產(chǎn)生的生物效應(yīng);第2 節(jié)描述太赫茲波與生物材料相互作用產(chǎn)生生物效應(yīng)的基本物理機(jī)理;第3 節(jié)回顧可用于太赫茲波生物效應(yīng)研究的主要強(qiáng)太赫茲輻射源種類;第4 節(jié)為重點(diǎn)內(nèi)容，從個(gè)體、組織、細(xì)胞、分子等4 個(gè)層面綜述太赫茲波生物效應(yīng)的研究現(xiàn)狀和典型成果;第5 節(jié)介紹了太赫茲波生物效應(yīng)的潛在應(yīng)用;最后一部分即第6 節(jié)總結(jié)和展望太赫茲波生物效應(yīng)研究面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇.

2 太赫茲波生物效應(yīng)的物理機(jī)理

跟其他電磁波一樣，太赫茲波遇到生物介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生反射、折射、散射、衍射等現(xiàn)象，折射進(jìn)入生物介質(zhì)后會(huì)與生物介質(zhì)發(fā)生作用而被吸收.由于太赫茲波長(zhǎng)相對(duì)于生物介質(zhì)的組成部分(如細(xì)胞、細(xì)胞器、生物大分子等)來(lái)說(shuō)要大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此太赫茲波的散射非常弱，太赫茲波與生物介質(zhì)的相互作用中的衰減主要來(lái)自生物介質(zhì)對(duì)太赫茲波的吸收作用.

從物理角度來(lái)看，太赫茲波輻照生物材料導(dǎo)致的生物效應(yīng)本質(zhì)上來(lái)源于太赫茲波的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng).熱效應(yīng)主要來(lái)自生物體內(nèi)大量的水分子對(duì)太赫茲波的強(qiáng)烈吸收，而非熱效應(yīng)主要來(lái)自生物大分子受太赫茲波激發(fā)所產(chǎn)生的非線性共振作用.

2.1 太赫茲波產(chǎn)生的熱效應(yīng)

2.1.1 生物介質(zhì)中的水對(duì)太赫茲波的強(qiáng)烈吸收

構(gòu)成生物體的成分含量最多的是水，如哺乳動(dòng)物身體中含有約65%的水分，尤其是代謝旺盛的組織器官，如人的心臟和大腦分別高達(dá)79%和84%.人類皮膚中表皮含水量約有10%—35%，而越往里層含水量越髙，真皮含水量可達(dá)80%.因此，當(dāng)太赫茲波與生物組織發(fā)生作用時(shí)，不可避免地要跟其中大量的水發(fā)生相互作用.由于水分子間氫鍵的拉伸和彎曲振動(dòng)模式都落在太赫茲頻域內(nèi)(最強(qiáng)共振頻率分別為5.6 和1.5 THz)[4-6]，當(dāng)生物組織或細(xì)胞受太赫茲波輻照時(shí)，其中的水分子間氫鍵的上述振動(dòng)模式被激發(fā)從而引發(fā)共振，導(dǎo)致水對(duì)太赫茲波產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收，被吸收的太赫茲波能量轉(zhuǎn)化成水分子自身無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，相互碰撞的頻率增加，即產(chǎn)生熱能[7].如果沒有發(fā)生其他的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，隨著熱的不斷積累將會(huì)直接導(dǎo)致生物組織溫度的上升.高功率連續(xù)波或高重頻脈沖太赫茲波輻照生物組織時(shí)，由于其中的水吸收太赫茲波的過(guò)程中轉(zhuǎn)化的熱能來(lái)不及及時(shí)向外輻射、傳導(dǎo)或?qū)α?，因此這類太赫茲輻射更可能對(duì)生物組織產(chǎn)生熱效應(yīng).

2.1.2 生物大分子受太赫茲波激發(fā)產(chǎn)生共振吸收

由于DNA/RNA 堿基、氨基酸、糖類、脂類等生物大分子的許多轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)、扭動(dòng)等能級(jí)剛好在太赫茲波段，因此一定頻率的太赫茲波對(duì)這些生物大分子作用可激發(fā)相應(yīng)的共振.圖1 所示為本課題組測(cè)量的DNA/RNA 堿基在整個(gè)太赫茲頻段內(nèi)的吸收光譜[8].可以看出，在整個(gè)太赫茲波段內(nèi)都分布有這些生物大分子的吸收峰.從理論上說(shuō)太赫茲波激發(fā)生物大分子發(fā)生線性共振會(huì)對(duì)生物組織吸收太赫茲波有貢獻(xiàn)，也會(huì)產(chǎn)生一部分熱(早期也有人稱之為微熱效應(yīng))，不過(guò)由于水在細(xì)胞中的含量遠(yuǎn)大于這些生物大分子，是生物組織中在太赫茲頻段的主要發(fā)色團(tuán)[9]，因此水在生物介質(zhì)中對(duì)太赫茲波的吸收占絕對(duì)主導(dǎo)地位，由此產(chǎn)生的熱效應(yīng)主要是水的貢獻(xiàn)，所以這些生物大分子因共振產(chǎn)生的熱可忽略不計(jì).尤其是對(duì)于單頻的連續(xù)太赫茲波或窄頻的長(zhǎng)脈沖太赫茲波，只能對(duì)某些生物大分子的少數(shù)振動(dòng)模式有貢獻(xiàn)，其產(chǎn)生的熱效應(yīng)更是微乎其微.

圖1 DNA/RNA 其中3 種堿基的太赫茲波吸收光譜[8] (a) 腺嘌呤;(b)鳥嘌呤 ;(c) 胞嘧啶Fig.1.Absorption spectra of three DNA/RNA nucleobases [8]:(a) Adenine;(b) Guanine;(c) Cytosine.

生物組織中通過(guò)水對(duì)太赫茲波的強(qiáng)烈吸收，增加了游離水分子的動(dòng)能，可能改變水分子的極化特性，甚至影響結(jié)合水的特性，導(dǎo)致含有這些結(jié)合水的生物大分子結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而影響一系列與生物有關(guān)的活動(dòng)，如導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，影響酶的活性，導(dǎo)致膜的功能變化.因此，太赫茲波的熱效應(yīng)導(dǎo)致的生物效應(yīng)是通過(guò)生物介質(zhì)內(nèi)大量的水分子的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的.

2.2 太赫茲波產(chǎn)生的非熱效應(yīng)

前面提到生物大分子的許多轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)、扭動(dòng)等能級(jí)剛好在太赫茲波段，因此太赫茲波對(duì)這些生物大分子作用可激發(fā)相應(yīng)的共振.當(dāng)太赫茲波不是很強(qiáng)時(shí)，對(duì)某些細(xì)胞來(lái)說(shuō)這種共振是一種線性共振，有可能對(duì)細(xì)胞有激活作用甚至是增殖作用，可能對(duì)人體組織和器官有理療作用.當(dāng)太赫茲波強(qiáng)度不斷增大，太赫茲波可直接與生物分子耦合誘導(dǎo)相干激發(fā)[10]以產(chǎn)生非熱效應(yīng)，即激發(fā)生物大分子的非線性共振效應(yīng)，從而引起生物大分子的構(gòu)象或構(gòu)型變化，這些變化消耗了吸收的太赫茲波能量，劇烈的振蕩最終導(dǎo)致生物鍵斷裂.比如太赫茲輻射與生物分子中的氫鍵相互作用[11]，引起低頻分子內(nèi)振動(dòng)從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)構(gòu)象改變[12]，甚至將分子間的氫鍵振斷，從而影響生物大分子和細(xì)胞的功能[11]，更嚴(yán)重的情況可以導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[13].

除了上述生物大分子的非線性共振作用外，還存在著非共振激發(fā)的非熱效應(yīng).細(xì)胞膜的靜態(tài)電場(chǎng)強(qiáng)度約為105V/cm，如果強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波的峰值電場(chǎng)接近甚至超過(guò)這個(gè)場(chǎng)強(qiáng)值，太赫茲波將顯著影響細(xì)胞膜的通透性[14].太赫茲輻射單個(gè)光子能量很低，不會(huì)直接產(chǎn)生電離作用，但輻照生物介質(zhì)的太赫茲波束足夠強(qiáng)(強(qiáng)場(chǎng))時(shí)，可發(fā)生能量遠(yuǎn)大于太赫茲光子能量的激發(fā)，如碰撞電離[15]或場(chǎng)電離，從而對(duì)生物組織產(chǎn)生電離損傷作用.這種電離作用跟可見光波段的激光類似，當(dāng)光強(qiáng)很弱時(shí)，單個(gè)光子并沒有電離作用，但激光強(qiáng)度增加到一定閾值時(shí)即可發(fā)生碰撞電離，再增加激光強(qiáng)度甚至可以發(fā)生場(chǎng)電離，即激光電場(chǎng)直接把原子外的電子剝離出去.強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波可直接激發(fā)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生熒光[16]，甚至已用于加速電子[17]，由此可見強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波的這些非共振激發(fā)的非熱效應(yīng)將會(huì)嚴(yán)重影響細(xì)胞和生物組織的功能，甚至直接殺死細(xì)胞和電離灼傷生物組織.

3 用于研究太赫茲波生物效應(yīng)的太赫茲輻射源種類

由于太赫茲輻射光子能量低(無(wú)電離損傷作用)，低劑量輻照條件下，即太赫茲波強(qiáng)度較弱、輻照時(shí)間較短時(shí)，這些輻射源還不足以對(duì)人類生物細(xì)胞和組織產(chǎn)生明顯的生物效應(yīng)[18]，因而低功率連續(xù)波和低能量脈沖太赫茲輻射源通常被認(rèn)為是安全的.如果要觀察到明顯的生物效應(yīng)，需要加大輻照劑量，即加大太赫茲波功率或能量，延長(zhǎng)輻照時(shí)間.如果要在較短時(shí)間內(nèi)觀察到顯著的生物效應(yīng)，需要強(qiáng)太赫茲輻射源.所謂的“強(qiáng)太赫茲輻射源”須具有高的平均功率或者大的脈沖能量或者強(qiáng)的峰值電場(chǎng)，只有這3 種太赫茲輻射源或者兼而有之的輻射源能產(chǎn)生明顯的生物效應(yīng).下面主要介紹這3 類強(qiáng)太赫茲輻射源.

3.1 高平均功率太赫茲輻射源

這類輻射源特點(diǎn)是平均功率高，主要有連續(xù)波或高重復(fù)頻率太赫茲輻射源，如二氧化碳激光泵浦的太赫茲激光器、自由電子激光器、行波管、返波管、電子回旋管(連續(xù)波)等.日本福井大學(xué)的電子回旋管連續(xù)波太赫茲輻射源裝置(FU CW1)[19]，工作頻率為0.3 THz，輸出功率為2.3 kW.國(guó)內(nèi)電子科技大學(xué)劉盛綱院士課題組[20]也有類似的電子回旋管連續(xù)波太赫茲輻射源，工作頻率在0.5 THz，輸出功率為389 W.這類輻射源輻照生物細(xì)胞和組織時(shí)，吸收的太赫茲波能量主要轉(zhuǎn)換為細(xì)胞和組織的熱能，致使溫度升高，即產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)，并由此帶來(lái)一系列生物學(xué)效應(yīng).因此，使用這類太赫茲輻射源直接輻照生物材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生主要是熱效應(yīng)為主的生物效應(yīng).

除了上述一類高平均功率的連續(xù)波太赫茲輻射源外，還有一類高重頻大功率脈沖太赫茲輻射源.這類輻射源雖然不是連續(xù)波，單脈沖能量也不是很高，但重復(fù)頻率很高，有很高的平均功率.主要有基于傳統(tǒng)電子加速器的太赫茲輻射源，如自由電子激光器太赫茲輻射源[21，22].在國(guó)內(nèi)，中國(guó)工程物理研究院研制的自由電子激光裝置CTEFL，頻率調(diào)節(jié)范圍為0.7—4.2 THz，平均功率達(dá)到10 W，峰值功率大于0.5 MW，倍頻光頻率調(diào)節(jié)范圍為4—8 THz.基頻和倍頻太赫茲波束均為高度線偏振，偏振度大于99%.目前為止已有多個(gè)國(guó)內(nèi)研究小組使用這臺(tái)太赫茲輻射源用于輻照細(xì)胞和腫瘤的生物效應(yīng)的研究并取得了不少成果.

3.2 高能量長(zhǎng)脈沖太赫茲輻射源

這類源的特點(diǎn)是脈沖能量很高，至少大于幾十個(gè)毫焦，甚至可達(dá)幾百毫焦，脈寬通常為微秒量級(jí)，如脈沖式電子回旋管太赫茲輻射源.由于脈寬較長(zhǎng)，這類太赫茲輻射脈沖的峰值場(chǎng)強(qiáng)并不高.俄國(guó)一個(gè)小組研制的脈沖式電子回旋管[23]，脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度為40 T，工作頻率在1 THz，脈寬50 μs，脈沖能量為75 mJ，功率為1.5 kW.

3.3 強(qiáng)場(chǎng)太赫茲輻射源

這類輻射源特點(diǎn)是頻譜較寬，甚至超過(guò)幾十個(gè)太赫茲的超寬頻譜，低重復(fù)頻率，輸出能量不是特別強(qiáng)，通常為幾個(gè)微焦至幾個(gè)毫焦之間，但因脈寬短，具有很強(qiáng)的峰值電場(chǎng)(約1 MV/cm)和磁場(chǎng)(約0.3 T)，通常被稱為強(qiáng)場(chǎng)太赫茲輻射源.如基于傳統(tǒng)電子加速器的相干渡越輻射太赫茲源、基于傾斜激光波前泵浦的光整流太赫茲輻射源、基于飛秒激光等離子體相互作用的太赫茲輻射源等.

斯坦福大學(xué)直線相干光源自由電子激光器中的電子束通過(guò)鈹膜時(shí)產(chǎn)生的相干渡越輻射太赫茲輻射源[24]，重復(fù)頻率為10 Hz，脈沖能量為140 μJ，峰值場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)62 MV/cm.不過(guò)基于傳統(tǒng)加速器的相干渡越輻射太赫茲源因?yàn)榧铀倨鲝?fù)雜且體積龐大，造價(jià)高.

光整流太赫茲輻射源頻譜通常在3 THz 以下.利用傾斜激光波前泵浦鈮酸鋰晶體的光整流太赫茲輻射源，使用100 mJ 激光能量，可產(chǎn)生脈沖能量為373 μJ、峰值場(chǎng)強(qiáng)約為9.1 MV/cm 的太赫茲輻射[25].目前光整流太赫茲輻射源的最強(qiáng)記錄為太赫茲脈沖輻射能量為1.4 mJ，重復(fù)頻率為10 Hz，中心頻率為0.4 THz，峰值場(chǎng)強(qiáng)為6.3 MV/cm[26].

雙色飛秒激光場(chǎng)產(chǎn)生的氣體等離子體太赫茲輻射通常為可以調(diào)控的超寬頻譜[27]，超過(guò)10 THz以上.這種方法產(chǎn)生的太赫茲脈沖能量可達(dá)幾十個(gè)微焦，在優(yōu)化各項(xiàng)條件后預(yù)計(jì)脈沖能量可以達(dá)到300 μJ[28].更強(qiáng)的激光等離子體太赫茲輻射源來(lái)自強(qiáng)激光與固體薄膜靶的相互作用[16]，脈沖能量可達(dá)幾個(gè)甚至幾十個(gè)毫焦量級(jí).

光整流太赫茲輻射源和激光等離子體太赫茲輻射源都是由超短脈沖強(qiáng)激光泵浦產(chǎn)生的，屬于臺(tái)式太赫茲輻射源，他們的重復(fù)頻率通常在1 Hz—1 kHz 之間，取決于激光器的重復(fù)頻率.

4 太赫茲波生物效應(yīng)的具體表現(xiàn)

太赫茲波的生物效應(yīng)取決于輻照條件(如太赫茲輻射源的特性，太赫茲波的頻率、功率或能量，輻照時(shí)間等因素)和受輻照生物材料的特性.由于所使用的太赫茲輻射源種類較多和各種生物材料(如不同細(xì)胞、不同組織、不同個(gè)體等)對(duì)太赫茲波的敏感性和反應(yīng)不同，所產(chǎn)生的生物效應(yīng)會(huì)有很大差異.生物材料受太赫茲波輻照一定劑量后產(chǎn)生包括熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的生物效應(yīng)，根據(jù)輻照劑量不同，生物材料不同，將導(dǎo)致從生物體、組織、細(xì)胞到生物分子的不同層次和水平的生物效應(yīng).這些效應(yīng)互為關(guān)聯(lián)，主要包括影響生物體的行為和生理狀態(tài)、組織凝固或炎癥、細(xì)胞死亡，細(xì)胞內(nèi)的應(yīng)激反應(yīng)，細(xì)胞器功能受到干擾，生物大分子受損等[29].至于是太赫茲波的熱效應(yīng)還是非熱效應(yīng)為主導(dǎo)致的生物效應(yīng)，目前主要還是通過(guò)輻照過(guò)程中的生物材料溫度是否有明顯上升來(lái)判斷.通常連續(xù)波太赫茲輻射源、高重頻脈沖太赫茲輻射源以及長(zhǎng)脈沖太赫茲輻射源輻照生物材料時(shí)溫度都會(huì)上升，一般認(rèn)為產(chǎn)生的是熱效應(yīng)為主的生物效應(yīng).下面從宏觀到微觀，即從生物個(gè)體、組織、細(xì)胞、生物大分子的順序，總結(jié)一些典型的太赫茲波的生物效應(yīng)，對(duì)于那些沒有明顯效應(yīng)的案例，本文不再贅述.

4.1 太赫茲波對(duì)生物體行為和生理狀態(tài)的影響

已有的實(shí)驗(yàn)表明，一定劑量的太赫茲波輻照動(dòng)物個(gè)體后，會(huì)對(duì)它們的學(xué)習(xí)記憶、心理行為和生物節(jié)律等產(chǎn)生一定的影響，甚至影響發(fā)育和生殖等其他重要生理過(guò)程.

4.1.1 太赫茲波對(duì)動(dòng)物行為的影響

Bondar 等[30]研究了太赫茲激光器3.6 THz的太赫茲波對(duì)雄性小鼠的行為效應(yīng)，輻照功率為15 mW.結(jié)果表明:在輻照15 min 后，小鼠能感知到太赫茲波且太赫茲波對(duì)小鼠直接接觸激光的影響最大;在輻照30 min 后的第二天，觀察到受太赫茲波輻照的雄性小鼠的焦慮程度增加.Kirichuk等[31]使用NO 頻率范圍(150.176—150.664 GHz)的大功率太赫茲波對(duì)應(yīng)激性運(yùn)動(dòng)功能減退的大鼠輻照30 min 后，發(fā)現(xiàn)大鼠的運(yùn)動(dòng)功能得以部分或全部恢復(fù).該研究小組還研究了該太赫茲波輻照應(yīng)激誘導(dǎo)的雄性白化病大鼠血小板聚集及行為反應(yīng)的影響[32]，實(shí)驗(yàn)中太赫茲波功率密度3 mW/cm2，輻照時(shí)間為15，30 及60 min.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，太赫茲輻射60 min 能夠誘導(dǎo)大鼠抑郁情緒和行為改變.

4.1.2 太赫茲波對(duì)動(dòng)物生理活動(dòng)的影響

一定劑量的太赫茲波輻照動(dòng)物可調(diào)節(jié)其生理活動(dòng)，并產(chǎn)生一些有益的效應(yīng).Kirichuk 等[32]一系列的實(shí)驗(yàn)表明，太赫茲波可以活化血小板的凝血功能.Ostrovskiy 等[33]使用頻率為0.15 THz、強(qiáng)度為 0.03 mW/cm2的太赫茲波對(duì)淺度和深度燒傷的患者每次輻照15 min，每天進(jìn)行7—10 次輻照，發(fā)現(xiàn)太赫茲波輻照可通過(guò)加速上皮化進(jìn)程促進(jìn)局部燒傷創(chuàng)面的修復(fù).

太赫茲波可影響昆蟲的生命周期.Weisman等[34]研究了太赫茲輻射對(duì)黑腹果蠅存活率和壽命的影響，將240 只果蠅暴露在寬帶脈沖太赫茲輻射下30 min，頻率為0.1—2.2 THz，脈沖持續(xù)時(shí)間為1 ps，脈沖功率為8.5 mW，脈沖重復(fù)頻率為76 MHz.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，雄性果蠅對(duì)太赫茲輻射不是很敏感，而受太赫茲波輻照的雌性果蠅的存活率在生命的后半段顯著增加.照射對(duì)果蠅的平均壽命和最大壽命值沒有顯著影響，但雄性和雌性果蠅平均壽命值之間的差距增加了.他們認(rèn)為太赫茲輻射對(duì)存活率和壽命的影響機(jī)制可能與細(xì)胞膜、基因表達(dá)和信號(hào)通路的變化有關(guān)，是通過(guò)對(duì)果蠅壽命相關(guān)基因和信號(hào)通路的間接調(diào)節(jié)作用實(shí)現(xiàn)的[34].

4.2 太赫茲波對(duì)生物組織的生物效應(yīng)

足夠劑量的太赫茲波輻照將導(dǎo)致生物組織升溫、急性炎癥反應(yīng)或腫瘤消融等生物效應(yīng).

4.2.1 太赫茲波導(dǎo)致組織升溫和炎癥反應(yīng)

連續(xù)太赫茲波或高重頻脈沖太赫茲波輻照生物組織產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致組織升溫，如果過(guò)熱將導(dǎo)致以下二次效應(yīng)[35]:1)激發(fā)急性炎癥反應(yīng)(如疼痛、發(fā)熱、發(fā)紅、腫脹).2)組織脫水和壞死(當(dāng)溫度提高到80—100 ℃幾秒鐘就會(huì)出現(xiàn)).3) 50—70 ℃溫度下幾分鐘細(xì)胞蛋白質(zhì)即可發(fā)生不可逆結(jié)構(gòu)變性.膠原蛋白會(huì)失去雙折射特性，導(dǎo)致組織變白.

Bottauscio 等[36]通過(guò)應(yīng)用Pennes 生物傳熱方程和高斯分布推斷在組織空間分布的熱功率沉積以模擬聚焦太赫茲波束的影響，以此研究聚焦太赫茲波束輻射下人體組織的熱效應(yīng).研究結(jié)果顯示，低強(qiáng)度的0.025—1 THz 頻率太赫茲輻照人體皮膚的熱效應(yīng)不明顯，但隨著入射太赫茲波強(qiáng)度的增加，溫度呈線性上升.Dalzell 等[37]使用杰佛遜實(shí)驗(yàn)室的自由電子激光器高功率太赫茲源(頻率0.1—1 THz，輻照強(qiáng)度2—14 W/cm2，脈沖持續(xù)時(shí)間為350 ps，光斑大小為0.452 cm2，輻照時(shí)間為2 s)研究太赫茲輻射輻照麋鹿皮膚組織的損傷閾值，結(jié)果顯示寬帶(0.1—1 THz)太赫茲波的組織損傷閾值為7.16 W/cm2，這個(gè)值與計(jì)算模型預(yù)測(cè)的5.0 W/cm2非常接近.隨著輻照強(qiáng)度增加，受輻照組織的溫度不斷上升，當(dāng)照射強(qiáng)度為7.16 W/cm2時(shí)，組織溫度升高31.72 ℃.在國(guó)內(nèi)，陸軍軍醫(yī)大學(xué)的余爭(zhēng)平教授團(tuán)隊(duì)[38]使用不同強(qiáng)度的0.22 THz 的行波管連續(xù)波太赫茲輻射源輻照小鼠皮膚組織，發(fā)現(xiàn)當(dāng)太赫茲波強(qiáng)度為50 mW/cm2時(shí)輻照5 min 后，皮膚平均溫度迅速升高超過(guò)2 ℃，并且導(dǎo)致出現(xiàn)上皮脫落及出血等病理?yè)p傷特征.該團(tuán)隊(duì)還繼續(xù)增大輻照強(qiáng)度至160 mW/cm2以及輻照時(shí)間延長(zhǎng)至10 min，發(fā)現(xiàn)可導(dǎo)致小鼠皮膚氧化應(yīng)激反應(yīng)，并引起皮膚組織內(nèi)IL-1β，IL-6 和PGE2 含量升高[39].

脈沖太赫茲波輻照生物組織的非熱效應(yīng)也可導(dǎo)致炎癥反應(yīng).Hwang 等[40]使用脈沖太赫茲波輻照小鼠皮膚，太赫茲波頻率為2.7 THz，脈寬為4 μs，脈沖能量為61.4 μJ，重復(fù)頻率為3 Hz，平均功率為260 mW/cm2.實(shí)驗(yàn)中采用聚焦太赫茲波照射裝置，照射30 min.由于重復(fù)頻率低，雖然脈寬較長(zhǎng)，但紅外相機(jī)沒有觀察到耳朵皮膚表面的溫度變化，說(shuō)明沒有產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng).然而，6 h 后受太赫茲波輻照皮膚區(qū)域觀察到新浸潤(rùn)的中性粒細(xì)胞的大量募集，表明脈沖太赫茲波輻照通過(guò)非熱效應(yīng)在皮膚上誘導(dǎo)了急性炎癥反應(yīng).

4.2.2 太赫茲波腫瘤消融

太赫茲波的熱效應(yīng)可以用來(lái)殺死腫瘤細(xì)胞.日本福井大學(xué)使用電子回旋管連續(xù)波太赫茲輻射源(0.203 和0.107 THz)產(chǎn)生的熱效應(yīng)即熱療法來(lái)消融白鼠的腫瘤[19].經(jīng)過(guò)波導(dǎo)會(huì)聚在腫瘤上的太赫茲波能量密度為4.67 kJ/cm2，輻照10 min，溫度上升到熱療所需的溫度(43 ± 1) ℃，并通過(guò)控制電子回旋管輸出功率和波導(dǎo)與老鼠的距離來(lái)保持這個(gè)溫度再輻照10 min.與該老鼠身上另外一個(gè)同等大小的腫瘤作為對(duì)照，每天測(cè)量受輻照腫瘤和對(duì)照腫瘤的大小.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受太赫茲波輻照的腫瘤逐漸減小，15 天后消失，而未受輻照的對(duì)照腫瘤體積卻越來(lái)越大，圖2(a)和圖2(b)所示分別為受0.203 和0.107 THz 太赫茲波輻照后的腫瘤與對(duì)照腫瘤的生長(zhǎng)曲線圖.兩種頻率的太赫茲波通過(guò)熱療法都有消融腫瘤的作用，但后者在21 天后腫瘤略有長(zhǎng)大，于是，該團(tuán)隊(duì)又將太赫茲波的熱療法與光動(dòng)力療法相結(jié)合，取得了更好的消融效果[19].

圖2 腫瘤分別受頻率為(a) 0.203 THz 和(b) 0.107 THz 的太赫茲波輻照后與對(duì)照腫瘤的生長(zhǎng)曲線圖[19]Fig.2.Growth curves of the tumors after the irradiation at (a) 0.203 THz and (b) 0.107 THz compared with that of the control tumors，respectively [19].

國(guó)內(nèi)電子科技大學(xué)周俊教授團(tuán)隊(duì)[41，42]利用中國(guó)工程物理研究院的自由電子激光裝置(CTEFL)產(chǎn)生的太赫茲輻射源(2.5 THz)研究了非熱效應(yīng)方法來(lái)消融腫瘤.為了在輻照過(guò)程溫度不上升，即不產(chǎn)生熱效應(yīng)，將太赫茲波重復(fù)頻率控制在1 Hz，觀察到受輻照腫瘤在22 天以前體積略有增大，22 天后逐漸變小，而對(duì)照腫瘤體積卻增長(zhǎng)很快.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明強(qiáng)場(chǎng)脈沖太赫茲波可實(shí)現(xiàn)非熱消融腫瘤.

由此可見，無(wú)論是太赫茲波的熱效應(yīng)還是非熱效應(yīng)，都有可能用于未來(lái)的腫瘤治療.

4.3 太赫茲波對(duì)細(xì)胞的生物效應(yīng)

大量的實(shí)驗(yàn)表明，細(xì)胞受一定劑量的太赫茲波輻照后，其形態(tài)、膜的通透性、活性、周期、功能等都可能受到影響.

4.3.1 太赫茲波導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)變化

細(xì)胞受到一定劑量的太赫茲波輻照后，其形態(tài)會(huì)發(fā)生某種程度的變化.Alexandrov 等[43]分別使用來(lái)自氣體激光等離子體的寬帶(1—30 THz)太赫茲波(中心頻率為10 THz，強(qiáng)度1.2 mW/cm2，重復(fù)頻率為1 kHz)和來(lái)自CO2氣體太赫茲波激光器的單頻(2.52 THz)連續(xù)太赫茲波(3 mW/cm2)輻照小鼠干細(xì)胞，與對(duì)照組相比，兩種太赫茲源輻照2 h 后，小鼠干細(xì)胞的形態(tài)都發(fā)生了改變，如圖3所示.使用寬帶太赫茲波輻照9 h 后，還可以觀察到細(xì)胞中含有大量的脂滴包含物.

圖3 小鼠干細(xì)胞受太赫茲輻照后發(fā)生形態(tài)變化的顯微鏡照片 (a)對(duì)照組;(b) 寬帶太赫茲波輻照2 h;(c) 寬帶太赫茲波輻照9 h;(d) 單頻連續(xù)波太赫茲波輻照2 h;圖(c)中的箭頭表示細(xì)胞中含有大量的脂滴包涵含物 [43]Fig.3.Light microscopy image:(a) Control cultures;mouse stem cells after (b) 2 h and (c) 9 hours of pulsed broad-band irradiation;(d) mouse stem cells after 2 h of irradiation from the CW laser source.The arrows in panel (c) indicate cells with an elevated number of lipid droplets inclusions [43].

陸軍軍醫(yī)大學(xué)的馬秦龍等[44]研究了太赫茲波輻射對(duì)Neuro-2a 細(xì)胞突出生長(zhǎng)的變化情況，發(fā)現(xiàn)太赫茲波輻照引起Neuro-2a 細(xì)胞突出長(zhǎng)度和分支數(shù)目顯著減少，突出生長(zhǎng)及功能相關(guān)的基因Tubb3 和Syp 表達(dá)顯著下調(diào)，且具有劑量依賴效應(yīng).Perera等[14]利用同步輻射源0.3—19.5 THz 的太赫茲輻射源輻照類似于神經(jīng)元細(xì)胞的嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞PC12，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察到在PC12 細(xì)胞表面形成了直徑高達(dá)1 μm 的異常大的氣泡.

4.3.2 太赫茲波影響細(xì)胞膜的通透性

Ramundo-Orlando 等[45]研究了由自由電子激光器產(chǎn)生的0.13 THz 的太赫茲脈沖輻射對(duì)脂質(zhì)體膜通透性的影響，太赫茲強(qiáng)度為1—18 mW/cm2，結(jié)果表明頻率太赫茲輻射在低重復(fù)頻率(5，7 或10 Hz)脈沖下可以增強(qiáng)含陽(yáng)離子脂質(zhì)體的通透性.該小組后續(xù)的實(shí)驗(yàn)還表明脂質(zhì)體膜的通透性隨太赫茲峰值電場(chǎng)強(qiáng)度增大而增強(qiáng)[46].Fedorov 等[47]研究了太赫茲輻射對(duì)人類紅細(xì)胞和淋巴細(xì)胞的影響，實(shí)驗(yàn)中太赫茲波強(qiáng)度為20 mW/cm2，輻照時(shí)間30—90 min，結(jié)果顯示人類紅細(xì)胞和淋巴細(xì)胞的細(xì)胞膜通透性得到了增強(qiáng).

2019 年，Perera 等[14]利用同步輻射源0.3—19.5 THz 的太赫茲輻射，研究了類似于神經(jīng)元細(xì)胞的嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞PC12 對(duì)太赫茲輻射反應(yīng).發(fā)現(xiàn)在(25.2 ± 0.4) ℃溫度下輻照10 min，由于誘發(fā)了細(xì)胞膜通透性暫時(shí)增加，通過(guò)共聚焦顯微鏡和高分辨率的透射電子顯微鏡都證實(shí)二氧化硅納米球(直徑d=(23.5 ± 0.2) nm)及其團(tuán)簇(d=63 nm)得以進(jìn)入PC12 細(xì)胞內(nèi).圖4 所示為共聚焦顯微鏡下的受太赫茲輻照PC12 細(xì)胞和未受輻照的細(xì)胞對(duì)比圖，可清楚看見前者有二氧化硅納米球攝入細(xì)胞質(zhì)中，而對(duì)照組則沒有任何納米球進(jìn)入細(xì)胞中.長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，受太赫茲波輻照的PC12 細(xì)胞與對(duì)照組比較，雖然代謝活動(dòng)無(wú)重大差異，但卻有更多數(shù)量的受輻照細(xì)胞PC12 對(duì)神經(jīng)生長(zhǎng)因子NGF 有響應(yīng).這些發(fā)現(xiàn)表明，由于太赫茲輻射能促進(jìn)細(xì)胞吸納納米顆粒而不引起細(xì)胞凋亡、壞死或生理?yè)p傷，有可能發(fā)展基于納米顆粒介導(dǎo)的藥物傳遞和基因治療技術(shù)[14].

圖4 PC12 細(xì)胞受太赫茲波輻照10 min 后納米球的攝入情況.共聚焦激光掃描顯微圖像顯示受太赫茲波輻照的細(xì)胞中攝入了納米球，而未受輻照的對(duì)照組細(xì)胞沒有攝入任何納米球[14]Fig.4.Nanosphere internalization of PC12 cells following a 10 min exposure of THz radiation.Confocal laser scanning microscopy (CLSM) images illustrate the uptake of silica nanospheres by the THz treated cells whereas the untreated control does not exhibit any nanosphere uptake[14].

4.3.3 太赫茲波影響細(xì)胞周期和活性

足夠劑量的太赫茲波輻照會(huì)影響細(xì)胞增殖、分化、細(xì)胞周期.Olshevskaya 等[48]研究了太赫茲波輻射對(duì)神經(jīng)元系統(tǒng)的影響，實(shí)驗(yàn)采用0.7，2.49 和3.69 THz 這3 種太赫茲頻率，強(qiáng)度為0.3—30 mW/cm2，輻照時(shí)間為1 min.結(jié)果顯示神經(jīng)元的增殖能力、細(xì)胞黏附能力、細(xì)胞膜的形態(tài)、胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的損傷以及神經(jīng)元細(xì)胞的靜息電位均受到了不同程度的影響.Hintzsche 小組[49]研究了太赫茲輻射對(duì)人倉(cāng)鼠雜交細(xì)胞紡錘體的影響.實(shí)驗(yàn)使用頻率為0.106 THz、強(qiáng)度為0.043—7.3 mW/cm2的連續(xù)太赫茲波輻照人-倉(cāng)鼠雜交細(xì)胞 0.5 h，發(fā)現(xiàn)太赫茲波會(huì)干擾有絲分裂房垂體的形成，會(huì)引起細(xì)胞分裂后期和末期的染色體紊亂.

對(duì)于某類細(xì)胞，一定劑量的太赫茲波輻照也可能產(chǎn)生正面的效應(yīng).Wei 等[50]使用頻率為0.1—3 THz、功率60 μW/cm2的太赫茲波輻照精子，發(fā)現(xiàn)輻照時(shí)間超過(guò)5 min 時(shí)能顯著提高精子的活力和胞內(nèi)鈣濃度(如圖5 所示)，但其DNA 的完整性沒有變化.

圖5 太赫茲波輻照效應(yīng)對(duì)精子細(xì)胞內(nèi)鈣濃度的影響[50]Fig.5.Effect of terahertz irradiation on the intracellular calcium concentration in sperm[50].

4.3.4 太赫茲波導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和壞死

足夠強(qiáng)的太赫茲輻射源可導(dǎo)致細(xì)胞凋亡甚至直接壞死.Wimink 等[51]研究了暴露在強(qiáng)太赫茲輻射時(shí)細(xì)胞死亡的閾值和細(xì)胞特異性的基因表達(dá)情況.太赫茲波頻率為2.52 THz，強(qiáng)度為227 mW/cm2，暴露持續(xù)時(shí)間為5—40 min.結(jié)果顯示，Jurkat 細(xì)胞在輻照20 min 后表現(xiàn)出了明顯的凋亡及壞死，同時(shí)細(xì)胞的凋亡率及死亡率隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)(圖6).熒光顯微成像術(shù)結(jié)果表明，強(qiáng)太赫茲波輻照增強(qiáng)了人皮膚成纖維細(xì)胞細(xì)胞膜的通透性，且離太赫茲輻射源照射的中心位置越近，細(xì)胞膜通透性越高.基因芯片分析顯示，部分細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)通路被激活，少數(shù)特異性的基因呈現(xiàn)上調(diào).Borovkova 等[13]研究了頻率為0.12—0.18 THz、強(qiáng)度為3.2 mW/cm2的連續(xù)太赫茲波對(duì)大鼠膠質(zhì)細(xì)胞的影響，發(fā)現(xiàn)太赫茲波照射大鼠膠質(zhì)細(xì)胞1 min 后，細(xì)胞凋亡相對(duì)數(shù)量增加了1.5 倍，照射5 min 后增加了2.4 倍，隨著照射時(shí)間的延長(zhǎng)細(xì)胞凋亡越發(fā)嚴(yán)重.

圖6 樣品中存活細(xì)胞、早凋亡細(xì)胞、晚凋亡細(xì)胞與太赫茲波輻照時(shí)間的關(guān)系[13]Fig.6.Number of live cells and cells at early and late stages of apoptosis in the sample in relation of the THz radiation exposure time[13].

不同細(xì)胞在同一輻照條件下可能出現(xiàn)相反的反應(yīng).Federov 等[47]使用相同輻照條件(頻率為3.68 THz，強(qiáng)度為20 mW/cm2，輻照時(shí)間為30—90 min，溫度為25℃)的太赫茲波輻照人類紅細(xì)胞和淋巴細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)有38%的淋巴細(xì)胞死亡增殖受到顯著抑制，而紅細(xì)胞則表現(xiàn)出增強(qiáng)的細(xì)胞增殖能力和細(xì)胞膜通透性.

4.4 太赫茲波對(duì)生物大分子層面的生物效應(yīng)

太赫茲波輻照生物組織時(shí)，將與細(xì)胞內(nèi)的各種生物大分子發(fā)生作用，會(huì)影響這些分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和功能，甚至損傷生物大分子，或者影響基因的表達(dá).

4.4.1 太赫茲波對(duì)生物大分子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和功能的影響

20 世紀(jì)90 年代Govorun 等就發(fā)現(xiàn)太赫茲輻射可以改變白蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)，如α-螺旋[52].Cherkasova 等[12]研究了太赫茲輻射對(duì)白蛋白(BSA)光譜特性和功能特性的影響，實(shí)驗(yàn)中采用太赫茲頻率3.6 THz，波束強(qiáng)度為10 mW/cm2，照射60 min.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示太赫茲輻射可以顯著改變BSA 的光譜，同時(shí)這種變化是有劑量依賴性的，這表明太赫茲輻射會(huì)影響蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象及其功能特征.除了高功率連續(xù)太赫茲波的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性[37]，Lundholm 等[53]發(fā)現(xiàn)脈沖太赫茲輻射也會(huì)引起蛋白質(zhì)晶體的非熱結(jié)構(gòu)變化.

Alexandrov 等[10]從理論上模擬研究了DNA的配對(duì)-非配對(duì)動(dòng)力學(xué)，結(jié)果顯示太赫茲輻射可能顯著干擾雙鏈DNA 自然發(fā)生的局部鏈分離動(dòng)力學(xué)，從而影響DNA 的功能，太赫茲輻射的主要效應(yīng)是共振影響dsDNA 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性.在國(guó)內(nèi)，電子科技大學(xué)宮玉彬教授團(tuán)隊(duì)[54]基于密度泛函理論和薛定諤方程，通過(guò)理論模擬研究了亞皮秒強(qiáng)場(chǎng)太赫茲輻射誘導(dǎo)的DNA 堿基對(duì)氫鍵中質(zhì)子轉(zhuǎn)移過(guò)程的完整量子模型，發(fā)現(xiàn)在特定極化方向上電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)10 GV/m 的太赫茲波可以精確地控制堿基對(duì)氫鍵中的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過(guò)程.

Korenstein-Ilan 等[55]使用頻率為0.1 THz、強(qiáng)度為0.031 mW/ cm2的連續(xù)太赫茲波輻照淋巴細(xì)胞1，2 和24 h，用熒光原位雜交技術(shù)(FISH)檢測(cè)1，10，11 和17 號(hào)染色體數(shù)的變化及其中心粒復(fù)制時(shí)間的變化.結(jié)果發(fā)現(xiàn)11 號(hào)染色體和17 號(hào)染色體最為脆弱(暴露2 和24 h 后非整倍體增加約30%)，而1 號(hào)染色體和10 號(hào)染色體未受影響.還觀察到11，17 和1 的著絲點(diǎn)在暴露2 h 后異步復(fù)制模式發(fā)生了40%的變化，4 個(gè)著絲點(diǎn)在暴露24 h 后異步復(fù)制模式發(fā)生了50%的變化.推測(cè)這些效應(yīng)是由輻射誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)和DNA 的低頻集體振動(dòng)模式引起的.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，體外暴露在0.1 THz低功率密度輻射下的淋巴細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定.

Homenko 等[56]研究了太赫茲輻射對(duì)堿性磷酸酶活性和抗原抗體相互作用的影響，太赫茲輻射頻率為100 GHz，輻射強(qiáng)度為0.08 mW/cm2，輻照時(shí)間30—120 min.在該輻照條件下研究了堿性磷酸酶與底物對(duì)硝基苯磷酸的相互作用，結(jié)果顯示液態(tài)堿性磷酸酶受太赫茲波照射會(huì)導(dǎo)致酶活性略微減少，但統(tǒng)計(jì)上有明顯降低，輻照時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)致催化能力越弱.在對(duì)抗原抗體相互作用的影響實(shí)驗(yàn)中顯示太赫茲波輻照可降低抗原-抗體復(fù)合物的穩(wěn)定性.

4.4.2 太赫茲波對(duì)基因表達(dá)的影響

有許多實(shí)驗(yàn)表明，強(qiáng)太赫茲波會(huì)顯著影響基因表達(dá)的水平.Alexandrov 等[43]研究了太赫茲輻射對(duì)小鼠間充質(zhì)干細(xì)胞的非熱效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)采用了脈沖寬帶(1—30 THz)激光等離子體氣體太赫茲輻射源以及一個(gè)光泵浦的分子氣體連續(xù)波太赫茲激光源(2.52 THz)輻照小鼠間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)物.為盡量減少熱對(duì)基因活性的影響，溫度保持在26—27 ℃，連續(xù)波太赫茲輻射平均強(qiáng)度控制在1—3 mW/cm2.研究結(jié)果表明連續(xù)波太赫茲輻射對(duì)熱休克蛋白(HSP105，HSP90 以及CRP)的表達(dá)沒有影響，而寬頻脈沖太赫茲波輻照細(xì)胞9 h，某些基因(Adiponectin，GLUT4，以及PPARG)則產(chǎn)生了明顯的上調(diào).

Titova 等[57]發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)太赫茲脈沖會(huì)影響與人類非黑色素瘤皮膚癌、牛皮癬、特應(yīng)性皮炎有關(guān)的人類皮膚組織大量基因的表達(dá)水平.如圖7 所示，能量為1 μJ、頻率為0.2—2.5 THz 的太赫茲脈沖輻照皮膚組織10 min，發(fā)現(xiàn)有422 個(gè)基因的表達(dá)水平發(fā)生變化;即使能量降低10 倍，即為0.1 μJ，仍然有397 個(gè)基因表達(dá)水平被改變.受強(qiáng)太赫茲脈沖影響的基因包括近一半的表皮分化復(fù)合體(EDC)成員.EDC 基因定位于人類染色體1q21 區(qū)域，編碼參與表皮分化的蛋白質(zhì)，在銀屑病和皮膚癌等疾病中經(jīng)常過(guò)度表達(dá).在幾乎所有因暴露于強(qiáng)太赫茲脈沖而表達(dá)不同的基因中，轉(zhuǎn)錄水平的變化與疾病相關(guān)的變化相反.強(qiáng)太赫茲脈沖能夠引起與炎癥性皮膚病和皮膚癌相關(guān)的多個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同有利變化，這表明強(qiáng)太赫茲脈沖具有潛在的治療應(yīng)用價(jià)值.

圖7 強(qiáng)太赫茲脈沖誘導(dǎo)的人類皮膚的基因表達(dá).維恩圖概括了EpiDermFT 組織受1.0 μJ 或者0.1 μJ 太赫茲脈沖輻照后基因表達(dá)的變化[57]Fig.7.Intense THz-pulse-induced gene expression in human skin.Venn diagrams summarizing differentially-expressed genes in EpiDermFT tissues exposed to either 1.0 μJ or 0.1 μJ THz pulses[57].

Echchgadda 等[58]研究了不同太赫茲頻率的太赫茲輻射對(duì)人角質(zhì)形成細(xì)胞基因表達(dá)的影響.實(shí)驗(yàn)中選用了3 種太赫茲頻率，分別是1.4，2.52 和3.11 THz，輻照強(qiáng)度為44.2 mW/cm2，輻照時(shí)間20 min.結(jié)果顯示每種頻率的太赫茲波觸發(fā)了特定的基因和代謝信號(hào)通路，這提示不同頻率的太赫茲輻射可能引起不同的生化和細(xì)胞反應(yīng)，他們指出要把太赫茲輻射作為刺激特定細(xì)胞表型特性(如形態(tài)、生物化學(xué)或生理特征)的潛在工具時(shí)，需要仔細(xì)選擇太赫茲波的頻率，旨在調(diào)節(jié)其反應(yīng)或者條件行為.

在國(guó)內(nèi)，天津大學(xué)何明霞團(tuán)隊(duì)[59]研究了光整流太赫茲輻射對(duì)3 種不同人眼細(xì)胞基因的影響，通過(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序發(fā)現(xiàn)，使用上述寬頻太赫茲輻射源輻照6 h 后導(dǎo)致了基因表達(dá)的改變以及與這些基因相關(guān)的生物功能的變化.他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，太赫茲輻射對(duì)基因表達(dá)的影響能持續(xù)超過(guò)15 h 且依賴于細(xì)胞的種類.最近，西安交通大學(xué)的盧曉云團(tuán)隊(duì)[60]使用轉(zhuǎn)錄組基因測(cè)試技術(shù)，研究了頻率為0.1 THz 的太赫茲波對(duì)神經(jīng)細(xì)胞DNA 分子中基因表達(dá)的影響和這種作用的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)有111 個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，54 個(gè)基因表達(dá)下調(diào).這些結(jié)果表明，太赫茲輻射可能影響轉(zhuǎn)錄因子和DNA 的相互作用，并導(dǎo)致基因表達(dá)的改變.

4.4.3 強(qiáng)太赫茲波對(duì)生物大分子的損傷作用

高功率連續(xù)太赫茲波的熱效應(yīng)會(huì)損傷生物大分子.例如Korenstein-Ilan 等[55]使用頻率為1.89 THz、強(qiáng)度為189.92 mW/cm2的連續(xù)波太赫茲輻射輻照新鮮豬鼻子、豬腿、豬耳朵60 min，觀察到組織溫度升高15—18 ℃，雖然未觀察到明顯的組織損傷跡象，然而一些樣品顯示出可見的蛋白凝固，于是做了后續(xù)的蛋白實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫度升高10—12 ℃，有一些蛋白出現(xiàn)了凝固的現(xiàn)象，即這些蛋白質(zhì)分子受到損傷而變性.

強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波也會(huì)損傷生物大分子.Titova等[61]從實(shí)驗(yàn)上研究了脈沖太赫茲輻射對(duì)人體皮膚組織的生物學(xué)效應(yīng)，使用傾斜波前激光泵浦鈮酸鋰晶體的光整流寬帶脈沖太赫茲輻射源，脈沖能量可達(dá)1 μJ，重復(fù)頻率1 kHz，光斑直徑1.5 mm，最高強(qiáng)度為57 mW/cm2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，暴露10 min會(huì)導(dǎo)致H2AX 的顯著磷酸化，DNA 雙鏈斷裂造成DNA 損傷.同時(shí)，幾種負(fù)責(zé)細(xì)胞周期調(diào)控和腫瘤抑制的蛋白質(zhì)水平增加，表明DNA 損傷修復(fù)機(jī)制被快速激活.

如果使用可引起非線性共振效應(yīng)的某些特定頻率的強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波，去針對(duì)性對(duì)癌細(xì)胞DNA 分子作用，則有可能抑制癌細(xì)胞.DNA 甲基化可調(diào)控基因表達(dá)的關(guān)鍵的DNA 表觀遺傳修飾，血癌細(xì)胞DNA 分子甲基化程度對(duì)應(yīng)特征共振頻率大致為1.7 THz.Cheon 等[62]使用頻率為1.7 THz的強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波輻照上述血癌細(xì)胞，引發(fā)非線性共振效應(yīng)，可導(dǎo)致甲基-DNA 鍵斷裂，去甲基化程度高達(dá)70%.該團(tuán)隊(duì)還使用強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波輻照黑色素瘤細(xì)胞[63]以評(píng)估太赫茲波去甲基化在細(xì)胞水平上的影響，并驗(yàn)證太赫茲波對(duì)DNA 的損傷.結(jié)果顯示，40 μW 的太赫茲波輻照30 min 后，黑色素瘤細(xì)胞內(nèi)DNA 甲基化程度降低了約10%—15%.圖8為黑色素瘤細(xì)胞內(nèi)DNA 去甲基化程度隨太赫茲波輻照時(shí)間的變化曲線.上述結(jié)果表明，使用強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波可以操控DNA 基因組甲基化，即強(qiáng)太赫茲輻射具有誘導(dǎo)DNA 去甲基化的能力，因此可作為表觀遺傳抑制劑，可能在癌癥治療中有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

圖8 黑色素瘤細(xì)胞內(nèi)DNA 去甲基化程度隨太赫茲波輻照時(shí)間的變化曲線[63]Fig.8.THz demethylation dependence on exposure time in M-293T DNA[63].

5 太赫茲波生物效應(yīng)的潛在應(yīng)用

已有的太赫茲波生物效應(yīng)的研究成果顯示有許多潛在的應(yīng)用，如可用于制定行業(yè)安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，或可能用于人類某些疾病的治療.

5.1 用于制定行業(yè)安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

從目前已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)太赫茲波輻照劑量(即一定頻率的太赫茲輻射源強(qiáng)度和輻照時(shí)間)達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，將對(duì)生物組織和細(xì)胞帶來(lái)永久性的傷害.如頻率0.1—1 THz 的自由電子激光器太赫茲輻射源輻照生物組織時(shí)，其損傷閾值[40]為7.16 W/cm2.使用頻率為2.52 THz、強(qiáng)度為227 mW/cm2的光學(xué)泵浦分子氣體太赫茲源輻照J(rèn)urkat 細(xì)胞的數(shù)據(jù)顯示，60%的Jurkat 細(xì)胞在30 min 的太赫茲暴露中存活，而只有20%的細(xì)胞在40 min 的暴露中存活[13].這些結(jié)果提醒人們必須考慮太赫茲波的安全性.近年來(lái)隨著太赫茲技術(shù)更加廣泛和更深入的應(yīng)用，使用高功率的太赫茲輻射源的場(chǎng)景越來(lái)越多，風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越大[64].目前針對(duì)太赫茲生物效應(yīng)的研究尚不夠充分，不同種類不同頻率太赫茲輻射源的損傷閾值數(shù)據(jù)仍然很有限，因此，針對(duì)太赫茲輻射損傷閾值的研究對(duì)于制定太赫茲行業(yè)安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)以確保潛在暴露人群的安全性至關(guān)重要.此外，還有必要研究長(zhǎng)期暴露在太赫茲輻射環(huán)境下對(duì)人體基因和遺傳的慢性影響，這是長(zhǎng)期安全使用太赫茲技術(shù)的前提和基礎(chǔ).國(guó)內(nèi)陸軍軍醫(yī)大學(xué)的余爭(zhēng)平教授團(tuán)隊(duì)開展了多年的相關(guān)研究并在近期取得了許多研究進(jìn)展[38，39].

5.2 用于某些疾病的治療

從目前已有的太赫茲波生物效應(yīng)研究結(jié)果看，太赫茲波潛在的治療作用主要表現(xiàn)在以下6 方面:

1)某些疾病的輔助治療.對(duì)某類組織或細(xì)胞，較低劑量的太赫茲輻照有一些良性作用，如細(xì)胞活性增加，促進(jìn)血液循環(huán)，有可能用于理療，如關(guān)節(jié)炎、肩周炎等一些慢性疾病局部輔助治療.此外，太赫茲波還有可能用于燒傷創(chuàng)面的治療[33].

2)用于皮膚病治療.強(qiáng)太赫茲脈沖能夠引起與炎癥性皮膚病和皮膚癌相關(guān)的多個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同有利變化[57]，這表明強(qiáng)太赫茲脈沖具有潛在的治療應(yīng)用價(jià)值，有可能發(fā)展人類皮膚病的太赫茲波治療新技術(shù).但有關(guān)各種皮膚病的太赫茲波生物效應(yīng)研究目前還較少有相關(guān)結(jié)果報(bào)道，還需要做大量的前期研究工作.

3)用于白血病的治療.對(duì)于受強(qiáng)太赫茲波輻照導(dǎo)致的骨髓間質(zhì)干細(xì)胞增殖現(xiàn)象，有可能將來(lái)用于白血病的治療.或者利用強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波誘導(dǎo)DNA去甲基化治療血癌[63].

4)強(qiáng)太赫茲輻射具有誘導(dǎo)DNA 去甲基化的能力[62]，因此可作為表觀遺傳抑制劑，可能在癌癥治療中有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

5)用于腫瘤的直接物理治療.目前有關(guān)太赫茲波導(dǎo)致癌細(xì)胞凋亡[13]或癌組織消融[19]的實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)論是利用太赫茲波的熱效應(yīng)還是其非熱效應(yīng)，都有可能殺死癌細(xì)胞或消融癌組織，但最有前途的是有望利用其非熱效應(yīng)發(fā)展太赫茲波無(wú)炎癥腫瘤物理治療的新技術(shù)，因?yàn)椴粫?huì)產(chǎn)生疤痕，尤其適合對(duì)美觀度要求較高的部位如面部或身體其他暴露部位的腫瘤以及乳腺癌的治療.當(dāng)然，對(duì)于不同種類的腫瘤，因損傷閾值不同，或者對(duì)于同一種類的腫瘤，不同的強(qiáng)太赫茲輻射源對(duì)其的損傷閾值也不一樣，所以還需要做大量的前期離體腫瘤細(xì)胞凋亡實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)，才能用于臨床試驗(yàn).

6)太赫茲技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合的癌癥綜合治療技術(shù).強(qiáng)場(chǎng)太赫波可以增加細(xì)胞膜的通透性[14]，促進(jìn)細(xì)胞吸納納米顆粒而不引起細(xì)胞凋亡、壞死或生理?yè)p傷，有可能發(fā)展太赫茲波和藥物傳遞綜合治療新技術(shù)，用于腫瘤或其他基因疾病的治療.

6 總結(jié)和展望

太赫茲波與生物材料的作用可以產(chǎn)生熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)或者二者兼而有之的生物效應(yīng).一般認(rèn)為熱效應(yīng)主要來(lái)自生物組織或細(xì)胞內(nèi)水分子對(duì)太赫茲波的強(qiáng)烈吸收，而非熱效應(yīng)主要來(lái)自于生物大分子的非線性共振效應(yīng).究竟是哪種效應(yīng)占主導(dǎo)地位，依賴于所使用的太赫茲輻射源的特性和指標(biāo)，如連續(xù)波還是脈沖波、脈沖寬度、頻率范圍、單位面積上的輻照能量或輻照功率等因素(即輻照強(qiáng)度或功率密度)、輻照時(shí)間以及受輻照的生物材料特性等.無(wú)論是熱效應(yīng)還是非熱效應(yīng)，如果輻照劑量足夠大，都可能發(fā)生在從生物大分子、細(xì)胞器、細(xì)胞、組織和生物個(gè)體的多個(gè)層次上，這些不同層次的作用大多相互關(guān)聯(lián).從微觀到宏觀來(lái)看，太赫茲波對(duì)生物大分子的作用通過(guò)各種通路和機(jī)制最終體現(xiàn)在細(xì)胞和組織的結(jié)構(gòu)和功能變化上，以及對(duì)生物個(gè)體的生理和行為的影響上.

對(duì)某類細(xì)胞或組織而言，一定輻照劑量的太赫茲波可促進(jìn)其生長(zhǎng)，因而有可能作為某些慢性疾病的理療手段或者某些疾病的綜合治療方案中的輔助治療手段.更強(qiáng)的太赫茲波則是一把雙刃劍，一方面可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或壞死而損傷正常細(xì)胞，提醒人們必須考慮其對(duì)操作人員的安全性，基于不同太赫茲波的損傷閾值數(shù)據(jù)制定相應(yīng)的安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn).另一方面，可以利用強(qiáng)太赫茲波誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，或者利用強(qiáng)場(chǎng)太赫茲波增加細(xì)胞膜的通透性來(lái)介導(dǎo)納米顆粒藥物，讓這些藥物更容易進(jìn)入靶細(xì)胞，從而提高治療效果，縮短治療周期，因而在某些疾病的治療尤其是惡性腫瘤的物理治療等方面可能有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值.

本文歸納了能夠產(chǎn)生太赫茲生物效應(yīng)的強(qiáng)太赫茲輻射源種類，介紹了兩類生物效應(yīng)的物理機(jī)理，重點(diǎn)綜述了從宏觀到微觀的生物效應(yīng)的研究成果和進(jìn)展，最后預(yù)測(cè)了這些生物效應(yīng)研究成果可能的潛在應(yīng)用，全文的邏輯結(jié)構(gòu)如圖9 所示.太赫茲波的生物效應(yīng)研究也面臨一些挑戰(zhàn).由于各種太赫茲輻射源的參數(shù)不同和生物組織、細(xì)胞等生物材料不同，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果千差萬(wàn)別，不同太赫輻射源對(duì)不同生物材料產(chǎn)生生物效應(yīng)的量效關(guān)系數(shù)據(jù)還很有限，到目前為止用于生物效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的生物材料種類還不是很多，實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的緊湊型強(qiáng)太赫茲輻射源還很缺乏，因此，有關(guān)太赫茲波生物效應(yīng)的研究還需要做大量的工作，尤其是對(duì)于太赫茲波對(duì)生物材料的量效關(guān)系、作用機(jī)制和信號(hào)通路等還需要更充分和更深入的研究.可以相信，隨著太赫茲技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的太赫茲波生物效應(yīng)的研究成果必將造福于人類生命健康.

圖9 包括太赫茲波主要生物效應(yīng)的本文邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.9.Logical structure diagram including the main bio-effects of THz waves summarized in this paper.