Abstract
Irradiation of terahertz electromagnetic wave including its short-wave band in infrared wave shows broad and important application prospects in biological science due to its noninvasive and nonionizing nature. Cell membrane is an important biological barrier for keeping cell integrity and homeostasis, and it is also the cellular structure that electromagnetic fields are firstly on in the case of terahertz irradiation. The responses of cell membrane to the electromagnetic fields are the mechanisms for most of the biological effects of terahertz irradiation. This paper at first expatiates the application safety of terahertz irradiation and its new application prospects in life medicine, neural regulation and artificial intelligence. Then, it systematically expatiates on the researches and developments in the biological effects of cell membrane under terahertz electromagnetic irradiation from the following four aspects: dielectric response characteristics of phospholipid membrane to terahertz electromagnetic irradiation, transmembrane transport of ions through membrane ion channel proteins under the irradiation, transmembrane transport of macromolecules and ions through phospholipid membrane under the irradiation, and the potential applications and role of biological effects of cell membrane under the irradiation. Meanwhile, the scientific discoveries that terahertz electromagnetic irradiation is able to activate voltage-gated calcium channels, voltage-gated potassium channels and active transport calcium channels in cell membrane and to create hydrophilic pores on the phospholipid membrane of cell membrane are introduced. At last, the summary and the directions of future efforts for the researches on the biological effects of cell membrane under terahertz irradiation are discussed.
Highlights
此外,近年来研究还发现,太赫兹电磁辐照能够调节生物活动及功能,产 生出促进受损伤生物组织及生命功能的康复、利于心绞痛的治疗等作为生命医药 的功能作用。2005 年,Ostrovskiy 等采用 0.15 THz 的电磁场对病人的受灼伤部 位进行辐照,发现太赫兹电磁辐照能够促使病人的局部灼伤皮肤组织康复[11]。 2015 年,Chen 等采用 0.3-100 THz 的电磁场对手术后大鼠的坐骨神经组织进行 辐照,发现太赫兹电磁辐照加速了大鼠的受损伤坐骨神经组织康复[13]。2018 年, Wei 等采样了患有精子活力不足病人的精子细胞,采用 0.1-3 THz 的电磁场辐照, 发现太赫兹电磁辐照 5 min 以上能够显著提升精子活力[15]。2008 年,Kirichuk 等 采样了接受硝酸异山梨酯药物治疗的、患有不稳定心绞痛病人的全血,采用 0.24 THz 频率、1 mW/cm2 功率的太赫兹电磁场进行辐照,发现辐照后血液的粘稠度 下降,将太赫兹辐照后的硝酸异山梨酯药物加入血液中,血液的粘稠度进一步下 降,同时血液中红细胞的形变功能增强,但对红细胞凝聚没有影响,这无疑有利 于不稳定心绞痛疾病的治疗[12]。同年,Kirichuk 等还采用束缚应激的方法使雌性 和雄性大鼠产生血小板凝聚功能的异常,采用 0.15 THz 的电磁场对大鼠辐照,发 现辐照后大鼠的血小板凝聚功能得到完全康复,且雌性大鼠血小板功能的康复更
(‘Gauss’ in the figure) compared with low-frequency terahertz sine wave irradiation (‘sine’ in the figure). [Ca]i is the intracellular calcium concentration after increase induced by the transmembrane transport calcium flux due to the activation of voltage-gated calcium channel in cell membrane under terahertz electromagnetic irradiation, ∆T is the maximum temperature rise in the cell system under terahertz irradiation: (a) THz Gauss pulse flattens more the relation curve of
[Ca]i with terahertz-irradiated electric field amplitude compared to THz sine wave irradiation, and it indicates the reduction in the inhibition effect on voltage-gated calcium channel; (b) To raise the
Summary
此外,近年来研究还发现,太赫兹电磁辐照能够调节生物活动及功能,产 生出促进受损伤生物组织及生命功能的康复、利于心绞痛的治疗等作为生命医药 的功能作用。2005 年,Ostrovskiy 等采用 0.15 THz 的电磁场对病人的受灼伤部 位进行辐照,发现太赫兹电磁辐照能够促使病人的局部灼伤皮肤组织康复[11]。 2015 年,Chen 等采用 0.3-100 THz 的电磁场对手术后大鼠的坐骨神经组织进行 辐照,发现太赫兹电磁辐照加速了大鼠的受损伤坐骨神经组织康复[13]。2018 年, Wei 等采样了患有精子活力不足病人的精子细胞,采用 0.1-3 THz 的电磁场辐照, 发现太赫兹电磁辐照 5 min 以上能够显著提升精子活力[15]。2008 年,Kirichuk 等 采样了接受硝酸异山梨酯药物治疗的、患有不稳定心绞痛病人的全血,采用 0.24 THz 频率、1 mW/cm2 功率的太赫兹电磁场进行辐照,发现辐照后血液的粘稠度 下降,将太赫兹辐照后的硝酸异山梨酯药物加入血液中,血液的粘稠度进一步下 降,同时血液中红细胞的形变功能增强,但对红细胞凝聚没有影响,这无疑有利 于不稳定心绞痛疾病的治疗[12]。同年,Kirichuk 等还采用束缚应激的方法使雌性 和雄性大鼠产生血小板凝聚功能的异常,采用 0.15 THz 的电磁场对大鼠辐照,发 现辐照后大鼠的血小板凝聚功能得到完全康复,且雌性大鼠血小板功能的康复更. 近年来,太赫兹电磁辐照下细胞膜的生物效应的研究成果不断涌现,研究 角度也从细胞层面不断向微观深入,达到分子及原子基团层面,但是,现阶段缺 乏对该领域研究成果梳理介绍的综述性论文。本文从太赫兹电磁辐照下细胞膜介 电响应的特性、细胞膜上离子通道蛋白的离子跨膜输运、细胞膜上磷脂膜的大分 子和离子跨膜输运,以及细胞膜生物效应在生命医药、神经调节、及人工智能等 重要领域的潜在应用和作用四个方面,对太赫兹电磁辐照下细胞膜生物效应的研 究进展及科学发现进行介绍,并根据现阶段的研究进展,对太赫兹应用中太赫兹 辐照下细胞膜生物效应的研究发展和今后努力的方向进行了展望。 2008-2009 年,Paparo等采用太赫兹时域光谱技术,在0.2-1.8 THz的频率范 围,对不同水合程度的DOPC磷脂双分子层膜以及纯水的介电响应特性进行测量, 采用二阶Debye弛豫模型对介电响应的特性曲线进行拟合,分析了介电响应中一 阶和二阶弛豫时间的参数值,发现水分子结合到磷脂膜上时介电响应的一阶弛豫 时间比在体相水时显著减小,因为太赫兹时域光谱的测量方法对水分子的氢键网 络高度集体振动模式很灵敏,一阶弛豫时间与氢键网络中水分子数目强相关,因 而作者认为束缚在双层膜中的水分子对氢键网络的高度集体振动模式产生了抑 制作用,从而加速了一阶弛豫过程,导致振动模式“蓝移”,在时域上体现为一 阶弛豫时间的显著减小,结果还指出水溶液环境中的水分子结合到磷脂膜上,在 磷脂膜上形成稀疏分布的“水池”[43, 44]。 囊(磷脂膜包覆水滴),然后采用太赫兹时域光谱技术,在0.4-0.8 THz的频率范 围,对磷脂膜囊水溶液的介电响应特性进行测量,揭示出磷脂分子的极性头部化 学基团的差异会影响膜—水界面的水合状态、以及界面上结合水的分子动力学行 为 [46]。
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