王學(xué)東,周 丹,徐 然,陳 路,宋曉香,王譽(yù)錕
(長春中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院,長春 130117)
一切動(dòng)物、植物,小到組織、細(xì)胞等均可以自發(fā)地向外發(fā)射一種微弱光子流,這種現(xiàn)象稱為生物超微弱發(fā)光(ultra-weak bioluminescence,UWB),這種叫法強(qiáng)調(diào)了該過程的生物起源。此外,其也可以稱為低水平化學(xué)發(fā)光,該叫法強(qiáng)調(diào)光子輻射強(qiáng)度非常低,其發(fā)光強(qiáng)度僅為102~103hv/(s·cm2),比正常人眼敏感度閾值低幾個(gè)數(shù)量級(jí),因此肉眼無法直接觀察到這種微弱光子[1]。其又稱為自發(fā)光[2],該叫法強(qiáng)調(diào)光子發(fā)射不需要任何外部刺激。關(guān)于生物超微弱發(fā)光的研究最早可以追溯到1923年,當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)科學(xué)家Gurwitsch在他的“洋蔥實(shí)驗(yàn)”中首次發(fā)現(xiàn)生物超微弱發(fā)光,但由于技術(shù)限制等原因,這一發(fā)現(xiàn)并沒有被科學(xué)家廣泛認(rèn)可,直至1954年意大利科學(xué)家Colli利用更為先進(jìn)的光學(xué)探測技術(shù)才證明了生物超微弱發(fā)光的存在[3]。生物超微弱發(fā)光與一般的生物發(fā)光不同,一般生物發(fā)光的強(qiáng)度比生物超微弱發(fā)光強(qiáng),發(fā)出來的光肉眼直接可見,且與特定的生化反應(yīng)有關(guān),如眾所周知的螢火蟲、水母、南極磷蝦等[4]。無需任何特殊專用高強(qiáng)度發(fā)光酶系統(tǒng)(如熒光素、熒光素酶等)的自發(fā)光子發(fā)射是生物超微弱發(fā)光與普通生物發(fā)光的區(qū)別。
因?yàn)樯锍⑷醢l(fā)光十分微弱,所以要想對(duì)其進(jìn)行有效檢測,必須使用背景噪聲極低和極高探測靈敏度的光電探測儀器。目前用于探測生物超微弱發(fā)光的儀器常分為兩大類:一類是以光電倍增管(photomultiplier tube,PMT)為主的單光子計(jì)數(shù)探測系統(tǒng),其可利用生命系統(tǒng)的量子統(tǒng)計(jì)特性來闡明生物超微弱發(fā)光的基本機(jī)制,還可以提供生物超微弱發(fā)光的時(shí)域信息;另一類是利用生物光子發(fā)射的空間分布測量或成像來描述生物超微弱發(fā)光的系統(tǒng),如電荷耦合裝置(charge-coupled device,CCD)等[5]。
目前,關(guān)于生物超微弱發(fā)光的研究已經(jīng)非常廣泛,但大多都是對(duì)農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展,生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)也逐漸用于臨床及實(shí)驗(yàn)室研究。這表明生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用前景。
一般人體生物超微弱發(fā)光呈左右對(duì)稱性分布,最大偏差不超過25%,但在疾病狀態(tài)下,這種平衡會(huì)被打破[6-7]。這種“非平衡”現(xiàn)象與人體內(nèi)產(chǎn)生的過量活性氧(reactive oxygen species,ROS)有著密切的關(guān)系。在正常人體內(nèi),ROS不斷生成,也不斷被體內(nèi)的保護(hù)酶消除,從而維持平衡狀態(tài),而當(dāng)人體發(fā)生病理改變后,產(chǎn)生的ROS增加,保護(hù)酶活性下降,具體如圖1所示。Burgos等[8]使用HL-60細(xì)胞作為體外模型探索生物超微弱發(fā)光與ROS的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)ROS越高,生物超微弱發(fā)光越強(qiáng)[9-10]。ROS負(fù)責(zé)參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞凋亡和抗炎調(diào)節(jié)等活動(dòng)[11]。因此,可以通過生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)對(duì)人體ROS的觀察來探究人體是否處于病理狀態(tài)。
圖1 應(yīng)激狀態(tài)下的生物超微弱發(fā)光Fig. 1 ROS under stress
生物超微弱發(fā)光作為一種潛在的檢測ROS氧化代謝或氧化應(yīng)激過程的新工具,還可以用于觀察和評(píng)估熱休克[12]。紫外線照射1~3 min后產(chǎn)生的生物超微弱發(fā)光是評(píng)估皮膚急性紫外線損傷的有效指標(biāo)[13]。Gabe等[14]通過檢測長效生物超微弱發(fā)光來評(píng)估皮膚亞臨床慢性曬傷情況,在分析了所有受試者紫外線照射1~3 min的生物超微弱發(fā)光與各種皮膚指標(biāo)狀況后發(fā)現(xiàn),皮膚的含水量越高,生物超微弱發(fā)光越強(qiáng),表明含水量對(duì)紫外線損傷有較高的敏感性,但還需要進(jìn)一步的研究來闡明長效生物超微弱發(fā)光與光老化之間的詳細(xì)關(guān)系。此外,Wijk等[15]還對(duì)人皮膚上的傷口進(jìn)行了生物超微弱發(fā)光檢測,對(duì)比發(fā)現(xiàn),該部位的生物超微弱發(fā)光增強(qiáng)。以上研究表明,通過生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)監(jiān)測患者的皮膚狀態(tài)是可行的,還可以用來評(píng)估人體皮膚的損傷程度等。
生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)還廣泛應(yīng)用于疾病的輔助診斷方面,可以將生物超微弱發(fā)光視為一種自然且有前途的非侵入性光譜工具,用于幫助診斷各種疾病、壓力和情緒狀態(tài)障礙等。
一項(xiàng)對(duì)人體食指和中指生物超微弱發(fā)光的研究發(fā)現(xiàn),甲狀腺功能減退癥患者的發(fā)光強(qiáng)度總是低于正常人,且在甲狀腺被切除的人群中也發(fā)現(xiàn)了這種生物超微弱發(fā)光低排放的現(xiàn)象[16]。Yang等[17]報(bào)道了健康人和感冒患者的光譜分布在最大光譜峰處也存在明顯的差異。此外,還有對(duì)血細(xì)胞、癌細(xì)胞、血漿、組織以及尿液、唾液等代謝產(chǎn)物生物超微弱發(fā)光的研究[18-20]。祁李娟[20]研究發(fā)現(xiàn),高血壓患者血液的生物超微弱發(fā)光強(qiáng)度明顯低于正常人,而高血糖、高血脂患者血液的生物超微弱發(fā)光強(qiáng)度則高于正常人。此外,Murugan等[21]在研究中發(fā)現(xiàn)可以通過生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)區(qū)分早期惡性腫瘤。Baran等[22]還將生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)用于辨別白血病患者。癌癥作為一種極難治愈的疾病,越早發(fā)現(xiàn)越容易治愈。因此,有望通過生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)解決癌癥早期難以發(fā)現(xiàn)的問題。Esmaeilpour等[18]研究了神經(jīng)干細(xì)胞的生物超微弱發(fā)光,發(fā)現(xiàn)生物超微弱發(fā)光的強(qiáng)度通過連續(xù)傳代增加,第六代增強(qiáng)最明顯,且各組干細(xì)胞分化后,生物超微弱發(fā)光強(qiáng)度均低于分化前,此發(fā)現(xiàn)有助于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的輔助診斷。除疾病診斷方面外,曹家楨等[23]還將生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)用于驗(yàn)證胃潰瘍小鼠造模是否成功的輔助診斷上,結(jié)果發(fā)現(xiàn),造模成功的胃潰瘍小鼠胃部發(fā)光明顯高于對(duì)照組。該研究成功將生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)造模這一新領(lǐng)域。
在生物超微弱發(fā)光的諸多研究中,大多均以光子強(qiáng)度作為主要參數(shù)進(jìn)行描述,對(duì)其他屬性值的報(bào)道較少。隨著研究的發(fā)展,一些學(xué)者引入了可以表征生物超微弱發(fā)光信號(hào)的其他參數(shù),如Q值、壓縮狀態(tài)參數(shù)(squeezed state index,SSI)和Fano因子等,極大地豐富了對(duì)被編碼信息量的理解[24-25]。Q值是觀察信號(hào)與泊松分布偏差的指標(biāo),其正值表示超泊松分布,負(fù)值表示子泊松分布;SSI由光子信號(hào)的光子計(jì)數(shù)分布決定,用于估計(jì)預(yù)期的光子計(jì)數(shù)和實(shí)際觀察到的光子數(shù)分布、信號(hào)強(qiáng)度之間的分離以及生物系統(tǒng)的整體狀態(tài)等。Yang等[6]對(duì)2型糖尿病患者的Q值、Fano因子等研究發(fā)現(xiàn):不同受試者的同一身體部位Q值不同,糖尿病患者肚臍、心臟、喉嚨和額頭的Q值均低于健康人,證明其光子計(jì)數(shù)為子泊松度分布,而腹部的Q值高于健康人,光子計(jì)數(shù)分布為超泊松分布;健康人與2型糖尿病患者的咽喉和額頭的SSI有明顯差異(P<0.05),2型糖尿病患者咽喉和額頭的SSI明顯低于健康人,證明其生物光子發(fā)射的相干性比健康人差。Q值、SSI和Fano因子等新型屬性的報(bào)道豐富了生物超微弱發(fā)光的研究,也提供了除生物光子強(qiáng)度外的其他研究方向,這將推動(dòng)生物超微弱發(fā)光研究的進(jìn)一步發(fā)展。
中醫(yī)認(rèn)為“陰平陽秘,精神乃至,陰陽離決,精氣乃絕”。一個(gè)人是否健康取決于陰陽動(dòng)態(tài)的平衡,這與西醫(yī)檢測人體ROS動(dòng)態(tài)變化來辨別人體健康狀態(tài)這一觀點(diǎn)不謀而合。生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)已廣泛用于針灸、中藥的研究。針灸療法和中藥療法是最具中醫(yī)特色的治療方式之一。結(jié)合生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)對(duì)針灸以及中藥治療過程進(jìn)行觀察,可以體現(xiàn)生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)的科學(xué)性,更有望通過現(xiàn)代化技術(shù)解釋中醫(yī)不同治療方式的原理。
針灸被認(rèn)為是一種更溫和、高效的治療方式,可以用于改善生活質(zhì)量,尤其是在疾病晚期和衰老領(lǐng)域等。目前,對(duì)經(jīng)絡(luò)生物超微弱發(fā)光的研究普遍發(fā)現(xiàn),經(jīng)穴區(qū)的生物超微弱發(fā)光強(qiáng)度高于周圍非經(jīng)穴區(qū)強(qiáng)度,男性經(jīng)穴區(qū)發(fā)光高于女性,成人高于兒童[26],且測量手部的生物超微弱發(fā)光高亮點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化與經(jīng)絡(luò)循行路線有潛在的對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]。Guo等[25]使用化學(xué)指示劑觀察到ROS分布的熒光圖像,發(fā)現(xiàn)生物超微弱發(fā)光最強(qiáng)的區(qū)域與人體經(jīng)絡(luò)線重疊。針刺子、母穴后發(fā)現(xiàn):生物超微弱發(fā)光的差異與人體陰陽經(jīng)和性別等均相關(guān),六陰經(jīng)母穴發(fā)光高于子穴;六陽經(jīng)子、母穴發(fā)光有子穴發(fā)光高于母穴發(fā)光的趨勢,然而這種規(guī)律并不明顯[26]。Guo等[27]還對(duì)腧穴配伍與單一腧穴治療功能性消化不良(functional dyspepsia,F(xiàn)D)患者的療效差異展開了研究,治療4周后發(fā)現(xiàn),配伍腧穴聯(lián)合治療對(duì)降低FD患者的生物超微弱發(fā)光效果最好。以上研究表明,在針刺研究方面,通過生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)觀察到的人體光學(xué)現(xiàn)象與經(jīng)絡(luò)循行特點(diǎn)相符,還可以用于針刺療效的觀察。
Yanagawa等[28]進(jìn)行了一項(xiàng)艾灸熱刺激效果的試驗(yàn)研究,在肚臍上施以一定的艾灸治療后,為了祛除皮膚表面的汗液或分泌物,用不含熒光物質(zhì)的紙巾擦拭艾點(diǎn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)了來自艾點(diǎn)的生物超微弱發(fā)光的特殊變化規(guī)律,而在牛皮制成的特殊艾席上進(jìn)行相同艾處理后對(duì)生物超微弱發(fā)光則并無特殊影響。此外,艾灸手厥陰心包經(jīng)的循行路線后發(fā)現(xiàn),其與周邊非經(jīng)絡(luò)組織上的光傳輸效率都明顯降低,但手厥陰心包經(jīng)上的光傳輸效率衰減更顯著,與陰經(jīng)屬性相對(duì)應(yīng)[29]。
以上關(guān)于生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)在針灸方面的應(yīng)用證明,將該技術(shù)用于經(jīng)絡(luò)方面可以進(jìn)一步探究腧穴的本質(zhì),還可以研究腧穴的配伍規(guī)律,方便探究更高效的治療方式。
中藥藥性理論是中醫(yī)藥基礎(chǔ)理論的核心之一。狹義的中藥藥性是指寒、熱、溫、涼四種藥性,而中醫(yī)在遣方用藥時(shí)運(yùn)用的中藥藥性,正是中藥寒、熱、溫、涼的四種偏性。
聶曉艷等[30]認(rèn)為,利用柵藻作為生物指示劑的K值可以表征中藥的寒熱藥性。Zapata等[31]在此基礎(chǔ)上,利用生物光子的相干性對(duì)小鼠進(jìn)行中藥灌胃,通過生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)驗(yàn)證了使用柵藻指示劑法的K值來表征中藥藥性這一種方法的穩(wěn)定性。通過對(duì)當(dāng)歸藥組灌胃小鼠與空白組小鼠、黃芩藥組灌胃小鼠與空白組小鼠腹部與背部生物超微弱發(fā)光強(qiáng)度比值的分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)歸藥組、黃芩藥組在灌胃的第1天即開始發(fā)生變化,當(dāng)歸藥組的腹背生物超微弱發(fā)光強(qiáng)度比值相較空白組升高,而黃芩藥組腹背生物超微弱發(fā)光強(qiáng)度比值相較空白組降低。這表明生物超微弱發(fā)光可以用于檢測中藥藥性,且第5天至第10天是對(duì)小鼠使用中藥煎煮液灌胃后的生物超微弱發(fā)光的最佳檢測時(shí)間。此外,最新一項(xiàng)關(guān)于探討人參藥性的研究發(fā)現(xiàn),脾虛體質(zhì)者大椎穴生物超微弱發(fā)光高于健康者,而用人參治療一段時(shí)間后,患者大椎穴的生物超微弱發(fā)光強(qiáng)度顯著降低,證明人參具有補(bǔ)脾氣的功效。該試驗(yàn)還將代謝組學(xué)和經(jīng)絡(luò)腧穴的生物超微弱發(fā)光現(xiàn)象相結(jié)合,研究人參對(duì)脾氣虛證的治療作用[32]。另一項(xiàng)隨機(jī)雙盲安慰劑對(duì)照研究評(píng)估了紅景天和ADAPT-232(刺五加、紅景天和五味子混合制成)對(duì)人類生物超微弱發(fā)光的影響。在服用1周之前和之后分別測量了所有受試者手背側(cè)的生物超微弱發(fā)光,還評(píng)估了所經(jīng)歷的壓力和疲勞水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn),1周后,與安慰劑組相比,紅景天組患者的生物超微弱發(fā)光顯著降低,在ADAPT-232和安慰劑組之間,并沒有觀察到光子發(fā)射和疲勞水平的顯著變化。這證明了生物超微弱發(fā)光技術(shù)檢測中藥藥性的可行性,但通過生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)探究中藥對(duì)疾病的療效還需進(jìn)一步研究[33]。此外,中藥的歸經(jīng)也在遣方用藥方面發(fā)揮著重要的作用。中藥都有特殊的歸經(jīng)屬性,能否通過生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)研究中藥對(duì)不同臟腑生物超微弱發(fā)光的變化特點(diǎn),也有望成為研究中藥的重點(diǎn)方向。
Sun等[34]對(duì)44名荷蘭糖尿病前期患者展開研究,并將其診斷為3種不同的中醫(yī)證型,通過生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)分別提取了10個(gè)屬性,來自4個(gè)解剖部位,共記錄了40個(gè)獨(dú)立的生物超微弱發(fā)光參數(shù)。將檢測的數(shù)據(jù)通過Cytoscape軟件分析并進(jìn)行代謝組學(xué)研究,通過Spearman相關(guān)性分析最終發(fā)現(xiàn),這40個(gè)參數(shù)中有16個(gè)能夠區(qū)分3種前期糖尿病亞型,10個(gè)生物超微弱發(fā)光參數(shù)和13個(gè)尿液代謝物之間有成對(duì)相關(guān)性。這證明生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)不僅可以用于疾病的診斷,還可以用于疾病前期區(qū)分不同的中醫(yī)證型,為中醫(yī)證型辨識(shí)提供了更加客觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。
已有研究表明,人的意念可以改變手部光子發(fā)射,如果一個(gè)人試圖故意改變他的光子發(fā)射,則平均光子數(shù)就會(huì)減少[31]。為了進(jìn)行深入研究,Dotta等[35]做了一個(gè)試驗(yàn),如果受試者在暗室里想象白光,其右腦半球的生物超微弱發(fā)光會(huì)有非常顯著的增加,而左腦半球沒有變化。后來,這個(gè)研究小組在比較“冥想”時(shí)發(fā)現(xiàn),生物超微弱發(fā)光隨機(jī)波動(dòng)的偏差與大腦活動(dòng)的生物超微弱發(fā)光之間存在定量關(guān)系,想象時(shí),明顯且可逆的光子在右半球增加,這與左前額葉腦活動(dòng)密切相關(guān)[36]。以上這些發(fā)現(xiàn)證明,人的意圖可以改變大腦的生物超微弱發(fā)光。此外,最新的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)人在被激怒生氣時(shí),身體發(fā)出的生物超微弱發(fā)光會(huì)顯著增高,且女性在最大生物超微弱發(fā)光強(qiáng)度值上的排放量普遍高于男性[37]。中醫(yī)認(rèn)為,男人屬“陽”,以“腎”為本,女人屬“陰”,以“肝”為本,而怒又傷“肝”。因此,女性較男性更容易受到憤怒情緒的影響,引起體內(nèi)失衡,導(dǎo)致生物超微弱發(fā)光的驟變。通過中醫(yī)理論不難解釋該現(xiàn)象。因此,生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)有望成為結(jié)合中醫(yī)與西醫(yī)的橋梁。在檢測過程中,雖然外界環(huán)境的變化是比較容易調(diào)控的,但個(gè)體間心理素質(zhì)的差異難以統(tǒng)一,每個(gè)人對(duì)情緒的反應(yīng)各不相同,可能產(chǎn)生不同的結(jié)果,且樣本量不足,難以有較強(qiáng)的說明意義。人還有歡喜、悲傷、恐懼等其他情緒,目前還沒有關(guān)于這些情緒的研究報(bào)道。人體生物超微弱發(fā)光與這些情緒間是否存在某種關(guān)聯(lián),以及大腦生物超微弱發(fā)光的具體變化規(guī)律等還有待進(jìn)一步研究。
周珺等[38]研究了死亡過程中的生物超微弱發(fā)光變化,發(fā)現(xiàn)小鼠在死亡之前發(fā)射的光子數(shù)量會(huì)有一個(gè)明顯的增加過程,這與中醫(yī)“回光返照”過程特別相似。人在死亡前會(huì)出現(xiàn)食欲增加、精神亢奮等“生命旺盛”的假象,其本質(zhì)是臨近死亡時(shí),由于缺氧,機(jī)體內(nèi)的三磷酸腺苷(association of tennis professional,ATP)正常釋能途徑發(fā)生障礙,機(jī)體通過短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化二磷酸腺苷(adenosine diphosphate,ADP)釋放大量能量。當(dāng)小鼠完全死亡后,其組織細(xì)胞的新陳代謝逐漸變慢乃至消失,伴隨著生命活動(dòng)的生物光子數(shù)量也減少了。由此可見,生物的生物超微弱發(fā)光現(xiàn)象和生命活動(dòng)過程中的許多內(nèi)在現(xiàn)象都有聯(lián)系。然而這種試驗(yàn)僅限于在小鼠中進(jìn)行,由于人的“特殊性”導(dǎo)致難以對(duì)人死亡過程的生物超微弱發(fā)光進(jìn)行檢測。因此,可以考慮對(duì)人的其他特殊階段的生物超微弱發(fā)光變化規(guī)律展開研究,如青春期、經(jīng)期的生物超微弱發(fā)光的變化規(guī)律等。
綜上所述,生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用和發(fā)展,本文總結(jié)為以下幾類:1)生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)可用于疾病的輔助診斷和驗(yàn)證動(dòng)物造模是否成功;2)生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)在人體皮膚狀態(tài)監(jiān)測及防曬藥物研發(fā)方面有很大的潛力;3)除光子強(qiáng)度外,Q值、SSI和Fano因子等屬性也有很大的研究價(jià)值;4)生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)在針灸、中藥等方面,以及對(duì)人意念、憤怒等情緒和死亡過程的生物超微弱發(fā)光現(xiàn)象的研究有望促進(jìn)中西醫(yī)結(jié)合發(fā)展。近些年,關(guān)于生物超微弱發(fā)光的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展,但還需繼續(xù)深入研究。在已有研究的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)備,縮短檢測時(shí)間,一方面可以緩解受試者的疲勞,另一方面能提高檢測效率。將生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)與代謝組學(xué)結(jié)合對(duì)人體健康、疾病、精神狀態(tài)、體質(zhì)等展開研究是個(gè)性化診療的發(fā)展邁出的重要一步。特別是Q值、SSI、Fano因子將逐漸成為生物超微弱發(fā)光的研究重點(diǎn)。鑒于生物超微弱發(fā)光檢測技術(shù)具有高度靈敏、成本低且無創(chuàng)的優(yōu)勢,將該項(xiàng)技術(shù)與中西醫(yī)結(jié)合,發(fā)揮中西醫(yī)各自的優(yōu)勢,可為臨床疾病的診斷與治療提供新的方法,為醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展創(chuàng)造更大的價(jià)值。