动态温度场下的钠离子通道动力学的理论研究

Sodium channel plays an important role in nervus pathological pain. At present, for lack of the temperature sensors to celibration which size can achieve micrometer level and the speed can reach milliseconds level, we can only use the constant temperature to research the ion channel function when we employ the photothermal effect to stimulate the ion channel of excited cells. In this project, through the study of Brillouin scattering in laser-cell interaction, it can be realized to rapid monitoring the diffusion process on cell membrane with non-contact pattern, base on this, it will achieve to research the dynamics theory of the channel with the role of temperature diffusion. However, there are two key questions in this study. First, the intensity of scattering laser is very feeble when laser radiation extracellular fluid, and the heat dissipation time in 500ms is not easy to extract. Second, it is not very unambiguous for the process of ion channel with uniformed temperature field. To solve the key problems, we would establish the photothermal model of laser-tissue interaction, study the relation of extracellular fluid temperature with Brillouin frequency shift, design the high sensitive Brillouin frequency shift temperature measurement system in micro scale, and establish the dynamics model of Na ion channel with uniformed temperature. It has important theoretical guide for the clinical practice of laser-tissue interaction.

钠通道在神经病理性疼痛中起着重要的作用。通过光热效应温度场量化刺激研究可兴奋细胞的离子通道，目前因缺少空间尺寸在微米级、速度在毫秒级的测温传感器来标定，只能研究恒温度场作用下通道的功能。本项目提出光与生物细胞相互作用中光热效应的布里渊散射研究，可实现非接触、快速监测细胞膜温度扩散过程，并在此基础上研究钠通道在温度场扩散作用下的通道动力学理论。面临的两个关键问题：一是激光与细胞相互作用在细胞外液，溶液中定点处的散射光微弱，且热量耗散时间在500毫秒以下，不易提取。二是非均匀温度场对钠通道的作用过程尚不清楚。为解决上述关键问题，建立激光与生物组织相互作用的光热效应模型；研究细胞溶液温度与布里渊频移之间的关系；设计微尺度、高灵敏的布里渊频移测温系统；建立非均匀温度场对钠离子通道作用的通道动力学过程模型。本项目的研究对于光热效应温度场在临床研究神经病例性疼痛具有重要的理论指导意义。

本项目根据激光辐照生物组织细胞时激光与生物细胞的相互作用，建立了激光辐照下的生物组织细胞的热传输模型，并用有限元软件ANSYS对此模型进行数值模拟，通过对不同功率不同波长的激光的数值模拟，得到光热效应主要发生在细胞液对光的吸收过程，细胞液的光热效应起主导作用，而细胞膜的光热效应甚微。本项目还基于皮肤组织的双层模型进行了理论模拟，不同组织的表皮层厚度略有不同，使用相同的辐照时间所诱导的温升也略有不同，表皮层厚度越薄，其温升越高，反之，则相反；相同的表皮层厚度，使用不同的时间辐照，所诱导温升有较大的不同，时间越长，温升越高。在项目研究中，将近红外激光辐照与膜片钳技术相结合的方法，根据980nm和845nm两个波长的激光在水中的吸收系数分别为0.502/cm和0.0378/cm，接近10倍差异，用实验测得500ms激光辐照后溶液的温升也近似为10倍，实验结果和理论结果基本一致。在实验方面，用膜片钳微电极实验对激光辐照期间和辐照后的不同时段对细胞功能的影响加以研究，结果显示激光辐照的上升沿对钠电流的激活有抑制效果，而对其失活过程为增强效果，激光辐照的下降沿则对钠电流的激活和失活过程都为增强效果。综上所述，本项目不局限于恒温条件，建立了细胞在激光辐照下的动态温度场变化模型，能求解细胞膜的瞬态温度，定性的研究了钠离子通道对时间的依赖性，对于激光在临床医学上的应用和推广有重要的作用。