弱激光作用下钠离子通道激活与失活关系的单通道数据重建研究

钠离子通道作为可兴奋细胞膜产生动作电位的主要通道，是心电图和脑电图等生物电现象的离子基础。但对钠离子通道电流动力学特性所包含的、激活和失活两个过程之间关系的认识一直不清楚，因为从电压依赖性来看这两个过程是相互依赖的；而药理学研究及单通道数据分析表明两者又是可以分开的，即两个过程是独立的。这一矛盾一直是理解钠离子通道动力学特性的核心问题。本项目提出基于不同光波长携带不同的光子能量，并在细胞膜去极化电压信号以0.1毫秒的时间精度同步控制下，可以在钠通道激活和失活3毫秒左右的持续时间内研究光场作用的差异性，并且将这些作用结果通过建立光学参量依赖的单通道马尔可夫模型表达出来，这对认识钠通道的激活与失活相关关系，以及生物电活动产生的细胞机理，乃至基于钠通道的药物研发等都有重要意义，是一种独立于电学和药理学的在通道开启过程中研究通道功能变化规律的新方法。

针对激光临床应用的生理学机理问题，本项目首先在电生理实验基础上获得了弱激光作用下可兴奋细胞的功能变化，借助于HH-Model等数学拟合方法，得出激光作用下离体神经元钠离子通道激活与失活时间常数与正常电生理状态下相对比的定量描述。结果发现红外(980nm)弱激光脉冲上升沿对离体神经元细胞上钠通道的时间动力学特性有抑制作用，而其下降沿则有加强作用，该结果顺利发表在2013年Cell Biochemistry Biophysics 67:1409-1420上。本项目进一步提出使用980nm和845nm两个波长的研究光热效应的实验方案，因为980nm和845nm两个波长的近红外激光在水中的吸收系数分别为0.502/cm和0.0378/cm，接近十倍差异。若溶液是产生光热响应的主要介导物质，则激光辐照所产生的溶液温升也将呈现相应的十倍比例关系。这一结果发表在《物理学报》2013年第26卷第5期058702-1~9上，并很好的解释了激光热效应的假设。在这些研究基础上，再结合2012年Nature Communications 3:736提出的激光诱发可兴奋细胞膜动作电位的电容机理，为进一步明确红外弱激光作用下的钠离子通道激活与失活的相关关系打下了实验基础。基于目前的实验结果可以得出初步结论是：红外激光对钠离子通道激活时间特性的加快是通过延迟其失活时间特性，进而滞后了钾离子通道而实现的。这一滞后由于造成钾离子通道电流的幅值增加而加快动作电位的复极化。这一部分内容正在整理之中，尚未发表。