太赫兹波诱导皮肤急性炎症反应的活体研究

作者及机构
本研究由韩国科学技术院（KAIST）的Yoonha Hwang、Jinhyo Ahn和Pilhan Kim（通讯作者）团队，与韩国原子能研究所（KAERI）的Jungho Mun、Sangyoon Bae、Young Uk Jeong等合作完成，发表于2014年5月的《Optics Express》期刊（Vol. 22, No. 10）。

学术背景

太赫兹（THz）波（频率0.1-10 THz）因具有非电离性、对分子动态的独特光谱敏感性以及与水的强相互作用等特点，在生物医学领域（如癌症诊断、烧伤评估）展现出潜力。然而，关于太赫兹波在活体组织细胞层面的生物学效应研究仍非常有限。既往体外实验表明，太赫兹波可能通过光热效应影响细胞活性，但活体环境下的复杂生理反应尚未明确。本研究旨在通过活体激光共聚焦显微镜技术，首次在细胞水平解析脉冲太赫兹波（2.7 THz）对小鼠皮肤急性炎症反应的影响，并探讨其非热机制。

研究方法与流程

1. 太赫兹波辐照系统搭建

研究团队利用韩国原子能研究所的紧凑型自由电子激光器（FEL）产生脉冲太赫兹波（参数：2.7 THz，脉宽4 μs，单脉冲能量61.4 μJ，重复频率3 Hz）。通过离轴抛物面镜聚焦，形成直径300 μm的辐照光斑（平均功率密度260 mW/cm²）。系统配备红外相机实时监测皮肤表面温度，确保无显著温升（排除热效应干扰）。

创新设备：
- 高精度辐照定位装置：采用电机驱动的三维平移台（分辨率1 μm）和定制化聚焦掩模，实现耳部皮肤特定区域的精准辐照。
- 活体成像标记技术：利用转基因Tie2-EGFP小鼠（血管内皮特异性表达绿色荧光蛋白），通过血管分支图案作为重复成像的定位标志。

2. 动物模型与中性粒细胞标记

• 实验对象：麻醉的Tie2-EGFP小鼠（耳部皮肤），右耳接受30分钟太赫兹辐照，左耳作为对照。
  
• 中性粒细胞标记：静脉注射Alexa Fluor 647偶联的抗Gr-1抗体（标记粒细胞表面抗原），系统性荧光标记中性粒细胞。
  

3. 活体成像与数据分析

• 成像系统：定制化激光扫描共聚焦显微镜（三色荧光通道：488 nm/561 nm/640 nm），以30 Hz帧率捕捉500×500 μm视野。
  
• 时序设计：辐照前3小时及辐照后6小时，对同一皮肤区域进行重复成像。
  
• 定量分析：通过ImageJ插件统计中性粒细胞密度（个/mm²），对比辐照区与非辐照区差异。
  

4. 组织学验证

辐照后6小时取耳部皮肤，进行苏木精-伊红（H&E）染色，观察炎症细胞浸润及组织结构变化。

主要结果

1. 中性粒细胞显著募集：

   • 辐照后6小时，辐照区中性粒细胞密度从基线约50个/mm²升至317个/mm²（增幅超6倍），而对照区无显著变化（图4）。
     
   • 活体成像显示中性粒细胞从血管内向辐照区域迁移（图4b），提示急性炎症反应启动。
     

2. 非热效应主导：

   • 红外相机未检测到皮肤表面温升，与体外研究（相似功率下出现热效应）形成对比，表明活体表皮层及血液循环的散热保护作用。
     

3. 组织学证据：

   • H&E染色证实真皮层中性粒细胞浸润增加（图5箭头），但表皮层角质细胞、皮脂腺及软骨结构无损伤，说明炎症反应未伴随组织破坏。
     

结论与意义

本研究首次在活体模型中证实：高功率脉冲太赫兹波可通过非热机制诱导皮肤急性炎症反应。这一发现挑战了传统认为太赫兹生物效应仅由热效应驱动的观点，揭示了活体组织对太赫兹波的动态免疫响应。其科学价值在于：
1. 机制创新：提出太赫兹波可能通过直接调控细胞信号通路（如趋化因子释放）触发炎症，为后续分子机制研究提供方向。
2. 应用警示：在太赫兹医疗设备开发中，需评估长期或重复辐照的潜在免疫反应风险。
3. 技术示范：活体共聚焦显微成像与精准辐照技术的结合，为电磁波-生物相互作用研究建立了新范式。

研究亮点

1. 活体动态观测：首次实现太赫兹辐照后免疫细胞迁移的实时可视化，突破传统体外实验的局限性。
   
2. 高精度辐照控制：自主研发的聚焦掩模系统与FEL光源，确保实验可重复性。
   
3. 跨学科方法：融合太赫兹光子学、免疫学与显微成像技术，为生物效应研究提供多维数据支撑。
   

其他价值

研究得到韩国国家研究基金会等多项基金支持，其技术方案（如Tie2-EGFP小鼠模型）可拓展至其他电磁波生物效应研究。团队建议未来探索不同频率/功率太赫兹波的剂量-效应关系，以及炎症反应的分子标记物。