生物超微弱发光在医疗领域的应用研究

王学东，周 丹，徐 然，陈 路，宋晓香，王誉锟

（长春中医药大学针灸推拿学院，长春 130117）

一切动物、植物，小到组织、细胞等均可以自发地向外发射一种微弱光子流，这种现象称为生物超微弱发光（ultra-weak bioluminescence，UWB），这种叫法强调了该过程的生物起源。此外，其也可以称为低水平化学发光，该叫法强调光子辐射强度非常低，其发光强度仅为102～103hv/（s·cm2），比正常人眼敏感度阈值低几个数量级，因此肉眼无法直接观察到这种微弱光子［1］。其又称为自发光［2］，该叫法强调光子发射不需要任何外部刺激。关于生物超微弱发光的研究最早可以追溯到1923年，当时苏联科学家Gurwitsch在他的“洋葱实验”中首次发现生物超微弱发光，但由于技术限制等原因，这一发现并没有被科学家广泛认可，直至1954年意大利科学家Colli利用更为先进的光学探测技术才证明了生物超微弱发光的存在［3］。生物超微弱发光与一般的生物发光不同，一般生物发光的强度比生物超微弱发光强，发出来的光肉眼直接可见，且与特定的生化反应有关，如众所周知的萤火虫、水母、南极磷虾等［4］。无需任何特殊专用高强度发光酶系统（如荧光素、荧光素酶等）的自发光子发射是生物超微弱发光与普通生物发光的区别。

1 生物超微弱发光的检测

因为生物超微弱发光十分微弱，所以要想对其进行有效检测，必须使用背景噪声极低和极高探测灵敏度的光电探测仪器。目前用于探测生物超微弱发光的仪器常分为两大类：一类是以光电倍增管（photomultiplier tube，PMT）为主的单光子计数探测系统，其可利用生命系统的量子统计特性来阐明生物超微弱发光的基本机制，还可以提供生物超微弱发光的时域信息；另一类是利用生物光子发射的空间分布测量或成像来描述生物超微弱发光的系统，如电荷耦合装置（charge-coupled device，CCD）等［5］。

2 生物超微弱发光在现代医学中的应用

目前，关于生物超微弱发光的研究已经非常广泛，但大多都是对农业、食品、环境等领域的应用。随着医疗技术的发展，生物超微弱发光检测技术也逐渐用于临床及实验室研究。这表明生物超微弱发光检测技术在医学领域也有很大的应用前景。

一般人体生物超微弱发光呈左右对称性分布，最大偏差不超过25%，但在疾病状态下，这种平衡会被打破［6-7］。这种“非平衡”现象与人体内产生的过量活性氧（reactive oxygen species，ROS）有着密切的关系。在正常人体内，ROS不断生成，也不断被体内的保护酶消除，从而维持平衡状态，而当人体发生病理改变后，产生的ROS增加，保护酶活性下降，具体如图1所示。Burgos等［8］使用HL-60细胞作为体外模型探索生物超微弱发光与ROS的关系，发现生物体内ROS越高，生物超微弱发光越强［9-10］。ROS负责参与细胞内信号传导、细胞凋亡和抗炎调节等活动［11］。因此，可以通过生物超微弱发光检测技术对人体ROS的观察来探究人体是否处于病理状态。

图1 应激状态下的生物超微弱发光Fig. 1 ROS under stress

2.1 评估人体皮肤状态

生物超微弱发光作为一种潜在的检测ROS氧化代谢或氧化应激过程的新工具，还可以用于观察和评估热休克［12］。紫外线照射1～3 min后产生的生物超微弱发光是评估皮肤急性紫外线损伤的有效指标［13］。Gabe等［14］通过检测长效生物超微弱发光来评估皮肤亚临床慢性晒伤情况，在分析了所有受试者紫外线照射1～3 min的生物超微弱发光与各种皮肤指标状况后发现，皮肤的含水量越高，生物超微弱发光越强，表明含水量对紫外线损伤有较高的敏感性，但还需要进一步的研究来阐明长效生物超微弱发光与光老化之间的详细关系。此外，Wijk等［15］还对人皮肤上的伤口进行了生物超微弱发光检测，对比发现，该部位的生物超微弱发光增强。以上研究表明，通过生物超微弱发光检测技术监测患者的皮肤状态是可行的，还可以用来评估人体皮肤的损伤程度等。

2.2 辅助疾病诊断

生物超微弱发光检测技术还广泛应用于疾病的辅助诊断方面，可以将生物超微弱发光视为一种自然且有前途的非侵入性光谱工具，用于帮助诊断各种疾病、压力和情绪状态障碍等。

一项对人体食指和中指生物超微弱发光的研究发现，甲状腺功能减退症患者的发光强度总是低于正常人，且在甲状腺被切除的人群中也发现了这种生物超微弱发光低排放的现象［16］。Yang等［17］报道了健康人和感冒患者的光谱分布在最大光谱峰处也存在明显的差异。此外，还有对血细胞、癌细胞、血浆、组织以及尿液、唾液等代谢产物生物超微弱发光的研究［18-20］。祁李娟［20］研究发现，高血压患者血液的生物超微弱发光强度明显低于正常人，而高血糖、高血脂患者血液的生物超微弱发光强度则高于正常人。此外，Murugan等［21］在研究中发现可以通过生物超微弱发光检测技术区分早期恶性肿瘤。Baran等［22］还将生物超微弱发光检测技术用于辨别白血病患者。癌症作为一种极难治愈的疾病，越早发现越容易治愈。因此，有望通过生物超微弱发光检测技术解决癌症早期难以发现的问题。Esmaeilpour等［18］研究了神经干细胞的生物超微弱发光，发现生物超微弱发光的强度通过连续传代增加，第六代增强最明显，且各组干细胞分化后，生物超微弱发光强度均低于分化前，此发现有助于神经系统疾病的辅助诊断。除疾病诊断方面外，曹家桢等［23］还将生物超微弱发光检测技术用于验证胃溃疡小鼠造模是否成功的辅助诊断上，结果发现，造模成功的胃溃疡小鼠胃部发光明显高于对照组。该研究成功将生物超微弱发光检测技术应用于实验室检验造模这一新领域。

在生物超微弱发光的诸多研究中，大多均以光子强度作为主要参数进行描述，对其他属性值的报道较少。随着研究的发展，一些学者引入了可以表征生物超微弱发光信号的其他参数，如Q值、压缩状态参数（squeezed state index，SSI）和Fano因子等，极大地丰富了对被编码信息量的理解［24-25］。Q值是观察信号与泊松分布偏差的指标，其正值表示超泊松分布，负值表示子泊松分布；SSI由光子信号的光子计数分布决定，用于估计预期的光子计数和实际观察到的光子数分布、信号强度之间的分离以及生物系统的整体状态等。Yang等［6］对2型糖尿病患者的Q值、Fano因子等研究发现：不同受试者的同一身体部位Q值不同，糖尿病患者肚脐、心脏、喉咙和额头的Q值均低于健康人，证明其光子计数为子泊松度分布，而腹部的Q值高于健康人，光子计数分布为超泊松分布；健康人与2型糖尿病患者的咽喉和额头的SSI有明显差异（P＜0.05），2型糖尿病患者咽喉和额头的SSI明显低于健康人，证明其生物光子发射的相干性比健康人差。Q值、SSI和Fano因子等新型属性的报道丰富了生物超微弱发光的研究，也提供了除生物光子强度外的其他研究方向，这将推动生物超微弱发光研究的进一步发展。

3 生物超微弱发光在中医中的应用

中医认为“阴平阳秘，精神乃至，阴阳离决，精气乃绝”。一个人是否健康取决于阴阳动态的平衡，这与西医检测人体ROS动态变化来辨别人体健康状态这一观点不谋而合。生物超微弱发光检测技术已广泛用于针灸、中药的研究。针灸疗法和中药疗法是最具中医特色的治疗方式之一。结合生物超微弱发光检测技术对针灸以及中药治疗过程进行观察，可以体现生物超微弱发光检测技术的科学性，更有望通过现代化技术解释中医不同治疗方式的原理。

3.1 生物超微弱发光与针灸

针灸被认为是一种更温和、高效的治疗方式，可以用于改善生活质量，尤其是在疾病晚期和衰老领域等。目前，对经络生物超微弱发光的研究普遍发现，经穴区的生物超微弱发光强度高于周围非经穴区强度，男性经穴区发光高于女性，成人高于儿童［26］，且测量手部的生物超微弱发光高亮点动态变化与经络循行路线有潜在的对应关系［7］。Guo等［25］使用化学指示剂观察到ROS分布的荧光图像，发现生物超微弱发光最强的区域与人体经络线重叠。针刺子、母穴后发现：生物超微弱发光的差异与人体阴阳经和性别等均相关，六阴经母穴发光高于子穴；六阳经子、母穴发光有子穴发光高于母穴发光的趋势，然而这种规律并不明显［26］。Guo等［27］还对腧穴配伍与单一腧穴治疗功能性消化不良（functional dyspepsia，FD）患者的疗效差异展开了研究，治疗4周后发现，配伍腧穴联合治疗对降低FD患者的生物超微弱发光效果最好。以上研究表明，在针刺研究方面，通过生物超微弱发光检测技术观察到的人体光学现象与经络循行特点相符，还可以用于针刺疗效的观察。

Yanagawa等［28］进行了一项艾灸热刺激效果的试验研究，在肚脐上施以一定的艾灸治疗后，为了祛除皮肤表面的汗液或分泌物，用不含荧光物质的纸巾擦拭艾点，结果发现了来自艾点的生物超微弱发光的特殊变化规律，而在牛皮制成的特殊艾席上进行相同艾处理后对生物超微弱发光则并无特殊影响。此外，艾灸手厥阴心包经的循行路线后发现，其与周边非经络组织上的光传输效率都明显降低，但手厥阴心包经上的光传输效率衰减更显著，与阴经属性相对应［29］。

以上关于生物超微弱发光检测技术在针灸方面的应用证明，将该技术用于经络方面可以进一步探究腧穴的本质，还可以研究腧穴的配伍规律，方便探究更高效的治疗方式。

3.2 生物超微弱发光与中药药性

中药药性理论是中医药基础理论的核心之一。狭义的中药药性是指寒、热、温、凉四种药性，而中医在遣方用药时运用的中药药性，正是中药寒、热、温、凉的四种偏性。

聂晓艳等［30］认为，利用栅藻作为生物指示剂的K值可以表征中药的寒热药性。Zapata等［31］在此基础上，利用生物光子的相干性对小鼠进行中药灌胃，通过生物超微弱发光检测技术验证了使用栅藻指示剂法的K值来表征中药药性这一种方法的稳定性。通过对当归药组灌胃小鼠与空白组小鼠、黄芩药组灌胃小鼠与空白组小鼠腹部与背部生物超微弱发光强度比值的分析，发现当归药组、黄芩药组在灌胃的第1天即开始发生变化，当归药组的腹背生物超微弱发光强度比值相较空白组升高，而黄芩药组腹背生物超微弱发光强度比值相较空白组降低。这表明生物超微弱发光可以用于检测中药药性，且第5天至第10天是对小鼠使用中药煎煮液灌胃后的生物超微弱发光的最佳检测时间。此外，最新一项关于探讨人参药性的研究发现，脾虚体质者大椎穴生物超微弱发光高于健康者，而用人参治疗一段时间后，患者大椎穴的生物超微弱发光强度显著降低，证明人参具有补脾气的功效。该试验还将代谢组学和经络腧穴的生物超微弱发光现象相结合，研究人参对脾气虚证的治疗作用［32］。另一项随机双盲安慰剂对照研究评估了红景天和ADAPT-232（刺五加、红景天和五味子混合制成）对人类生物超微弱发光的影响。在服用1周之前和之后分别测量了所有受试者手背侧的生物超微弱发光，还评估了所经历的压力和疲劳水平。结果发现，1周后，与安慰剂组相比，红景天组患者的生物超微弱发光显著降低，在ADAPT-232和安慰剂组之间，并没有观察到光子发射和疲劳水平的显著变化。这证明了生物超微弱发光技术检测中药药性的可行性，但通过生物超微弱发光检测技术探究中药对疾病的疗效还需进一步研究［33］。此外，中药的归经也在遣方用药方面发挥着重要的作用。中药都有特殊的归经属性，能否通过生物超微弱发光检测技术研究中药对不同脏腑生物超微弱发光的变化特点，也有望成为研究中药的重点方向。

3.3 生物超微弱发光与中医证型

Sun等［34］对44名荷兰糖尿病前期患者展开研究，并将其诊断为3种不同的中医证型，通过生物超微弱发光检测技术分别提取了10个属性，来自4个解剖部位，共记录了40个独立的生物超微弱发光参数。将检测的数据通过Cytoscape软件分析并进行代谢组学研究，通过Spearman相关性分析最终发现，这40个参数中有16个能够区分3种前期糖尿病亚型，10个生物超微弱发光参数和13个尿液代谢物之间有成对相关性。这证明生物超微弱发光检测技术不仅可以用于疾病的诊断，还可以用于疾病前期区分不同的中医证型，为中医证型辨识提供了更加客观、准确的数据依据。

3.4 生物超微弱发光与意念、情绪

已有研究表明，人的意念可以改变手部光子发射，如果一个人试图故意改变他的光子发射，则平均光子数就会减少［31］。为了进行深入研究，Dotta等［35］做了一个试验，如果受试者在暗室里想象白光，其右脑半球的生物超微弱发光会有非常显著的增加，而左脑半球没有变化。后来，这个研究小组在比较“冥想”时发现，生物超微弱发光随机波动的偏差与大脑活动的生物超微弱发光之间存在定量关系，想象时，明显且可逆的光子在右半球增加，这与左前额叶脑活动密切相关［36］。以上这些发现证明，人的意图可以改变大脑的生物超微弱发光。此外，最新的一项研究发现，当人在被激怒生气时，身体发出的生物超微弱发光会显著增高，且女性在最大生物超微弱发光强度值上的排放量普遍高于男性［37］。中医认为，男人属“阳”，以“肾”为本，女人属“阴”，以“肝”为本，而怒又伤“肝”。因此，女性较男性更容易受到愤怒情绪的影响，引起体内失衡，导致生物超微弱发光的骤变。通过中医理论不难解释该现象。因此，生物超微弱发光检测技术有望成为结合中医与西医的桥梁。在检测过程中，虽然外界环境的变化是比较容易调控的，但个体间心理素质的差异难以统一，每个人对情绪的反应各不相同，可能产生不同的结果，且样本量不足，难以有较强的说明意义。人还有欢喜、悲伤、恐惧等其他情绪，目前还没有关于这些情绪的研究报道。人体生物超微弱发光与这些情绪间是否存在某种关联，以及大脑生物超微弱发光的具体变化规律等还有待进一步研究。

3.5 生物超微弱发光与死亡过程

周珺等［38］研究了死亡过程中的生物超微弱发光变化，发现小鼠在死亡之前发射的光子数量会有一个明显的增加过程，这与中医“回光返照”过程特别相似。人在死亡前会出现食欲增加、精神亢奋等“生命旺盛”的假象，其本质是临近死亡时，由于缺氧，机体内的三磷酸腺苷（association of tennis professional，ATP）正常释能途径发生障碍，机体通过短时间内转化二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）释放大量能量。当小鼠完全死亡后，其组织细胞的新陈代谢逐渐变慢乃至消失，伴随着生命活动的生物光子数量也减少了。由此可见，生物的生物超微弱发光现象和生命活动过程中的许多内在现象都有联系。然而这种试验仅限于在小鼠中进行，由于人的“特殊性”导致难以对人死亡过程的生物超微弱发光进行检测。因此，可以考虑对人的其他特殊阶段的生物超微弱发光变化规律展开研究，如青春期、经期的生物超微弱发光的变化规律等。

4 总结与展望

综上所述，生物超微弱发光检测技术在医学领域得到了非常广泛的应用和发展，本文总结为以下几类：1）生物超微弱发光检测技术可用于疾病的辅助诊断和验证动物造模是否成功；2）生物超微弱发光检测技术在人体皮肤状态监测及防晒药物研发方面有很大的潜力；3）除光子强度外，Q值、SSI和Fano因子等属性也有很大的研究价值；4）生物超微弱发光检测技术在针灸、中药等方面，以及对人意念、愤怒等情绪和死亡过程的生物超微弱发光现象的研究有望促进中西医结合发展。近些年，关于生物超微弱发光的研究已经取得了很大的进展，但还需继续深入研究。在已有研究的基础上改进设备，缩短检测时间，一方面可以缓解受试者的疲劳，另一方面能提高检测效率。将生物超微弱发光检测技术与代谢组学结合对人体健康、疾病、精神状态、体质等展开研究是个性化诊疗的发展迈出的重要一步。特别是Q值、SSI、Fano因子将逐渐成为生物超微弱发光的研究重点。鉴于生物超微弱发光检测技术具有高度灵敏、成本低且无创的优势，将该项技术与中西医结合，发挥中西医各自的优势，可为临床疾病的诊断与治疗提供新的方法，为医疗领域的发展创造更大的价值。