本文介绍的是大连理工大学光电工程与仪器科学学院的孙长森教授课题组与该校生物医学工程学院的孙长凯教授，以及中山大学电子与信息工程学院李新宇博士联合发表的：红外光抑制神经元跨膜钠电流的研究工作，论文发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2023年第2期。

ID-OCTA：Suppression of transmembrane sodium currents on the freshly isolated hippocampal neuron cell with continuous infrared light

Fanyi Kong*（孔繁艺）, Xinyu Li †（李新宇）, Ruonan Jiao*（焦若男）, Kun Liu*（刘琨）, Xue Han*（韩雪）, Changkai Sun‡（孙长凯） and Changsen Sun*（孙长森）

研究背景

生物电是生命体完成信息传递等功能的一种主要形式，它既是某些疾病诊断的主要依据，比如心电图、脑电图等，也是治疗的有效手段之一，如临床上的心脏起搏器等。在单细胞水平生物电表现为动作电位，其信号形式的正常与否已成为研究外界物理量、药物等对人体调节效果的金标准。

红外光在临床上作为一种有效的物理疗法，比如红外光理疗、红外光促进皮肤快速愈合、以及激光针灸等，其疗效也可以用细胞层面上的动作电位来定量度量。2005年美国西北大学的一项研究工作发表在Optics Letters 30:504-6 (2005)上：他们使用红外光脉冲（波长为2µm，脉冲重复频率为2Hz，能量密度仅为0.32 J/cm²）从蟾蜍神经干直接诱发出复合动作电位，这种不借助任何预处理的、红外光诱发细胞膜动作电位的现象很快引起了同行关注。因为这种在细胞水平上研究红外光对单细胞功能的调控机理，是拓展红外光临床应用领域及新型医疗仪器研制的基础，所以近年来在Nature Communication、Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）、Neuron等杂志上的相关论文数量迅速增加。

本论文是在国家自然科学基金项目的支持下，自2009年发表第1篇研究工作【Cell Biochemistry Biophysics 53, 33-42 (2009)】以来的持续深入研究。

内容简介

心电图、脑电图是生命体某些疾病诊断的主要依据，在细胞层面就是动作电位的产生与传递，Hodgkin和Huxley于1952年建立了动作电位发生的离子机制【J. of Physiology 117:500–544 (1952)】，后来称为HH-model并开启了细胞生物物理时代。HH-model定量描述的“跨膜钠电流决定了动作电位的上升沿”的事实，使可兴奋细胞跨膜钠电流成为评价药效或诸如红外光等外界物理量作用效果的标准之一，本文就是依此来评价红外光对单细胞功能的抑制机制。

从物理层面上来看，以磷脂双脂层为主要结构的细胞膜具有流动性，跨膜蛋白质镶嵌其中。细胞膜在电学特性上相当于一个电容，在均匀温度场条件下，膜电容保持一定程度的稳定性，因而普遍认为其中的跨膜蛋白质功能（如电压敏感的）与膜电容关系不大。但当细胞所处的温度场呈现一定梯度时，不但膜电容会按照双电层理论所预测的那样瞬间变化【Phys. Rev. X 8：0110431（2018）】，而且会影响甚至决定其中的跨膜蛋白功能（即使是电压敏感的）。另一方面以扩散为基础的离子输运，如钠离子等无机离子，在均匀温度场下所遵循的从高浓度向低浓度的自由扩散规律，在温度梯度场内也会按照Soret Effect效应的规律进一步演化【J. of Applied Mechanics 73:5-15(2006)】。本文就是从这一事实出发，通过控制近红外光作用于细胞时所产生的光热梯度，来诱发细胞膜电容电流，进而影响膜电位，来达到调控电压敏感跨膜钠离子通道的目的。实验中近红外光的抑制效果是通过膜片钳监测急性分离的SD大鼠海马神经元跨膜钠电流来实现的。

图文导读

1、细胞所处980nm红外光产生的光热场时空分布

图1: 实验中980nm的红外光所产生的光热场分布与急性分离的海马神经元的关系。细胞处于红外光场内如图（a）所示，通过膜片钳放大器（以0.1毫秒精度）控制红外光脉冲输出的上升时间，细胞所处的细胞外溶液吸收红外能量并产生温升，如图（b）所示，该温度场沿光轴的空间分布如图（c）所示

2、红外光对跨膜钠电流的抑制

图2:980nm红外光持续作用于海马神经元（图中红色进程所示），跨膜钠电流（图中负向电流）被逐渐抑制，关闭红外光后钠电流逐渐恢复，重复两个循环。图中通过对比351s处的完全抑制跨膜钠电流和438s处的完全恢复钠电流可以看出，横轴以上的（钾电流）正向电流基本不变，证明这个抑制过程与钾电流无关。但对比第1（0s）和第2（36s）两幅图，可以发现红外光作用使细胞膜电容电流（如36s处的椭圆所示）变负

3、这一抑制现象的机理研究---细胞膜电容电流

图3：单独分析细胞膜电容电流发现，缓慢的（分钟级）内向电容电流导致细胞膜电位的缓慢升高并使钠离子通道失活，最终形成对跨膜钠电流的抑制。（a）无红外作用下的膜电容电流是正向的；（b）红外光作用下膜电容电流变负向；（c） 通过高斯拟合电容电流计算其涉及的电荷，并代入双电层理论模型，计算抑制所需的电荷数。双电层理论详见：Phys. Rev. X., 2018,8(0110431)。细胞膜作为一个脂双层形成的流动膜，其膜电容值存在被环境温度梯度(dT/dt)介导的调控，即下式中的第二项所示：

4、通过对钾电流的分析，排除其作用

图4、钠电流和钾电流随着红外作用时间的延长而变化，但其具有不同的敏感性。（a）中的红线和蓝线是跨膜钠电流峰值和钾电流的稳定值归一化，可见都有一定程度的降低，但钾电流的降低仅有不足归一化的0.2；（b）钾稳态电流的变化，其中不同时间点之间的差异达到稳定。插图所示为稳态钾电流差值计算方法。

5、分钟级的抑制应该是短时程微弱效果的累积

图5基于膜片钳同步980nm红外光短时程作用于急性分离海马神经元细胞。（a） 膜片钳设置为三段来记录跨膜钠电流（N=5，仅表示出3例），分别有三部分：对照、红外作用、恢复，且40ms可以完全恢复这个短时程的红外作用；（b）根据（a）中给出的数据对峰值钠电流进行统计分析，并以直方图形式呈现（N=5，P=0.023）。这可以归结为980nm的光热效应不是很强（其在水溶液中的吸收系数为3.362*10^-6），所产生的温度梯度(dT/dt)比较小的缘故。

通讯作者简介

大连理工大学光电工程与仪器科学学院孙长森教授，博士生导师，入选大连市领军人才。长期从事近红外光调控细胞膜电学功能的研究，在Cell Biochemistry Biophysics, Journal Biomedical Optics等期刊发表SCI论文20余篇。主持各类国家、省部级项目12项，授权国家发明专利6项。