3.1.3 核酸

核酸(Nucleic acid)是一类重要的生物大分子，是信号传导、遗传存储的载体。太赫兹光谱技术可以敏感地检测核酸的配对氢键和非共价键的相互作用(nonbonded interaction)。

有学者使用太赫兹时域光谱去研究固相下尿嘧啶和尿素间的相互作用，结果发现其太赫兹吸收光谱在0.8 THz处有明显的吸收峰。这项发现加深了对RNA变性的认识，同时也可以看到在制药或化学工程中太赫兹光谱技术可以是一个有效的质量控制工具[33]。此外，近来的研究探讨了太赫兹技术对DNA形态变化的检测。Tang及其同事尝试用太赫兹光谱技术标记的探测DNA的单碱基的变化来检测DNA突变[34]。Cheon及其同事通过分辨从不同细胞中提取具有基于甲基化的癌灶特征DNA来辨别不同的癌症，其试验发现甲基化后的DNA在1.29THz，1.74 THz和2.14 THz时有三个吸收波峰，表明了太赫兹技术可以在癌症的微创诊断过程中发挥重要作用[35]，如图5所示。

图5 2′-脱氧胞苷和5-甲基胞嘧啶的太赫兹吸收系数[35]Fig. 5 Absorption coefficients of 2′-deoxycytidine and 5-methylcytidine[35]

3.2 生物组织水平

3.2.1 组织

目前，太赫兹光谱技术对不同组织的检测依旧是主流，其中正常组织与癌组织的鉴别是热点之一。Truong及其同事的一系列研究检测乳腺癌组织和正常组织不同的太赫兹谱特征，并且进一步探讨了不同乳腺癌组织的鉴别[36]。阿尔兹海默症是一种退行性神经系统病变，目前采用脑脊液检查、磁共振、神经系统查体等方法来诊断。这些方法花费高、耗时久并且可靠性依赖于疾病的严重程度。一项动物试验研究了阿尔兹海默症小鼠与正常小鼠脑组织的不同太赫兹光谱，结果显示在1.44 THz、1.8 THz和2.114 THz时可以观察到阿尔兹海默症小鼠的吸收系数高于正常小鼠，而阿尔兹海默症小鼠的折射系数均明显高于正常小鼠[37]。水对太赫兹检测影响较大，根据标本处理方式将其分为脱水标本和非脱水标本，其中石蜡包埋是常见的脱水方法。Hou及其同事成功地鉴别脱水正常组织和胃癌组织，发现在0.2 THz~0.5 THz和1 THz~ 1.5 THz时可以观察到胃癌组织的太赫兹特征谱[38]。Echchgadda及其同事研究[39]了前臂腹侧皮肤、前臂背侧皮肤、手掌皮肤的太赫兹特征，结果发现由于不同部位皮肤水含量的差异，使其具有不同的吸收系数和折射系数。非脱水标本的太赫兹检测对于未来的医疗领域无损或微创实时组织性质的实时检测意义重大，未来需要更多的研究完善。

3.2.2 细胞

太赫兹光谱技术已经能够实时鉴别生物组织，然而生物材料和液体(水和血液)可能会干扰对目标组织的探测。Reid及其同事研究比较了全血、血清、血细胞、血栓和水等的太赫兹吸收系数和折射系数，观察到上述物质的吸收和折射系数均有较小的区别[40]。Shiraga及其同事将太赫兹光谱技术结合了衰减全反射法(THz-ATR)，用来研究DLD-1、HEK293和HeLa这三种癌细胞的介电常数。发现低于1.0 THz时，癌细胞中水分子有着不同于细胞外液的介电响应[41]。此外，由于不同细菌特有的太赫兹光谱，该技术还被用于鉴别细菌[42-43]。细胞中的水与生物的活动和病理状态相关，鉴于此，前文提及的THz-ATR技术具有重要意义。同时还有一些学者研究了太赫兹波对细胞生物安全性的影响，我们将在下文中探讨。

4 目前存在的问题

4.1 太赫兹技术的生物安全性

尽管太赫兹波没有电离特性，但随着太赫兹技术的开展，人们对太赫兹的生物安全性关注增加，例如暴露于太赫兹中是否会引起热损伤、是否会引起自身结构变异或变性等[44]。一些研究分别从分子到细胞等不同水平对此进行了探讨。Alexandrov及其同事研究了太赫兹波对小鼠干细胞基因表达的影响，结果表明长时间的宽波太赫兹照射会促使细胞分化，并且太赫兹光源的2 h照射将影响多能干细胞的基因转录，但是没有观察到明显的温度上升[45]。Wilmink及其同事的研究发现当用太赫兹波(2.52 THz，84.8 mW/cm2)照射人类成纤维细胞80 min，其温度升高了3 ℃，同时约10%的细胞死亡[46]。Borovkova及其同事使用平均能量密度3.2 mW/cm2的连续太赫兹波(0.12 THz ～0.18 THz)照射小鼠胶质细胞，暴露1 min后凋亡细胞数量增加了1.5倍，暴露3 min后凋亡细胞数量翻倍[47]，如图6所示。然而，在另一项低能量密度太兹赫波(0.02 mW/cm2～0.37 mW/cm2)的哺乳动物细胞研究中，试验组的细胞形态学、粘附性、增殖性和分化性与对照组比较后并未发现明显不同[48]，这可能与两项研究的试验标本不同有关，这些研究结果提示了在临床应用时需限制太赫兹的能量密度和暴露时间。太赫兹的生物安全性主要取决两大因素：一是太赫兹波的参数，例如频率、光点大小、暴露时长及入射角度等；二是目标生物组织自身的特性，例如折射、反射及散射特性[44]。虽然太赫兹生物安全性研究近年来增多，但其会对人体产生哪些影响远未完善。因此，需要避免高强度、长时间的暴露于太赫兹中。进一步对太赫兹生物安全性的研究有助于探索太赫兹与生物间的作用本质，推动太赫兹技术的进步。

文章来源：《医学食疗与健康》 网址: http://www.yxslyjkbjb.cn/qikandaodu/2021/0415/1024.html