Photobiomodulation and Oxidative Stress: 980nm Diode Laser Light Regulates Mitochondrial Activity and Reactive Oxygen Species Production  

光生物調節與氧化應激：980nm二極管激光調控線粒體活性與活性氧生成  

來源：Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2021，Volume 2021, Article ID 6626286

《氧化醫學與細胞長壽》2021年 第2021卷，文章編號 6626286

 

摘要內容

 

研究首次證明980nm激光可調控牛肝線粒體呼吸鏈復合物III和IV的活性，并影響ATP合成與氧化應激水平。低功率（0.1–0.2W）抑制ATP合成并誘發呼吸鏈解耦聯；中功率（0.3–0.7W）無顯著效應；高功率（0.8–1.1W）通過激活復合物III和IV提升ATP產量（圖1）。1.2–1.4W時ATP恢復至基線水平。激光還通過增加氧耗（圖2b）誘導活性氧（ROS）積累和脂質過氧化（圖5），但未影響三羧酸循環酶活性（圖4）。  

 

 

 

 

研究目的

 

探究980nm激光與線粒體的相互作用機制，明確其對呼吸鏈復合物、能量代謝及氧化應激的調控效應，填補900–1000nm波長光生物調節機制的研究空白。  

 

研究思路

 

1. 激光參數設計：采用980nm二極管激光（連續波模式），功率0.1–1.4W（0.1W梯度遞增），輻照60秒，光斑面積0.78cm2（表1）。  

 

2. 線粒體分離：從牛肝中提取線粒體富集組分，排除溫度干擾。  

3. 多指標檢測：  

   ? 能量代謝：ATP合成（圖1）、氧消耗速率（OCR）（圖2b）、P/O比值（圖2c）。  

 

   ? 呼吸鏈：復合物I–IV活性（圖3）。  

 

   ? 氧化應激：超氧陰離子（圖5a）、丙二醛（MDA）（圖5b）。  

 

   ? 三羧酸循環：異檸檬酸脫氫酶（IDH）和蘋果酸脫氫酶（MDH）活性（圖4）。  

 

4. 機理解析：結合呼吸鏈復合物活性與氧化應激數據，闡明激光通過靶向復合物III/IV調控能量代謝與ROS平衡。  

 

測量數據及研究意義

 

1. ATP合成（圖1）：  

   ? 數據：0.1W抑制ATP合成（↓60%），0.8W顯著提升（↑40%）。  

 

   ? 意義：首次明確980nm激光存在"窗口效應"，為光療參數優化提供依據。  

 

2. 氧消耗速率（OCR）（圖2b）：  

   ? 數據：0.1W時OCR降低且P/O比值降至0.7（正常2.5），表明呼吸鏈解耦聯；0.8W時OCR與ATP同步增加。  

 

   ? 意義：揭示激光通過調節復合物III/IV（圖3c,d）影響質子梯度與能量轉化效率。  

 

3. 呼吸鏈復合物活性（圖3）：  

   ? 數據：僅復合物III和IV受激光調控（0.1W抑制，0.8W激活），復合物I/II無變化。  

 

   ? 意義：證實980nm特異性靶向含銅/鐵硫中心的復合物，拓展光生物調節的分子靶點認知。  

 

4. 氧化應激指標（圖5）：  

   ? 數據：0.1W和0.8W均升高超氧陰離子（↑30–50%）和MDA（↑20–40%）。  

 

   ? 意義：激光誘導的氧耗增加和線粒體孤立環境導致ROS累積，提示臨床應用需權衡促代謝與氧化損傷風險。  

 

5. 三羧酸循環酶（圖4）：  

   ? 數據：IDH與MDH活性不受激光影響。  

 

   ? 意義：排除上游代謝干擾，確認激光效應集中于呼吸鏈。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

使用Unisense微呼吸測定系統實時監測線粒體氧消耗（圖2b），其意義在于：  

1. 高靈敏度解析呼吸狀態：檢測到0.1W激光引發的呼吸鏈解耦聯（P/O比值驟降），直接證明能量轉化效率受損，而傳統ATP檢測無法區分解耦聯與抑制。  

2. 實時動態監測：結合ATP數據，明確0.8W激光通過同步提升OCR和ATP合成（P/O比值不變）實現"耦合性激活"，排除熱效應干擾。  

3. 氧化應激關聯機制：OCR增加與ROS升高（圖5a）顯著相關，證實激光通過增強電子傳遞鏈活性間接促進超氧陰離子生成，為光調節中ROS的雙重角色（信號分子/損傷因子）提供證據。  

 

結論

 

1. 靶向性調控：980nm激光特異性激活線粒體復合物III和IV，且存在功率依賴性"窗口效應"（0.8W最佳）。  

2. 能量代謝與氧化應激平衡：高功率（0.8W）提升ATP合成效率，但伴隨ROS積累；低功率（0.1W）引發解耦聯與嚴重氧化損傷。  

3. 應用啟示：光療需精確控制參數以避免氧化損傷，并探索復合物III/IV作為新型光調節靶點。