生物超弱發(fā)光在法醫(yī)學(xué)中的研究應(yīng)用展望 生物超弱發(fā)光在法醫(yī)學(xué)中的研究應(yīng)用展望 【摘 要】 生物超弱發(fā)光攜帶著生物體新陳代謝和能量轉(zhuǎn)化的信息，已成為生命學(xué)科的重要研究領(lǐng)域。本文回顧生物超弱發(fā)光的研究歷史、特點(diǎn)及在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，展望生物超弱發(fā)光在法醫(yī)學(xué)，尤其是死亡時(shí)間推測(cè)和損傷方面的研究應(yīng)用前景?！娟P(guān)鍵詞】生物超弱發(fā)光；法醫(yī)學(xué)；死亡時(shí)間；損傷【中圖分類(lèi)號(hào)】 r919【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】b【文章編號(hào)】 1007 9297(2005)01 0051-03the appficafion prospect of the use of bio-photon emission in forensic science zhu xin ju wang zhen-yu o, yu0 un， et a1 department offorensic medwine， xi jiootong university,xi 710061【 abstract】 because of the bio photon emission (bpe)from biological system carries the important information ofmetabolism and energy transformation of the living biological system including human， so that bpe s research will become animportant research field in life science this paper reviewed bpe s research history， characters and advances in medical field， and presented the initial prospect of future use in forensic science esp in postmortem interval and injury【 key words】 bio-photon emission； forensic science； postmortem interval； injury 生物超弱發(fā)光 (bio photon emission or ultra weak bioluminescence， bpe)是生物體進(jìn)行新陳代謝過(guò)程中細(xì)胞自發(fā)輻射極微弱的光子流，以及細(xì)胞受外界激發(fā)光消失后仍保持的極其微弱的延遲發(fā)光其強(qiáng)度僅為 100 104 光子 (cm2(s)。 11 bpe 廣泛存在于動(dòng)物、植物以及單細(xì)胞生物之中是反映生物體本原的與生命活動(dòng)過(guò)程有關(guān)的信息。用靈敏的現(xiàn)代光子計(jì)數(shù)技術(shù)對(duì) bpe 進(jìn)行初步研究表明，動(dòng)植物的不同生理活動(dòng)過(guò)程，存在不同強(qiáng)度和特征的超弱發(fā)光 超弱發(fā)光與生物體的許多重要生命過(guò)程，如氧化代謝、信息傳遞、細(xì)胞分裂、光合作用和癌變、死亡及生長(zhǎng)調(diào)控等存在著內(nèi)在聯(lián)系，已成為生物光子學(xué)的重要研究方向之一， 21 在臨床診斷、農(nóng)作物遺傳 性診斷及環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域可有重要的應(yīng)用。本文回顧 bpe的研究歷史、特點(diǎn)及在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，從法醫(yī)學(xué)角度展望生物超弱發(fā)光在本學(xué)科的研究、應(yīng)用前景。一、 bpe 的發(fā)現(xiàn)和研究歷史生物超弱發(fā)光的發(fā)現(xiàn)，可追溯到上個(gè)世紀(jì) 20 年代。早在 1923 年，前蘇聯(lián)科學(xué)家 g gurwitsh 在著名的 “ 洋蔥試驗(yàn) ” 中就已發(fā)現(xiàn)并證明了超弱發(fā)光現(xiàn)象。 31 到了 60 年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家對(duì)超弱發(fā)光進(jìn)行了大量研究， mamedov 對(duì) 90 余種生物的測(cè)定發(fā)現(xiàn)除藍(lán)藻和原生動(dòng)物外，所有生物都有不同程度的發(fā)光證明了超弱發(fā)光的普遍性。 4 slawinska 等更進(jìn)一步提出任何生命物質(zhì)都存在著超弱發(fā)光現(xiàn)象。 5】 80 年代以后， bpe 的研究已在前蘇聯(lián)、美國(guó)、 13 本、歐洲以及我國(guó)展開(kāi)并已開(kāi)始向細(xì)胞、亞細(xì)胞及分子水平深入。到目前為止，人們已經(jīng)對(duì)超弱發(fā)光的機(jī)制、測(cè)試儀器及其應(yīng)用開(kāi)展了大量研究工作二、 bpe 的特點(diǎn) bpe 極其微弱， 61 生物系統(tǒng)表面每平方厘米秒(om s 一 1)發(fā)射的光子可以從幾個(gè)到幾百個(gè)，這一強(qiáng)度相當(dāng)于遠(yuǎn)在10 公里甚至 100 公里外一根蠟燭發(fā)出的光。分裂的細(xì)胞比休止的細(xì)胞發(fā)光強(qiáng)，并主要在細(xì)胞分裂前期發(fā)射，所以稱(chēng)有絲分裂發(fā)光。發(fā)射光譜很寬，至少覆蓋從紫 外到紅外的整個(gè)光譜區(qū)。 bpe 的值和生物進(jìn)化程度成正比，進(jìn)化程度越高，其 bpe 值越大 ，輻射的波長(zhǎng)越向紅外擴(kuò)展。發(fā)光強(qiáng)度與生物系統(tǒng)的生理和生物學(xué)功能有多方面的聯(lián)系：超弱發(fā)光強(qiáng)度與細(xì)胞的種類(lèi)及其所處的代謝狀態(tài)有關(guān)，如正常細(xì)胞【作者簡(jiǎn)介】朱新菊 (1979 一 )，女，江蘇人，在讀法醫(yī)學(xué)碩士，主要從事法醫(yī)病理學(xué)研究。tel+86 29 82655472 e-mail： wzy21 8mail xjtu edu cfi 52 的延遲發(fā)光強(qiáng)度隨細(xì)胞濃度的增加而減小而腫瘤細(xì)胞則相反腫瘤生長(zhǎng)旺盛期大鼠血清的超 弱發(fā)光與對(duì)照鼠的相比偏差最大：對(duì)各種物理和化學(xué)因素很敏感，幾乎任何一種化學(xué)物質(zhì)都能影響細(xì)胞發(fā)光的強(qiáng)度。三、 bpe 的來(lái)源和可能機(jī)制生物體在進(jìn)行生理、生化反應(yīng)的過(guò)程中，處于基態(tài)的原子或原子團(tuán)獲得能量其電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子或原子團(tuán)不穩(wěn)定，將釋放多余的能量回到基態(tài)，能量的釋放伴隨有熱、電離和光子的發(fā)射等，其中能量以光子形式釋放的過(guò)程稱(chēng)為生物的超弱發(fā)光。代謝和核酸合成是生物超弱發(fā)光的兩大主要來(lái)源，萌發(fā)綠豆中這兩者之和約為 96。吲代謝發(fā)光又主要來(lái)源于氧化還原等代謝過(guò)程，如脂肪酸氧化、酚和醛的氧化 、 h 0 的酶解、花生四烯酸的氧化、兒茶酚胺和單寧的過(guò)氧化，醌的氧化裂解、蛋白質(zhì)和氨基酸的氧化等。氧化劑 d 0 明顯增強(qiáng)血紅素蛋白的發(fā)光強(qiáng)度、呼吸抑制劑 nan，對(duì)萌發(fā)綠豆超弱發(fā)光的抑制達(dá) 72等都是極好的例證。 71wright jr 等通過(guò)小鼠肝臟微粒體的化學(xué)發(fā)光與脂類(lèi)過(guò)氧化的研究，證明脂肪酸氧化是超弱發(fā)光的主要來(lái)源之一。 81 代謝發(fā)光機(jī)制包括了活性氧生成與控制兩個(gè)方面，能較好地解釋自 基引起超弱發(fā)光的可能性。由于活體內(nèi)的氧化反應(yīng)速率受抑制劑的控制，如生育酚、過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化物歧化酶、維生素 a、維生素 c等都 能清除活性自由基因此，生物在代謝過(guò)程中產(chǎn)生的大量自由基不可能使超弱發(fā)光強(qiáng)度太高但是當(dāng)生物體內(nèi)的天然阻氧化劑和氧化脂類(lèi)之間的平衡被打破后將導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度瞬時(shí)劇增，出現(xiàn) “ 閃光現(xiàn)象 ” 。核酸 dna 和 rna 的合成反應(yīng)是超弱發(fā)光的另一個(gè)來(lái)源它在綠豆種胚超弱發(fā)光中約占 24，其波長(zhǎng)在 190 325 nm 的紫外波段 21 與代謝發(fā)光的光譜范圍有所不同，用代謝發(fā)光難以解釋。因此，分裂發(fā)光與代謝發(fā)光可能有不同的來(lái)源和機(jī)制， popp 等提出過(guò)dna 光子貯存假說(shuō)和分化的物理模型。 91 rattemeyer 等根據(jù)溴化乙錠對(duì)超 弱發(fā)光的影響也初步證明了 dna 是一個(gè)超弱發(fā)光源。 101馬文建等還對(duì) dna 發(fā)光特異性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在所有堿基中只有鳥(niǎo)嘌呤能夠發(fā)光，且發(fā)光強(qiáng)度與濃度 (亦即 dna 濃度 )成正相線(xiàn)性關(guān)系。 li】四、 bpe 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景盡管生物超弱發(fā)光的機(jī)制研究還有待深入但超弱發(fā)光研究所揭示的生命科學(xué)命題已經(jīng)展示了光輝法律與醫(yī)學(xué)雜志 2005年第 12卷 (第 1期 )的前景。近年來(lái)，光子學(xué)技術(shù)在生物特性研究中的作用越來(lái)越突出已成為一類(lèi)新的生命科學(xué)的研究工具。這種研究方法可能成為研究細(xì)胞信息傳遞、調(diào)控、分化、識(shí) 別等基本過(guò)程的重要工具進(jìn)而發(fā)展人為調(diào)節(jié)超弱發(fā)光來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生命過(guò)程的控制。 11 目前在醫(yī)學(xué)、藥理學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)及食品科學(xué)等方面，對(duì) bpe 均有深入的探索。對(duì)臨床實(shí)踐來(lái)說(shuō)，血清的超弱發(fā)光較為重要。血液的超弱發(fā)光可以作為一種靈敏、快速簡(jiǎn)易的生物物理指標(biāo)，對(duì)血液發(fā)出的生物光子進(jìn)行測(cè)量和分析可以揭示疾病的發(fā)生或者提供先兆。羅金梅報(bào)道了人體體表的生物發(fā)光隨年齡的增加而增加，而且吸煙人的生物發(fā)光普遍高于同齡正常組。11 馬玉琴等發(fā)現(xiàn)癌癥患者血液的發(fā)光強(qiáng)度明顯高于對(duì)照組，且有顯著性差異，通過(guò)對(duì)人體血液的超弱發(fā)光測(cè)量，可以 進(jìn)行癌癥患者的早期診斷。 超弱發(fā)光對(duì)于 鑒別腫瘤和炎癥也是極其有用的指標(biāo)。顧樵曾報(bào)道利用生物光子鑒別腫瘤和炎癥，鑒別率達(dá) 100。超弱發(fā)光與許多生理生化反應(yīng)有關(guān)。對(duì)綿羊精子的研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)光強(qiáng)度與活力、呼吸、果糖酵解、磷酸肌酸呈正相關(guān)，這種發(fā)光與活力和能量代謝間的內(nèi)在聯(lián)系，反映了精子能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，是評(píng)價(jià)精液品質(zhì)很有價(jià)值的指標(biāo)。 131此外超弱發(fā)光還可以用于檢測(cè)病人對(duì)藥物過(guò)敏的情況 在患者血清中加入待檢藥劑，觀(guān)察其發(fā)光變化。與健康人相比，耐藥病人的發(fā)光值高 2 3 倍對(duì)藥物敏感的病人發(fā)光值高 6 8 倍。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)被預(yù)測(cè)將在以下 8 個(gè)領(lǐng)域有所發(fā)展：光動(dòng) 力學(xué)醫(yī)療、激光和組織的相互作用、無(wú)透鏡顯微術(shù)、在血液化學(xué)分析中的進(jìn)展、癌癥的光學(xué)顯示、利用激光檢測(cè) dna、傷害最小的光子設(shè)備、一體化的激光和成像系統(tǒng)。 li4】五、 bpe 在法醫(yī)學(xué)的應(yīng)用研究展望 (一 )bpe 運(yùn)用于死亡時(shí)間推測(cè)目前死亡時(shí)間的估計(jì)尤其是早期死亡時(shí)間的估計(jì)尚無(wú)精確可靠的方法。生命的終結(jié)是一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程，從生到死沒(méi)有一個(gè)截然的分界線(xiàn)。通常死亡是指?jìng)€(gè)體生命的終結(jié)而言。從生物學(xué)角度來(lái)說(shuō)機(jī)體內(nèi)各種組織、細(xì)胞并非在同一時(shí)間進(jìn)入死亡。臨床死亡發(fā)生后，由于機(jī)體各種組織對(duì)缺氧的耐受性不一故心跳停止后各種組 織細(xì)胞也會(huì)經(jīng)歷一段長(zhǎng)短不一的缺氧期逐漸發(fā)生各種缺氧性改變，最終發(fā)展至生物學(xué)死亡 (也稱(chēng)細(xì)胞性死亡 )。在這個(gè)階段細(xì)胞內(nèi)的 “ 自由基 ” 復(fù)合反應(yīng)以及 dna 的構(gòu)象必然會(huì)隨死亡時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生一系列的變化，因此超弱發(fā)光也必然會(huì)法律與醫(yī)學(xué)雜志 2005 年第12 卷 (第 1 期 )隨之產(chǎn)生一系列變化。此時(shí)利用生物光電技術(shù)定時(shí)測(cè)量細(xì)胞輻射出的生物光子數(shù)，就可以得到生物光子與死亡時(shí)間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，離體的不同發(fā)育時(shí)期的雞胚神經(jīng)細(xì)胞發(fā)光有很大差異，9 天以后的雞胚神經(jīng)細(xì)胞有明顯的特征曲線(xiàn)。該曲線(xiàn)的產(chǎn)生與外界溫度、氧、電場(chǎng)作用和光照等因子有 關(guān)。溫度由 41 降到 37 過(guò)程中，發(fā)光強(qiáng)度亦降低，同時(shí)最大峰位置后移，但當(dāng)溫度低于 37 時(shí)。則特征曲線(xiàn)變得不明顯；外界電場(chǎng)和光照能使發(fā)光迅速增加，但不能改變發(fā)光曲線(xiàn)的特征且移去外電場(chǎng)后，能迅速恢復(fù)到原發(fā)光水平。 l5】既然發(fā)育時(shí)期的 bpe 可出現(xiàn)特征曲線(xiàn)。是否死亡時(shí) bpe 也會(huì)出現(xiàn)特征曲線(xiàn)，這有待于開(kāi)展進(jìn)一步研究。 (二 )推斷損傷時(shí)間、形狀、程度和傷口愈合時(shí)間機(jī)體受損后組織細(xì)胞的生理活動(dòng)和形態(tài)功能發(fā)生不同程度的改變。故其超弱發(fā)光的強(qiáng)度和特征也會(huì)隨之出現(xiàn)不同程度的改變。 balasigamani 等在鼠背部損傷 bpe 測(cè)量的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)。損傷后即刻獲得的生物光子的二維圖像。未顯示明顯的傷口形態(tài)和定位；損傷 48 h 后。顯示出傷口形態(tài)，且光子密度持續(xù)上升；隨著免疫系統(tǒng)的激活。光子密度在傷后 3 5 d 達(dá)峰值；傷后第 6 天，光子密度開(kāi)始衰減；在傷后第 8 天傷口完全愈合。圖像不再顯示明顯的傷口形態(tài)；痂脫落后光子密度又恢復(fù)到正常狀態(tài)。【 1 句研究損傷后 bpe 的強(qiáng)度、特征、分布隨損傷時(shí)間的變化規(guī)律，有利于更加精確的推斷損傷時(shí)間、損傷程度等，同時(shí)也能在一定程度上反映損傷性質(zhì)以及致傷工具的特征。 (三 )bpe 應(yīng)用于法醫(yī)學(xué)的可行性顧樵對(duì)魚(yú)肉的新鮮度 與光電強(qiáng)度進(jìn)行了深入的研究建立了魚(yú)肉的新鮮度與光電強(qiáng)度遞減的方程式。 由于生物超弱發(fā)光輻射出的光子呈量子狀態(tài)，運(yùn)用該法對(duì)人尸體進(jìn)行研究可以精確計(jì)數(shù)。較之以往根據(jù)尸溫測(cè)量、 dna 降解程度的圖像分析等方法具有極大的優(yōu)越性。因此可用來(lái)對(duì)死亡時(shí)間等進(jìn)行前所未有的精確推斷。由于肌細(xì)胞耐缺氧能力強(qiáng)，在軀體死亡后肌細(xì)胞的存活時(shí)間較其他組織要長(zhǎng)，故其生物發(fā)光的能力也較其他組織要強(qiáng)，易于測(cè)定。目前，已有商品化的生物光子測(cè)定儀面世，運(yùn)用該儀器進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)測(cè)定動(dòng)物死后肌肉的 bpe 變化。在人尸體上取心肌和骨骼肌重復(fù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)過(guò) 程。校正動(dòng)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)。建立人體死亡時(shí)間與肌肉組織生物光子變化的方程式從而根據(jù)方程式及測(cè)定的 bpe 值來(lái)推斷死亡時(shí)間。 53 此外，生物光子學(xué)的其他研究成果也可借鑒運(yùn)用到法醫(yī)學(xué)中。如無(wú)透鏡顯微術(shù)等可作為繼電鏡之后的又一法醫(yī)病理學(xué)研究的重要手段；利用激光檢測(cè)微量檢材中的 dna，在法醫(yī)物證鑒定中具有重要意義：一體化的激光和成像系統(tǒng)將成為繼 ct、 mri 之后的新型檢測(cè)裝置在法醫(yī)臨床的損傷鑒定中發(fā)揮重要作用。環(huán)境監(jiān)測(cè)中運(yùn)用生物發(fā)光技術(shù)對(duì)廢水、廢液中重金屬及致病菌進(jìn)行檢測(cè)。靈敏度可達(dá)十億分之幾的數(shù)量級(jí)，顯然，這些技 術(shù)對(duì)法醫(yī)毒物分析的發(fā)展也將產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。參考文獻(xiàn) 1 呂可誠(chéng)，張春平，張光寅，等生物光子學(xué)進(jìn)展 jj光子學(xué)報(bào)， 1997 26(12)： 1123-11292 王維江，韓俊英生物超弱發(fā)光機(jī)制及其檢測(cè)方法研究進(jìn)展 -l】廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2000， 17(1)： 49 54【 3 gurwitsch a g die nature des 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