Research | 共振吸收与共振耦合：操控细胞增殖与迁移的新方法

来源：“Research科学研究”微信公众号

最近，上海理工大学、国科温州研究院、山东第一医科大学及其附属医院、广州医科大学等单位经过通力合作，对比研究了MIRS和VSC在相同振动频率下对成纤维细胞增殖和迁移的影响。相应结果以“Resonating with Cellular Pathways: Transcriptome Insights into Nonthermal Bioeffects of Middle Infrared Light Stimulation and Vibrational Strong Coupling on Cell Proliferation and Migration”为题发表在Research上。

Citation：

Niu X, Wu Z, Gao F, Hou S, Liu S, Zhao X, Wang L, Guo J, Zhang F. Resonating with Cellular Pathways: Transcriptome Insights into Nonthermal Bioeffects of Middle Infrared Light Stimulation and Vibrational Strong Coupling on Cell Proliferation and Migration. Research 2024;7:Article 0353. https://doi. org/10.34133/research.0353

研究背景

在现代生物医学研究中，精确调控细胞行为是一个关键的研究领域。传统的生物分子操控技术，如光遗传学，虽然有效，但通常需要改变生物体的遗传信息。相比之下，中红外光刺激（MIRS）和振动强耦合（VSC）技术通过其非热效应操控细胞功能，展示了不需改变遗传信息即可调控细胞行为的新可能。

生物体内的蛋白质和核酸等生物分子的结构和功能依赖于分子内化学键的振动，这些频率可视为它们的“分子指纹”。当外加频率与目标生物分子的振动频率精确匹配时，可以高度选择性地激发或抑制这些分子的功能，从而在细胞信号传导、酶活性调控和基因表达等关键生物过程中实现精细操控。

中红外波段由于其独特的穿透能力和与生物分子振动转动能级的精准匹配，已成为操控生物分子功能和激活特定生物反应的有效工具。特别是MIRS和VSC技术备受关注。MIRS通过特定波长的中红外光与生物分子中的官能团共振吸收，影响其生物功能，如增强离子通道透过性及提高聚合酶链反应（PCR）的效率。而VSC则在光学微腔中，通过电磁场与生物分子的集体振动强耦合极化，形成分子-光子混合态，从而在无需额外能量输入的情况下调控生物化学反应动力学，这在酶催化和DNA组装等方面已显示巨大潜力。这两种技术的应用开辟了使用物理频率手段精确调控细胞行为的新途径。

研究进展

最近，上海理工大学、国科温州研究院、山东第一医科大学及其附属医院、广州医科大学等单位经过通力合作，对比研究了MIRS和VSC在相同振动频率下对成纤维细胞增殖和迁移的影响。研究结果显示：两种方法均能显著提升细胞的增殖率和迁移能力。转录组测序结果显示，这两种非热效应能够改变与细胞路径相关的基因表达，从而影响细胞功能（图1）。

首先，研究人员通过5.6 μm量子级联中红外激光对成纤维细胞短时照射后，成功观察到与羰基振动（1785 cm-1）同频的中红外光使成纤维细胞增殖与迁移能力显著提高。经温度检测与照射后损伤检测评估，可以确认为此效应源于细胞对中红外光的共振吸收所诱发的非热效应（图2）。

图1 对Ｌ929成纤维细胞进行中红外刺激（MIRS），通过细胞活力监测与细胞计数验证MIRS后成纤维细胞增殖能力变化

图2 通过细胞划痕实验与形态学分析验证MIRS后成纤维细胞迁移能力变化

MIRS处理后，通过连续的细胞活力监测和划痕愈合实验，研究人员发现这些细胞的增殖和迁移能力明显优于对照组。此外，通过对肌动蛋白丝形态学的详细分析，作者发现MIRS处理诱导了细胞结构的显著变化，表现为极化特征的增强和对称性的减弱。这种独特的细胞结构重组有助于促进细胞迁移，被认为是MIRS提高细胞迁移能力的关键机制之一（图3）。

图3 对MIRS后成纤维细胞转录组测序并进行功能富集分析

为了深入探索MIRS实现细胞功能转变的分子机制，研究人员对接受MIRS处理的成纤维细胞进行了转录组测序，并对结果进行了功能富集分析，以识别细胞内被激活的关键信号传导路径。研究主要关注四个核心途径：MAPK、PI3K-Akt、ErbB和TGF-β，这些途径在MIRS处理后表现出显著的活跃性。这些发现不仅增进了我们对MIRS作用机理的理解，还为精确定位MIRS在复杂细胞信号调节网络中的作用提供了有力的实证，为未来的机制研究和应用开发奠定了坚实基础（图4）。

图4 对L929细胞进行VSC处理，通过细胞活力监测与细胞计数验证VSC对成纤维细胞增殖能力的影响

此外，研究人员将VSC体系应用于细胞功能调控领域，通过将成纤维细胞置入与羰基振动频率匹配的光学微腔（FP腔）中进行短时间的培养。持续的细胞活力监测和Transwell迁移实验显示，细胞的增殖和迁移能力均得到了提升，并观察到细胞形态的极化变化。通过对VSC处理的细胞进行转录组测序及深入分析，我们发现无论是VSC还是MIRS处理，TGF-β和ErbB两条信号通路均被显著激活，这可能表明这两条通路是促进成纤维细胞在羰基共振后增殖与迁移能力增强的关键机制（图5）。

图5 通过Transwell实验与细胞形态分析验证VSC对成纤维细胞迁移能力的影响

未来展望

通过频率共振调控，研究人员能像调音师一样，找到并激活那些影响生物活性、代谢途径甚至基因表达的“分子开关”。此项研究不仅在分子层面上揭示了MIRS和VSC的生物学效应，还为其在频率医学方面的应用提供了实验证据。未来，结合MIRS与VSC有望大量应用于伤口愈合、癌症治疗等生物医学领域。

作者简介

张峰：上海理工大学光电信息与计算机工程学院教授，无机化学专业博士，曾在德国慕尼黑大学、马尔堡大学、汉堡大学以及美国华盛顿大学、加州大学圣地亚哥分校等海外机构留学、工作、访问六年以上。迄今已在国家自然科学基金委、科技部等主持或参与过青年、面上、地区、联合、重点研发、重大专项等多项科研资助项目，主持其它省部级项目及企业横向项目20余项。目前的研究方向是频率医学和太赫兹生物学，已经发表100多篇SCI学术论文，总引用率超多5000次；授权多项发明专利，出版多部教材和译著。

王莉萍：国科温州研究院副研究员。华东师范大学化学博士，在上海交通大学生物医学工程学院完成博士后研究。曾在美国加州大学圣地亚哥分校和日本名古屋大学进行学术交流。目前的研究方向包括振动强耦合和分子共振吸收的生物学效应，以及频率医学的应用。第一作者或通讯作者于Bone Research, ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Photonics, Journal of Colloid and Interface Science, Langmuir 等期刊发表多篇学术论文。

郭俊：国科温州研究院副研究员。主要从事生物分子组装结构功能及其光学性能的研究工作。第一作者或通讯作者发表论文于ACS Macro Letters, ACS Photonics, Chemical Communications, ChemBioChem等学术期刊。