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摘要

神经退行性疾病，如阿尔茨海默病和亨廷顿病，是导致认知和/或行为障碍的毁灭性疾病。这些疾病的致病分子的错误折叠形成毒性聚集物，最终导致突触功能障碍和神经元细胞死亡。到目前为止，一些药物已经被证明对大量患者有益，通过改善他们的行为体征、症状和认知。然而，这些药物主要针对对症治疗，并保留毒性聚集物完整。因此，这些药物的作用在给药后只持续很短的一段时间。近年来，近、中红外光激光照射已被用于神经退行性疾病的细胞培养和模型动物实验。激光照射的有益作用包括细胞内细胞器的恢复和有毒聚集体的分解。激光照射在治疗多种神经退行性疾病方面具有潜在的应用价值，但必须确定适当的剂量和安全性。

关键词

神经退化、红外

缩写

Aβ：淀粉样蛋白β;广告：阿尔茨海默病;app：淀粉样蛋白前体蛋白;BDNF：脑源性神经营养因子;CNS：中枢神经系统;FEL：自由电子激光器;MSCs：间充质干细胞;PS1：Presenilin 1;SCA：Spinocerebellar Ataxia;THS：Thioflavin-s。

阿尔茨海默氏病

聚集的淀粉样蛋白（Aβ）和tau蛋白的存款是阿尔茨海默氏病（AD）的主要原因。因此，肽干扰Aβ的聚集可能理论上还原Aβ[1-3]的毒性作用。此外，激光照射到大脑以解离集合体是一个有吸引力的过程，因为不是由血脑屏障中断。

低强度激光照射应用近红外光(600-1000 nm)[4]，将低能量、非加热红外光深入组织，可减轻炎症和水肿，促进伤口愈合，促进深层组织和神经[5]。因此，低强度激光照射有可能应用于中风、心脏病、脊髓损伤和外伤性脑损伤([5]综述)。作为低强度激光照射对疾病发挥有益作用的机制，低强度激光照射可恢复线粒体功能，调节活性氧和诱导转录因子(在[5]中综述)。

孟等人。发现在从淀粉样前体蛋白（APP）/早老1（PS1）AD模型小鼠Aβ二者处理的海马神经元和海马神经元的是低强度激光疗法救出神经元损失和树突萎缩。作为一种机制，低水平激光治疗通过ERK / CREB途径[6]的活化上调脑源性神经营养因子（BDNF）。

近红外光也易于施用于APP / PS1转基因小鼠脑。与假处理的小鼠相比，Neocortex，Hippocampus和Cerebellum的Neocortex，海马和小脑的β斑块减少了[4,7]。在这些研究中，作者还检查了近红外光对K369i Tau转基因小鼠的Tau病理学的影响。近红外光减弱了这些脑区中TAU的神经纤维缠结的形成和高磷酸化。

Lu et al.[8]将低强度激光照射应用于另一种动物。他们使用了AD大鼠模型，在双侧海马CA1区注射a β 1-42。他们通过将光纤光束聚焦在剃掉头皮的大鼠头部顶部，以808 nm的连续波经颅照射二极管激光器。低水平激光照射治疗恢复了多种线粒体功能。这改变了裂变和融合蛋白水平，恢复了线粒体动力学。低强度激光照射还会改变线粒体膜电位、氧化线粒体DNA、过度自噬和线粒体稳态。结果表明，低强度激光照射增强了海马CA1亚区神经元的总抗氧化能力，降低了氧化损伤。同样，这减少了a β诱导的反应性胶质增生和炎症以及tau蛋白的过度磷酸化，这可以从PHF1的表达中得到证明。因此，低强度激光照射可减弱a β诱导的海马神经变性，进而恢复长期空间和识别记忆障碍，Barnes迷宫任务和新物体识别测试[8]证实了这一点。

低水平激光也被照射到5xFAD转基因AD模型小鼠线的骨髓，其过表现出APP（K670N / M671L，I716V和V717I）和PS1（M146L / L286V）转基因的家族性AD突变形式。与未处理的Ad小鼠相比，该治疗在海马中的Aβ面积负荷显着降低了海马的β面积负荷，并改善了广告小鼠的认知能力和空间学习[9]。

与上述非加热照射相比，采用氧化石墨烯（GO）和近红外激光的光热处理来解离Aβ原纤维[10]。该策略利用纳米去的近红外光学吸收能力来产生局部热量以在低功率近红外激光照射（808nm）之后解离Aβ原纤维。为了具体靶向Aβ聚集体，GO与硫脲-S（THS）共价连接，其可以选择性地结合Aβ聚集体。近红外辐射后，转移复合成分在缓冲液和小鼠脑脊液中成功地解离淀粉样蛋白沉积物。关于Aβ的细胞毒性，Aβ原纤维导致使用MTT测定的PC12细胞存活率降低。在用第六次处理后处理近红外激光照射后，细胞的存活增加[10]。

基于AD模型动物的近红外光疗法的积极结果，最近发表了5例近红外光生物调节治疗的第一个完整的近红外光生物调节治疗报告和可能的广告。所用的装置是810nm，10Hz脉冲，发光二极管器件，组合经颅加鼻内光致调节。据报道，函数越来越多，睡眠，较少的愤怒爆发，减少焦虑和徘徊。没有负面副作用[11]。更大的研究将确定其临床潜力。

多聚谷氨酰胺疾病

A free electron laser (FEL) consists of an electron beam  propagating through a periodic magnetic field and are capable of operation over the entire electromagnetic spectrum (reviewed in [12]). The mid-infrared FEL facility at the Tokyo University of Science can generate a laser beam using synchrotron radiation as a seed, with a variable wavelength within the mid-infrared region of 5-16 μm (625-2,000 cm^-1)[13]。我们介绍了聚谷氨酰胺聚集体的解离作为一个例子，证明了中红外波长的潜在有用的自由能。

脊髓小脑共济失调(SCA)是50多种不同类型的遗传性共济失调中主要的神经退行性疾病[14,15]。SCA有多种类型，如常染色体显性遗传的多谷氨酰胺疾病，其中CAG三核苷酸重复在致病基因的编码区扩展。例如,ataxin-1蛋白(ATXN1)受到多麸醯胺酸与异常扩大延伸[16]导致SCA 1型(SCA1)广泛地区的特点是神经退化在中枢神经系统(CNS)包括大脑皮层、基底神经节、脑干、小脑和脊髓[17]。SCA1的发病机制是由ATXN1聚集和异常扩大的聚谷氨酰胺伸展引起的神经元变性。

虽然没有建立对SCA症状的进展来阻止甚至延迟SCA症状的根本治疗，但目前正在在SCA的临床试验中进行使用间充质干细胞（MSCs）的生化方法以及其他神经系统疾病[18]多发性硬化[19]和脊髓损伤[20]。在研究使用14例SCA患者[21]中，脐带脐带MSCs的鞘内注射可以提高治疗后1个月的运动能力和日常生活质量，如国际合作共济失调评级规模（ICARS）所证明的和日常生本规模的活动（ADL）。在另一项研究中，使用脐带脐带MSC的静脉内和鞘内输注[22]，大多数患者包括SCA1，SCA2和SCA3，在治疗后至少6个月的抗BERG平衡量表（BBS）和ICAR的改善评分显示出来。此外，输液基于实验室考试证明了安全[22]。因此，脐带MSCS在没有严重副作用的情况下，脐带MSCs适度地提高了SCA患者日常生活的运动能力和质量。

过去使用MSC和SCA模型小鼠的研究为我们提供了有关MSCS如何对SCA患者产生有益效果的良好信息。作为SCA动物中的MSC对CNS的影响，鞘内注射仅为3×10^3.MSCs大大减轻了小脑神经元紊乱，例如在SCA1-转基因小鼠中观察到的purkinje细胞的多层布置和萎缩[23,24]。此外，MSCS在SCA1-转基因小鼠中的电动机协调中的常量缺陷[23,24]。MSCs甚至证明了SCA1-Knockin（SCA1-KI）小鼠的脊髓退化的衰减有效，因为MSCs导致MSC注入SCA1-ki后甚至6个月的6个月的显着抑制了均匀的抑制小鼠[25]。值得注意的是，用MSC条件培养基（MSC-CM）再现MSCs在SCA1-KI小鼠中的治疗效果。MSC-CM形态上衰减脊柱神经元的轴突和髓鞘的变性，并且在功能上，注射的SCA1-Ki小鼠表现出脊柱运动神经元中神经传导速度的较小降低，并且比未处理的小鼠降低的电动机进孔[26]。这些发现表明，基本地改善SCA患者运动能力的机制不是ATXN1聚集体的解离，但可能对MSCs释放的因子是对神经元的营养效果。

神经元中的聚集体干扰正常的神经元功能。当我们考虑旨在直接解离神经元中有毒聚集体的治疗方法时，具有最佳波长的激光将是一个有吸引力的工具。初始思想是通过观察到的，即多种蛋白质聚集体可以在酰胺I频段吸收大多数光子能量。实际上，聚集蛋白的结构通过调节到酰胺带的纤维改变[13,27-30]。

在大脑中，包括β淀粉样蛋白和早老性痴呆的tau和那些含有多谷氨酰胺的蛋白质的聚集体显示出β片层结构。在除大脑等器官，胰岛素以及溶菌酶，降钙素，乳铁蛋白，β₂-微球蛋白、免疫球蛋白轻链和重链也可形成聚集。在酸性溶液(20%乙酸)中制备的微小胰岛素原纤维束在照射后明显减少，呈6.17µm (1620 cm)^-1)，对应于酰胺I带。辐照1 h后，β-片含量由40%降低至25%，表明FEL辐照在酰胺I带[13]处β-片丰富结构减少。几乎相同的波长也能有效分离非淀粉样角蛋白聚集体[30]。照射前角质蛋白聚集物中富含α-螺旋[30]。二级结构分析表明，辐照6.06µm后，团聚体结构中的α-螺旋含量降低到与单体态基本相同的水平。6.51 μ m(酰胺II波段)和8.06 μ m(酰胺III波段)的照射效果均小于酰胺I波段。

基于上述研究，6.0-6.2μm的纤维波长可能是对解离聚谷氨酰胺聚集体的最佳波长。我们制备了由具有69谷氨酰胺重复的聚谷氨酰胺肽组成的聚集体[31]。电子显微镜分析显示，所得聚谷氨酰胺原纤维长度形成几百纳米的电线（图1A）。当我们在5.50μm施加照射时，原纤维形式没有很大程度地改变（图1B）。值得注意的是，6.08μm的照射显着降低了原纤维形式（图1c）。通过红外显微镜光谱分析（图1D）分析在6.08μm处照射后的原纤维的标记构象变化（图1D）。1660厘米的宽峰^-1和1620厘米的肩膀^-1在酰胺I区域中的多聚谷氨酰胺的原纤维的照射（红色曲线）前的红外光谱中发现。前者峰对应于非原纤维形式和谷氨酰胺残基的侧链，而后者肩的酰胺羰基键表示原纤维形式，因为在β片层结构的酰胺羰基的谐振频率一般可观察到在1610-1630厘米^-1。在照射之前，计算α-螺旋和β-片的比例几乎相当（约20％），低于β-转弯和其他构象。有趣的是，6.08μm的FIR照射导致后肩峰值降低，并增加前峰（绿色曲线）。定量地，α-螺旋的百分比增加到与β-转或其他构象相当的水平，而β-薄片含量降低至10％。相反，在5.50μm（蓝曲线）照射后，光谱图案基本上没有基本改变。这些结果表明，在6.08μm的照射下，原纤维特异性构象（β-片）明显降低，并且在照射下，在6.08μm处的照射后，将原纤维形式转化为非原纤维状态。如其他蛋白质聚集体所示。

我们进一步研究了FEL照射对细胞[31]内聚集物的适用性。多聚谷氨酰胺聚集物在培养基中自发进入293T细胞。对具有聚谷氨酰胺聚集体的细胞进行辐照，观察其构象变化。通过晶格测量得到的二级结构映射显示，在酰胺I带调谐的FEL作用下，原纤维特异的β-薄片构象显著转化为α-螺旋主导构象。而5.50µm辐照后的映射图像显示，α-螺旋的含量(10-15%)较β-片(约35%)、β-转角和其他构象(均约40%)相对较低。因此，FEL不仅对裸聚集体有用，而且对细胞内的聚集体也有用。

未来的角度

近红外治疗使用黄斑变性患者的临床试验已取得了有益的成果。在患者的视力提高与无不良影响[32]治疗后保持3-36个月。至于聚谷氨酰胺疾病，我们证实在中红外区域中的FEL的效力以解离聚谷氨酰胺骨料比神经元细胞[31]其他的细胞系。由于聚谷氨酰胺聚集体生理学位于多聚谷氨酰胺病脑神经元，下一步是提供一种用于在培养的神经元聚集体的聚谷氨酰胺的FEL的测试有用性。至于FEL的可能的副作用，使用热照相机我们的测量表明，在由该红外线激光照射诱导培养细胞的温度的增加不大于1K [31]。因此，不太可能严重损害细胞通过加热至少该FEL条件下照射过程中发生的。使用培养神经细胞未来的详细研究将测试FEL是否会破坏神经元的形态和功能，建立FEL的安全性。

利益冲突

本文内容没有兴趣的冲突。

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