3.75 THz重复辐射调控人胎儿巩膜成纤维细胞胶原代谢

《Cells》：3.75 THz Repetitive Radiation Regulates Collagen Metabolism in Human Fetal Scleral Fibroblasts

　　

巩膜是眼球的关键结构成分，其生物力学特性和结构完整性主要由胶原代谢调控。本研究利用受控体外实验系统，探讨了不同频率太赫兹辐射（3.10 THz和3.75 THz）暴露时长与人胎儿巩膜成纤维细胞（HFSFs）中胶原代谢相关基因转录表达之间的定量关系。在120分钟太赫兹辐照暴露期间，两种频率均未对正常及缺氧诱导的HFSFs胶原代谢相关基因产生显著调控效应。然而，太赫兹辐射停止后12小时，3.75 THz辐射显著提高了HFSFs中COL1A1基因的表达水平。研究人员对暴露于3.75 THz重复辐射的巩膜成纤维细胞进行了蛋白质组学分析，共鉴定出213个差异表达蛋白（DEPs），包括172个下调蛋白和41个上调蛋白。这些DEPs主要富集于核糖体相关蛋白和线粒体功能相关蛋白，提示其在细胞内蛋白质合成和三磷酸腺苷（ATP）产生方面具有潜在调控作用。此外，研究表明与富含胶原的细胞外基质相关的14种蛋白表达水平呈现显著富集趋势，表明重复暴露于3.75 THz辐射诱导了巩膜细胞外基质（ECM）的重塑改变。本研究揭示了太赫兹辐射对HFSFs胶原代谢的影响并提供了初步分子证据，但直接功能效应仍未确认。这些发现为研究太赫兹辐射对巩膜胶原代谢的调控提供了理论和实验基础。

研究背景方面，近视已成为全球重大公共卫生问题，轴性近视的特征是眼轴异常延长和巩膜变薄，巩膜重塑涉及胶原合成与降解的动态平衡，目前近视防控手段如低剂量阿托品和矫正眼镜在长效性与安全性上存在局限。物理干预中电离辐射通常对巩膜成纤维细胞产生负向调控，而光生物调节（PBM）具正向效应，但长期安全性与临床转化仍受限。太赫兹波（0.1–10 THz，1 THz=10¹² Hz）能量不足以引起电离损伤DNA，现有研究显示其可通过非热效应影响干细胞分化、创伤修复等生物学过程，且低频太赫兹（功率密度低于1 mW/cm²）可调节基因与蛋白表达而不损伤DNA，具备良好生物安全性。既往太赫兹研究多集中于0.1–3.0 THz，较高频率（如3.75 THz）对生物功能的调控效应及频率依赖性机制尚不清楚。鉴于巩膜与皮肤组织特性相似，且巩膜成纤维细胞是调控巩膜细胞外基质重塑的核心细胞，研究人员假设较高频率太赫兹辐射可能通过改变胶原相关基因表达调控巩膜成纤维细胞胶原代谢，从而为近视相关巩膜病理重塑提供潜在干预思路。本研究旨在阐明太赫兹辐射物理参数对细胞功能调控的机制，论文发表于《Cells》。

关键技术方法方面，研究人员使用购自中国医学科学院基础医学研究所细胞资源中心的人胎儿巩膜成纤维细胞（HFSFs）作为实验样本。采用中国科学院半导体研究所的太赫兹量子级联激光器（THz-QCLs）分别提供3.10 THz（功率0.26 mW，平均功率密度0.13 mW/cm²）和3.75 THz（功率0.28 mW，平均功率密度0.14 mW/cm²）辐射，通过离轴抛物面镜光学系统聚焦并垂直向上照射24孔板底部细胞，辐射腔室温度维持37°C、湿度≤10%。缺氧模型通过金属箱舱通入95% N₂与5% CO₂混合气维持1.5–3% O₂培养12小时构建。细胞活力检测采用Cell Counting Kit-8（CCK-8），基因表达检测采用RNA提取与定量聚合酶链反应（qPCR），重复辐射方案为每日120分钟、连续5天3.75 THz辐射后进行蛋白质组学分析，蛋白定量后经胰酶消化、C18脱盐、液相色谱–串联质谱（LC-MS/MS）检测，利用Orbitrap Astral质谱仪与Vanquish^TM Neo UHPLC系统分析，后续通过基因本体论（GO）、京都基因与基因组百科全书（KEGG）及蛋白质–蛋白质互作（PPI）网络进行生物信息学注释。

研究结果部分，各小节结论如下：

3.1. The Effect of Terahertz Radiation on the Viability of HFSFs：研究人员将HFSFs经3.75 THz辐射60、120、180分钟后通过CCK-8检测细胞活力，发现各时长辐射组与对照组间细胞活力无统计学显著差异，表明该参数下3.75 THz辐射不影响HFSFs活力。

3.2. Effects of 3.10 THz and 3.75 THz Radiation on COL1A1 Gene Expression in HFSFs：在120分钟内，3.10 THz与3.75 THz辐射均未显著改变HFSFs中COL1A1基因表达；但120分钟辐射结束后继续培养12小时，3.75 THz辐射组COL1A1表达显著上调（1.39±0.13，p<0.05），提示3.75 THz辐射对HFSFs可能存在滞后效应。

3.3. Effects of 3.10 THz and 3.75 THz Radiation on MMP-2 and TIMP-2 Gene Expression in HFSFs：120分钟内3.75 THz辐射对基质金属蛋白酶-2（MMP-2）与金属蛋白酶组织抑制因子-2（TIMP-2）基因表达无显著影响；辐射后12小时TIMP-2呈上调趋势但无统计显著性，MMP-2无显著变化，表明延迟检测较即时检测对基因表达调控效应更明显，但未达显著水平。

3.4. Effects of 3.10 THz and 3.75 THz Terahertz Radiation on TGF-β2 Gene Expression in HFSFs：不同暴露时长下，3.10 THz（60分钟）与3.75 THz（30分钟）均下调转化生长因子-β2（TGF-β2）基因表达；延长至120分钟时3.10 THz组TGF-β2回升至正常，3.75 THz组亦恢复正常；辐射后12小时3.10 THz组恢复正常，而3.75 THz组TGF-β2显著上调（1.16±0.06，p<0.05），表明3.75 THz辐射对TGF-β2基因表达具更明显的滞后调控效应。

3.5. Effects of 3.10 and 3.75 THz Radiation on Hypoxia-Induced Collagen Synthesis and Degradation in HFSFs：缺氧12小时后HIF-1α与MMP-2上调、COL1A1下调，验证缺氧近视模型有效。120分钟辐射下，3.75 THz显著下调缺氧HFSFs中COL1A1（0.92±0.02，p<0.05），对MMP-2与TIMP-2无显著影响，提示其可能阻碍胶原合成而对降解影响小；3.10 THz显著上调MMP-2（1.14±0.05，p<0.05），对COL1A1与TIMP-2无显著影响，提示可能加速胶原降解。

3.6. Alterations in Global Protein Expression of HFSFs Induced by 3.75 THz Repetitive Radiation：连续5日每日120分钟3.75 THz重复辐射后蛋白质组学共鉴定8151种蛋白，筛选得到213个差异表达蛋白（DEPs）（41上调，172下调，FC≥1.2或≤0.83，FDR<0.05）。热休克蛋白仅DNAJC6上调（FC=1.36），其余均<1.2，提示无明显热应激。GO分析显示DEPs主要关联核糖体（核糖核蛋白复合物、胞质核糖体、蛋白翻译、核糖体结构成分）与线粒体（线粒体内膜、线粒体大亚基核糖体、呼吸链复合物I、有氧呼吸、质子驱动力驱动线粒体ATP合成）功能，并富集细胞骨架结构成分（角蛋白KRT系列、微管蛋白TUBA/TUBB系列）。KEGG富集激活氧化磷酸化、神经退行性病变通路、化学致癌–活性氧（ROS）通路等线粒体相关通路及核糖体通路，涉及呼吸链复合物I–IV多个亚基。PPI网络分为线粒体核糖体蛋白与胞质核糖体蛋白两大模块，多数线粒体呼吸链与核糖体蛋白表达下调，仅RPL22上调（FC=1.40）。

3.7. Effects of 3.75 THz Repetitive Radiation on Collagen Metabolism in HFSFs：GO富集在胶原含细胞外基质（CC）类别的14种蛋白显著富集，聚类分析得9簇，簇5富集细胞外基质相关术语（得分2.18）。差异蛋白中包含POSTN、PCOLCE、COL6A1、SPARC、MMP2等核心互作节点，其中MMP-2、COL6A1、PCOLCE下调，AHSG与POSTN上调，提示3.75 THz重复辐射诱导巩膜细胞外基质重塑相关蛋白表达改变。

3.8. 3.75 THz Repetitive Radiation Inhibits the Activation of the TGF-β Signaling Pathway：KEGG显著富集TGF-β信号通路（FDR=0.03），59个DEPs注释于此通路，映射到经典通路85个构成蛋白中的21个（3上调，18下调）。核心调控蛋白TGFB1（FC=0.82，p=0.02）、TGFBR1（FC=0.90，p=0.04）、TGFBR2（FC=0.93，p=0.02）、SMAD2（FC=0.88，p=0.02）均下调，表明重复3.75 THz辐射可能抑制TGF-β信号通路激活。

讨论部分总结：研究人员指出太赫兹频率对应多种生物大分子振动转动能级，特定频率太赫兹可通过非热机制改变生物大分子构象与活性，且不引起显著升温或热休克蛋白上调。本研究首次探讨3.10 THz与3.75 THz对巩膜成纤维细胞胶原代谢基因的影响，发现120分钟内无显著改变，但辐射后12小时3.75 THz显著上调COL1A1，支持太赫兹诱导的生物分子构象变化需经信号网络延迟累积放大的假说。TGF-β2表达变化提示太赫兹可能与TGF-β信号激活相关，蛋白质组显示核心TGF-β通路蛋白下调，需更多参数验证敏感性。重复3.75 THz辐射未明显影响细胞活力与热休克响应，213个DEPs以下调为主（172/213），GO与PPI显示富集于核糖体与线粒体，核糖体亚基下调可能是总体蛋白下调主因；KEGG激活神经退行病变相关通路，呼吸链复合物I–IV下调提示氧化磷酸化受抑、ATP合成减少与ROS累积风险，但尚需神经细胞验证。14个胶原相关ECM蛋白改变中MMP-2下调提示抑制胶原降解，COL6A1与PCOLCE下调，AHSG与POSTN上调，为巩膜ECM重塑提供直接分子证据。研究局限在于仅基因与蛋白水平证据，需在组织水平验证胶原合成降解功能，需增加辐射周期明确剂量效应，高频太赫兹源限制仅探3.75 THz，未来需多频率研究。太赫兹非热效应可调控生物大分子空间构象与基因表达，本研究DEPs富集于蛋白结合、RNA结合、GTP结合及mRNA代谢等，支持太赫兹对生物大分子普遍调控活性的分子证据。

研究结论部分翻译：本研究探讨了3.10 THz和3.75 THz辐射对人胎儿巩膜成纤维细胞（HFSFs）胶原代谢相关基因和蛋白表达的影响。在120分钟太赫兹辐照期间内，两种频率均未诱导胶原代谢相关基因表达的显著变化。此外，太赫兹辐射的效应持续至少12小时，此时胶原相关基因的表达水平显著高于辐照后立即检测的水平。为进一步探究此滞后效应，研究人员对巩膜成纤维细胞施加连续五日、每日120分钟的3.75 THz太赫兹重复辐射。蛋白质组结果显示，重复3.75 THz辐射诱导多种细胞外基质和TGF-β信号通路蛋白下调，这可能与线粒体和核糖体蛋白表达的抑制存在内在关联。此分子水平证据为阐明太赫兹辐射对巩膜成纤维细胞胶原代谢功能调控机制提供了关键依据。