《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Fourier transform Raman spectroscopy analysis of spinal cord lesions treated with Photobiomodulation
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摘要脊髓损伤会引发一系列严重的神经炎症和代谢功能障碍，这些反应会超出初始损伤部位，进一步导致功能缺陷。在再生医学领域，如何缓解这种渐进性退化仍是一个重要挑战。本研究探讨了在大鼠脊髓挫伤模型中，进行14天、808纳米波长的红外光生物调节治疗对神经的保护作用。为客观分析微观环境的分子
摘要
脊髓损伤会引发一系列严重的神经炎症和代谢功能障碍，这些反应会超出初始损伤部位，进一步导致功能缺陷。在再生医学领域，如何缓解这种渐进性退化仍是一个重要挑战。本研究探讨了在大鼠脊髓挫伤模型中，进行14天、808纳米波长的红外光生物调节治疗对神经的保护作用。为客观分析微观环境的分子动态变化，研究结合了傅里叶变换拉曼光谱与主成分分析方法，并通过苏木精-伊红染色及卢克索快蓝染色技术进行验证。研究结果表明，该光生物调节疗法能够有效稳定损伤中心前方1厘米处的生化环境。光谱分析显示，该疗法可保持蛋白质的结构完整性（酰胺I峰，1660厘米?1），同时减少与髓鞘降解相关的脂质紊乱（2929–2859厘米?1）。此外，该疗法还能使与葡萄糖相关的振动特征恢复正常（1123厘米?1），从而减少未代谢底物的积累，有助于维持组织稳态。空间分析则显示出不同的治疗效果：损伤近端区域的组织损伤较轻，而远端区域则对治疗的耐受性较低。综上，这些研究结果表明，光生物调节疗法有望作为一种针对性强且无创的方法来限制脊髓损伤的进一步发展，同时也凸显了傅里叶变换拉曼光谱在无需标记的情况下监测神经组织修复进程方面的优势。
引言
脊髓损伤会严重破坏中枢神经系统的结构，导致运动和感觉信息的双向传递被永久中断。除了直接的机械性创伤外，脊髓损伤还会引发持续且自我加剧的病理过程，其导致的永久性功能缺陷的严重程度取决于初始损伤与后续炎症微环境之间的相互作用[1]。全球范围内，脊髓损伤患者数量已增至约2060万人，其中新兴经济体的受影响程度更为严重，这些地区的患者多因交通事故和人际暴力受伤，且以年轻人和具有较高社会经济活动能力的人群为主[2]。
治疗脊髓损伤的临床挑战并不仅限于运动功能瘫痪，还包括神经内分泌失调、自主神经功能不稳定以及慢性心理问题等一系列复杂症状，这些问题共同给全球医疗体系带来了巨大压力，也严重影响了患者的生活质量[3]。尽管经过数十年的研究，从急性创伤到慢性残疾的转变这一环节仍存在显著的治疗缺口。目前的干预措施往往无法改善损伤后不利于组织修复的微环境，因此亟需新的策略来提供代谢刺激，从而在不可逆的坏死发生之前阻止有害的连锁反应。
脊髓损伤的病理生理过程可分为两个阶段：首先是直接的机械性损伤（即原发性损伤），随后则是持续性的自我破坏过程，即继发性损伤。在这一阶段，会出现严重的神经炎症、血管性水肿，还有大量炎症细胞侵入，释放出多种具有破坏作用的炎性因子。这种恶劣的微环境会引发缺血、胶质细胞凋亡以及不可逆的囊状空洞形成等恶性循环[1]。
尽管这些机制已被广泛认知，但目前的临床治疗手段仍以被动应对为主，主要局限于手术固定和制动。这类干预措施无法解决损伤部位生化环境的不稳定性，因此迫切需要能够提供主动神经保护作用的非侵入性治疗策略[4]。
光生物调节疗法作为一种极具前景的非侵入性治疗手段，有望弥补神经康复治疗中的这一空白，尤其适用于像脊髓损伤这类较为复杂的疾病。该疗法的有效性依赖于808纳米的波长，这一波长恰好处于“生物窗口”范围（600–1100纳米）内。在这个近红外波段，水、黑色素和血红蛋白等组织色素的吸收系数处于最低水平，这大大降低了光信号的衰减，使得光线能够更深入地穿透脊髓组织，直至细胞层面。光生物调节疗法通过激发线粒体呼吸链的末端酶——细胞色素c氧化酶，从而引发细胞内的信号传导反应。这种生物刺激作用能够优化线粒体膜电位，提高电子传输效率，进而显著增加三磷酸腺苷的合成量。此外，在光照作用下，细胞色素c氧化酶中的抑制性一氧化氮会解离，从而恢复细胞的正常呼吸功能，并调节活性氧的信号传导。这些分子层面的变化有助于将原本具有炎症性的微环境转变为有利于组织再生的环境，促进细胞迁移、轴突保护以及组织修复进程的加快[5][6]。
然而，虽然人们早已认识到光生物调节疗法在代谢方面的益处，但其稳定损伤周围微环境的能力至今尚未得到充分研究。现有文献多聚焦于损伤中心区域，往往忽视了损伤近端和远端区域的分子动态变化。了解这些相邻的解剖区域非常重要，因为它们是潜在的可修复组织区域，光生物调节疗法等治疗手段在这些区域可能发挥最大的再生作用[7][8]。
为了量化脊髓损伤后的复杂生化变化，傅里叶变换拉曼光谱成为一种无需破坏样本、精度极高的分析工具，可用于准确识别神经组织的分子特征[9]。自从在脊髓模型中得到应用以来，这种振动光谱技术便能高精度地显示未固定组织中的髓鞘和脂质分布情况，对于监测神经组织内部的亚细胞变化具有重要意义[10][11]。通过检测化学键独特的振动特征，该技术无需添加任何标记物，即可定量分析DNA、蛋白质和脂质等关键生物分子，而这些分子正是判断白质和灰质功能完整性的重要指标[12][13]。有一项开创性研究利用近红外拉曼光谱对比了健康大鼠与脊髓挫伤/半切大鼠的脊髓结构，发现通过光谱差异即可检测到由脂质过氧化和细胞外基质降解所引起的羰基团积累，而无需借助外部标记物或化学染料[13]。研究表明，神经组织结构会呈现出不同的光谱特征：特定的对称性和非对称性CH?和CH?振动模式（频率范围为2800厘米?1至2950厘米?1），可直接反映局部脂质聚集情况和髓鞘的完整性；而酰胺峰则能体现相应蛋白质的结构特征[14]。通过检测化学键的独特振动特征，该技术无需标记物即可定量分析DNA、蛋白质和脂质等关键生物分子，这些分子是判断白质和灰质功能完整性的重要指标[12][13]。由于结构破坏会导致同一组织样本无法同时用于两种分析方法，本研究将损伤中心区域的数据分析交给传统的组织学方法进行评估，而在损伤周围的区域则运用傅里叶变换拉曼光谱来分析其生化环境。
基于这一先进的分析框架，本研究旨在评估808纳米波长红外光生物调节疗法在减轻脊髓继发性损伤方面的神经保护作用。借助傅里叶变换拉曼光谱的高灵敏度，我们对损伤近端和远端区域进行了对比分析。通过检测特定的分子特征，如核酸含量以及脂质与蛋白质的比例，我们试图确定该疗法是否能够稳定脊髓组织的生化环境，进而抑制损伤引发的退化过程，与未接受治疗的对照组相比有何差异。
章节节选
实验设计
所有实验程序均获得了帕拉伊巴河谷大学动物使用伦理委员会的批准，批准号为A8-CEUA-2022，实验过程遵循ARRIVE指南进行。研究在帕拉伊巴河谷大学的研发研究所开展。实验设计旨在直接比较健康状态、未受损伤状态以及经过治疗的状态，以此找出能够反映治疗效果的关键生化指标。
光谱特征分析与生物分子鉴定
对脊髓不同区域进行的傅里叶变换拉曼光谱分析显示，这些区域的生化特征十分复杂，高低频区域都存在不同的振动特征。在高频区域（3500–2800厘米?1）中，出现了一个明显的宽谱带，其中包含两个可辨别的峰，分别位于3315厘米?1和3229厘米?1，这两个峰对应的是蛋白质中的O-H键和N-H键的伸缩振动以及水分子的振动模式。紧接着是光谱中最强的特征——强烈的CH伸缩振动峰
讨论
脊髓损伤的病理生理过程源于严重的生物能量危机以及随之而来的结构崩溃[13][18]。我们的研究结果表明，808纳米波长的光生物调节疗法是一种有效的神经保护手段，能够稳定损伤周围组织的分子结构[19]。在体内大鼠模型中，这些细胞层面的机制确实能够转化为宏观层面的结构和功能改善。早期的研究
结论
这种微观化学特征与傅里叶变换拉曼光谱在损伤周围区域检测到的组织保存状况相一致，同时也与808纳米光生物调节疗法处理后14天时，通过传统组织学方法在损伤中心区域观察到的宏观结构保留情况相互印证。虽然组织学分析能够证明创伤后形成的空腔有所缩小，且神经毒性性的胶质细胞瘢痕形成也得到了缓解，但振动特征则能更精确地反映
研究资金支持
本研究由巴西的学术机构资源资助计划CAPES提供资金支持，该资助不附带任何商业条款。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
莱昂纳多·博尔赫斯·德利马|德博拉·坎波斯·查维斯·科雷亚|莱安德罗·若泽·拉涅罗|艾米莉亚·安吉拉·洛·斯基亚沃·阿里萨瓦
巴西圣保罗州圣若泽杜斯坎波斯市乌尔巴诺瓦区希希马·希富米大道2911号，帕拉伊巴河谷大学研发研究所生物刺激与组织修复实验室，邮编12244-000
