刘承宜的研究领域和研究成果

刘承宜教授先后出访日本和美国，参加多次国际会议。先后邀请美国、德国、俄罗斯和香港等地的同行来访，开展合作研究。主持国家自然科学基金、教育部霍英东青年教师基金和广东省自然科学基金团队项目等项研究。在细胞生理与信息方面具有较高的学术造诣，发现了哺乳动物非视觉细胞的协同光信号转导现象。

刘教授的课题组从1998年开始连续参加ASLMS年会（世界激光医学方面级别最高的会议）。1999年，课题组的报告成为这个小组会议的八大热点话题之一。2000年，课题组的报告低强度激光对细胞生物刺激作用的膜机理研究获得整个会议的最佳基础研究论文提名和小组会议的优秀论文。2001年，课题组报告入选Mini-Talk型大会，且排位第一。课题组的研究生先后连续三次获得暑期研究基金的资助。ASLMS的会刊Lasers Surgery Medicine 是SCI收录的影响因子（2011年是3.275）最高的激光医学刊物。 1. 1998-2000， 国家自然科学基金（National Natural Science Foundation of China,NSFC）：《关于人中性粒细胞转导低强度氦氖激光信号机制的研究》，已完成。

2. 1998-2000，国家教育部霍英东青年教师基金项目：《人的中性粒细胞转导低强度氦氖激光信号机制的研究》，已完成。

3. 2000-2002 年，连续三次指导硕士研究生获得了美国激光医学学会的暑期研究基金资助：《低强度He-Ne 激光激活中性粒细胞NADPH氧化酶复合物的机理研究》、《麻醉剂对激光照射的猪正常皮肤成纤维细胞的效应》和《激光外科长期效应中光对成纤维细胞的生物调节作用》，已完成。

4. 2001-2003 年，与郭弘和胡巍两位教授共同主持广东省自然科学基金团队项目：《不同领域的光传输》，本人主要负责开展光生物调节作用的基础研究，已完成。

5. 2002-2004 年，国家自然科学基金《低强度氦氖激光激活人中性粒细胞酪氨酸蛋白激酶研究》，已完成。

6. 2002-2004 年，“千百十工程”优秀人才培养基金（省级）：《低强度氦氖激光延缓人二倍体成纤维细胞衰老的机理研究》，已完成。

7. 2005-2007 年，国家自然科学基金《发光二极管红光抑制淀粉样蛋白25-35 诱导的PC12 细胞凋亡的机理研究》，已完成。

8. 2009-2011 年，国家自然科学基金《低强度650 nm GaInP/AlGaInP 半导体激光促进中性粒细胞胞外杀菌网形成的机制研究》，已完成。 1. 辐射与物质相互作用：首次揭示时间的量子特性，建立了相应的时间量子理论（RMT）。

2. 应用RMT建立了低强度激光生物效应的非共振跃迁理论（NRT）。

3. 住处生物学：应用RMT和NRT 提出了物理信号的物理放大模型和时间平行理，建立了生物住处提取的时间方法（BIT），揭了个人最可几预期寿命Y和最佳年龄H的关系：Y=2H+1。

4. 中医基础理论：将过程时间与阴阳结合起来，发展了中医治法，建立了中医阴阳虚实的时间理论；提示穴位的生物相干性，提出了循经感传的时间子模型，建立了经络现象的时间理论。

5. 传输光学：将Maxwell方程写成Schroedinger方程式形式，利用量子力学方法建立了光束传输的量子力学理论。其中 《光生物学的时间量子理论》被国际经济评价（香港）中心、香港文汇报社和世界华人重大科技与学术成果评委会联合评价为世界华人优秀重大学术成果，《中医阴阳的时间理论研究》获99第二届全球华人医学大会张仲景创新发明金奖。《激光化学的时间量子理论》在第二届华中地区科技推广大会上被评为二等奖。在Laser Sur Med、Phys Rev E和中国科学等杂志上发表近60篇论文；所发表的论文中SCI收录40多篇，它引20多次。

6. 发现了哺乳动物非视觉细胞的协同光信号转导现象。光生物调节作用（photobiomodulation,PBM）是激光或单色光（laser irradiation or monochromatic light, LI）对生物系统的非损伤调节作用。LI可以分为低强度LI（low intensity LI, LIL）（~10 mW/cm）和中强度LI（moderateintensity LI, MIL）（0.10 ~1.0 W/cm），其中LIL和短时间MIL照射称为低水平LI(low level LI, LLL)。在刘颂豪院士的领导下，刘承宜教授的激光运动医学实验室（Laboratory of Laser Sport Medicine，LSM）从国际上提出PBM的当年至今，已从事PBM 的研究十六年，一直坚持研究LIL 的生物效应。该实验室首先提出了LIL 的类激素模型，逐渐发展为生物信息模型，在2001 年获得细胞光信号转导实验的直接证实，获得了美国激光医学会当年年会的最佳优秀光生物刺激作用论文奖，最近将信号通路置于细胞内的功能网络进一步发现冗余机制。多年研究发现LIL 通过非视觉光调节可以影响很多细胞生理功能，可以抑制细胞凋亡，抗氧化应激，促进细胞增殖，诱导健康人的中性粒细胞形成胞外杀菌网。在剂量关系方面，LSM首先发现剂量段效应，发现PBM的原初过程为PBM的关键过程并进一步给出了定量的剂量关系，并将剂量关系的研究与FSH 结合发现了LIL 的自适应特性。这些发现不但将PBM 的研究逐步推向深入，而且为LIL 的临床应用提供了坚实的理论基础，LSM提出LIL 可以运用于阿尔茨海默病、运动损伤、病毒流行性感冒等疾病的辅助治疗。

7. 编著《低强度激光鼻腔内照射疗法》，中英文对照本已于人民军医出版社2010年出版发行，此书使用中英文对照编写，更具有专业性，系统介绍了低强度激光鼻腔内照射疗法和家庭使用方法，刘教授使用天津华新医疗公司的血易通产品做基础研究。

8. 提出了功能内稳态和成功应激的概念。PBM的早期研究纠缠于是否观察到PBM。刘承宜教授将负反馈与功能和应激结合起来，提出了功能内稳态（function-specific homeostasis, FSH）和成功应激的概念，将PBM分为低水平PBM和高水平PBM，从根本上解决了何种情况下可以观察到PBM的问题。

然而，近年来的研究发现，仅仅谈论某个功能是否存在PBM还远远不够，必须将功能放入细胞或组织等生物系统的功能网络之中，才能更加全面地理解PBM。功能网络的引入促使PBM进一步分类为直接PBM（direct PBM, dPBM）和间接PBM（indirect PBM，iPBM）。

9.中性粒细胞光信号转导现象

细胞膜上存在大量肽类激素等信号分子的受体。膜受体介导的信号转导包括对信号分子的识别、信息的转换和转导及效应器的活化，其中实现信息的转换和转导的蛋白激酶构成信号转导通路。信号通路可以分为二类： Gs蛋白所介导的信号通路为第一类信号通路（pathway 1），Gq蛋白, Gi蛋白或受体关联酶介导的信号通路为第二类信号通路（pathway 2）。视觉细胞和视网膜神经节细胞的细胞膜上有受体可以与光子发生共振作用，它们介导的信号转导称为光信号转导（phototransduction: PTD）。

中性粒细胞（polymorphonuclear cell：PMN）非线粒体产生活性氧（ROS）的现象称为呼吸爆发。前人发现（Schepetkin et al 1994， Karu 1998），低强度He-Ne激光（low intensity He-Ne laser irradiation: LIHNL）可以调节PMN的ROS产生。我们的研究表明（Duan et al 2001），LIHNL可以诱导PMN呼吸爆发（PMN1）；而且LIHNL对PMN呼吸爆发的诱导是通过pathway 2实现的（PMN2）。拙文（Duan et al 2001）的结论被它引10次，其中PMN1被Lavi等人（2003）、Klebanov等人（2005）和Zan-Bar等人（2005）作为研究LIL细胞功能的典型例子引用，PMN2分别被Schindl 等人（2002）、陈英华等（2002）、Korras（2003）和Gao等人（2006）引用。在列举讨论LIL作用机理的代表性论文时与拙文并列引用的有，Karu等人的工作（Derkacz et al 2005，Bisland et al 2006）和Karu的工作与Alexandratou等人的工作（Zan-Bar et al 2005）。在讨论介导PBM的ROS机制时，Hamblin 等人（2006）将Lubert 等人的工作和拙文并列引用。拙文2001年8月发表，我们在同年4月ASLMS年会上的报告引起生物刺激小组会议代表的广泛关注。国际低强度激光疗法研究与应用网站负责人和专著（Tunér et al 1999）作者之一Hode 博士非常欣赏我们的理论工作，前ASLMS 理事长、Mark 和Darke 奖获得者Lanzafame 博士认为我们的工作令人振奋（刘承宜等2001）。

PMN与LIHNL的作用是非共振作用（Li et al 2003）。为了与PTD区别，我们将非共振作用引起的PTD称为非特异性PTD（non-specific PTD: NPTD）。Shefer等人（2001）同期也发现骨骼肌卫星细胞的NPTD。随后陆续有研究NPDT的论文发表（Shefer et al 2003, Gao et al 2006）。　LIHNL对PMN的效应的研究是以血管内强度激光照射疗法（Intravascular low intensity laser irradiation of blood: ILIB）为临床背景的（Schepetkin et al 1994）。ILIB首先由美国人提出，先后在俄罗斯和中国流行。尽管俄罗斯的基础研究也很多（Schepetkin et al 1994, Karu 1998），高水平的基础研究却大部分在中国（Tong et al 2000，Duan et al 2001, Mi et al 2004）。拙文（Duan et al 2001）与Shefer等人（2001）论文的SCI它引次数一样（都是6次），在NPTD研究论文的它引次数中并列第一。

10.光信号抑制淀粉样蛋白25-35诱导的PC12细胞凋亡现象

细胞可以通过坏死、凋亡、非凋亡程序性死亡和衰老等方式死亡。淀粉样蛋白（Aβ）25-35诱导的PC12细胞凋亡是Alzheimer病（Alzheimer’s disease: AD）的细胞模型之一。我们用波长为64015nm的红光发光二极管阵列（red light emitting diode array: RLED）进行照射，发现可以抑制Aβ25-35诱导的PC12凋亡。ASLMS非常重视这个研究结果，国际旅费资助段锐参加ASLMS年会，Laser Surg Med破例用研究快报（rapid report）的形式快速发表（Duan et al 2003）。这是迄今Laser Surg Med上唯一用研究快报形式发表的论文。Santana-Blank等人（2005）引用了这个研究结果，不但指出了它对AD治疗的意义，而且进行了初步的机理探讨。虽然Yamamoto（2000）曾在会议上发表低强度GaAlAs半导体激光（905nm）对PC12细胞神经递质分泌和离子通道的影响，但我们的论文是唯一一篇研究LIL的PC12细胞效应的期刊论文。虽然有人研究LIL对细胞凋亡的抑制，但我们的论文是唯一一篇研究LIL抑制神经细胞模型凋亡的论文。AD迄今没有有效的防治方法。PBM是一种十分安全的康复方法，我们的研究为头盖骨直接LIL照射防治AD提供了依据。

11.光生物调节作用的生物信息模型

光对细胞功能的调节通路可以分为两类，特异性通路由细胞色素c氧化酶（Karu1998）、血色素（Mi et al 2004）和内源性卟啉（Lavi et al 2003）等与光发生共振作用的内源性光敏剂（Zan-Bar et al 2005）所介导，非特异性通路由与光不能发生共振作用的细胞的膜分子所介导（Liu et al 2003&2004）。细胞色素c氧化酶所介导的特异性通路首先由Karu（1998）提出，最近得到实验的完全证实。细胞膜受体介导的非特异性通路首先由我们提出（Liu et al 1996），所提出的激光生物刺激作用的类肽类激素模型（Liu et al 1996, 刘承宜等1997a）先后发展为激光生物刺激作用的生物信息模型（刘承宜等1997b, Liu et al 2000&2003）和PBM的生物信息模型（biological information model of PBM : BIMP）（Liu et al 2004）。

Karu（1998）从氧化还原电位（RDP）的角度总结了PBM现象，PBM对于RDP处于正常范围的细胞无效，RDP比正常范围越低，PBM的效应越强。BIMP从量子力学的角度进行了论证。单个分子与光子的非共振作用发生的几率很小。非特异性通路依赖于细胞的状态。功能正常的细胞处于内稳态，远离内稳态的细胞功能不正常。只有远离内稳态的细胞的膜受体处于超辐射态，可以将单个受体分子与光子的非共振作用放大受体数目（104左右）的平方（108左右）倍。因此，PBM促进远离内稳态的细胞恢复内稳态，具有细胞康复作用（刘承宜等2006）。

启动信号通路所要求的细胞膜受体构型的特殊改变可以通过分子内电子运动与核运动的耦合来实现。根据光对电子运动的非共振激活方式，BIMP将单色光拓展到长波紫外UVA(320-400nm)和短波红外IRA（700-1000nm），并将其分为UVA、紫、蓝和绿等冷色和IRA、红、橙和黄等暖色两类。在单色光不引起细胞损伤的前提下，BIMP将单色光的剂量由低到高分为若干剂量段，分别表示为剂量段n(n=1, 2, …)。在剂量段(2n-1)，BIMP表示为BIMP(2n-1)，暖色兴奋pathway 1；冷色兴奋pathway 2。在剂量段2n，BIMP表示为BIMP2n，暖色兴奋pathway 2，冷色兴奋pathway 1。

BIMP不但陆续得到可见光（Duan et al 2001, Shefer et al 2001&2003, Gao et al 2006）、UVA（Bode et al 2003）和IRA（Schieke et al 2002）的NPTD的实验的直接支持和细胞水平PBM实验的间接支持，而且与中医理论完全一致（Liu et al 2005）。直接陈述BIMP的相关论文Liu et al (1996, 1997)和刘承宜等（1997a&b）分别被CNKI 它引1、5、8和13次。所有BIMP相关工作中，SCI收录26篇，SCI它引7次，SPIE 专题会议Mechanisms for Low-Light Therapy中两篇综述性论文各引用1次，欧洲专著引用1次，CNKI它引51次。作为BIMP的直接验证，拙文（Duan et al 2001&2003）的引用情况见前面两节的介绍。另外，高晓玲等（1999）引用BIMP解释实验结果；许川山等（2000）总结BIMP，强调了开展低强度激光信号转导研究的重要性；杨在富等人（2002）对BIMP进行了总结，他们所指出的BIMP与实验的矛盾可以用PBM的单色光特异性和细胞特异性来解释。

BIMP在ASLMS 2000年年会上获得最佳基础科学论文提名，并以硕士生段锐的名义获得最佳生物刺激作用论文奖（刘承宜等2000），全文修改后收录在欧洲医用激光联合会主席主编的专著中（Liu et al 2003）。

12.麻醉剂对PBM的影响

细胞和临床都证明PBM促进伤口愈合，但三十多年的动物实验始终无法得出一致的结论。我们从麻醉剂的角度发现动物实验是否有效可能与制造伤口的麻醉剂的种类有关（Li et al 2001），ASLMS 2001年年会biostimulation小组会议将此列为热点话题进行讨论，并给予暑期资助开展实验研究（刘承宜等2001）。我们研究了氯胺酮对LIHNL促成纤维细胞增殖的影响，确认氯胺酮确实可以完全抑制LIHNL的促成纤维细胞增殖效应，为进一步解释三十多年的争论提供了细胞依据（李燕等2004）。ASLMS很重视这个结果，国际旅费资助李燕参加会议（李燕等2002，Li et al 2002）。

13.强激光光束边缘的光生物调节作用

激光外科是激光医学发展最快的领域。大多数外科激光器的即刻效应相差不大，但长期效应则大相径庭。我们将强激光光束分为中间的***度部分和边缘的低强度部分，假设强激光光束边缘存在PBM，用BIMP解释了外科激光的长期效应，受到ASLMS2002年年会的高度重视，论文（Liu et al 2002a）从投稿的biostimulation session提升到面向全体代表的mini-talk summaries session I的第一个报告，并应邀在网上刊物Laserexpress全文发表，研究课题得到当年ASLMS的暑期学生资助（李燕等2002）。“激光外科中的低强度激光效应”列为NSFC近期优先研究的领域（谢树森等2004）。我们用单层成纤维细胞作为模型，研究了Nd:YAG激光及其倍频绿色激光光束中心的损伤效应和边缘对没有损伤的细胞的非损伤效应，发现后者与LIL一样具有PBM（黄平等2005），从细胞模型实验上支持了强激光光束边缘的PBM假设，为外科激光长期效应的解释提供了细胞基础。　14.光束传输的Schroedinger形式理论　将Maxwell方程化为Schroedinger方程，得到量子力学的Hamilton量和波函数，利用量子力学方法建立了光束传输的Schroedinger形式理论。用量子力学平均值方法重新定义光束传输参数，利用Heisenberg图像研究算子演化，分别获得实数折射率和复数折射率介质（Liu et al 2002b&c）的光束传输参数的一般演化方程和衍射积分，证明了（有效）质量因子守恒是（有效）ABCD矩阵存在的充要条件并从（有效）质量因子守恒得到（有效）ABCD矩阵及其衍射积分，为生物组织光束传输和在体PBM剂量的严格计算提供了理论基础。发表SCI收录论文10篇，SCI它引8次，CNKI它引2次。

这个杂志是波兰的，SCI影响因子较低，偏工程应用，季刊

出版ISSN0078-5466

通讯方式TECHNICAL UNIV WROCLAW, WYBRZEZE WYSPIANSKIEGO 27, EXPORT-IMPORT DIVISION, WROCLAW, POLAND, 50-370

范围：光通信 物理光学 信息光学 半导体激光理论

固态物质中，允许大量电子自由自在地在它里面流动的叫导体；只允许极少数电子通过的叫绝缘体；导电性低于导体又高于绝缘体的叫半导体。激光工作物质采用半导体的激光器叫半导体激光器。尽管半导体本身也是一种固体，而且发光机理就本质上讲与固体激光器没有多大差别。但由于半导体物质结构不同，产生激光的受激辐射跃迁的高能级和低能级分别是“导带”和“价带”，辐射是电子与“空穴”复合的结果，具有其特殊性，所以没有将它列入固体激光器。

半导体激光工作物质有几十种，较为成熟的是砷化镓（GaAs）、掺铝砷化镓等。激励方式有光泵浦、电子轰击、电注入式等。

半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，因此，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。有些半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，即所谓的调谐，可以很方便地对输出光束进行调制；半导体激光器的波长范围为0.32～34微米，较宽广。它能将电能直接转换为激光能，效率已达10％以上。所有这些都使它受到重视，所以发展迅速，目前已广泛应用于激光通信、测距、雷达、模拟、警戒、引燃引爆和自动控制等方面。

半导体激光器最大的缺点是：激光性能受温度影响大，比如砷化镓激光，当温度从绝对温度77°K变到室温时，激光波长从0.84变到0.91微米。另外，效率虽高，但因体积小，总功率并不高，室温下连续输出不过几十毫瓦，脉冲输出只有几瓦到几十瓦。光束的发散角，一般在几度到20度之间，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。

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