细胞分子信号传导系统决定着细胞的发育、分裂、病变与存亡,是分子生物学、细胞生物学、发育生物学、干细胞科学等领域的核心内容,对于基因调控、癌细胞治疗、干细胞发育、老龄化等当前重大课题具有重要的意义和价值。由于细胞是一个非常复杂的系统,具有多种分子信号传导调节机制,目前在这方面的研究依然存在大量的问题尚未阐明。传统的生化研究手段是利用生物或化学试剂对细胞内的信号进行调控,但由于分子扩散的过程不可控,时间和空间分辨率较低,对于研究细胞内若干信号传导的动态过程问题较为困难。飞秒激光技术的发展在一定程度上有可能解决这个问题。紧致聚焦的飞秒激光具有在时间和空间上的高度分辨能力,可以在亚微米的尺度上直接作用于细胞内任意一点,从而对细胞内某些分子信号进行精确的调控和跟踪研究。飞秒激光脉冲峰值功率极高,而脉冲持续时间极短,积累热效应小,对细胞的直接伤害较小,而且可以通过激光参数的调整来控制。因此,飞秒激光技术为细胞内相关问题的研究提供了新技术,新思路。本课题拟采用飞秒激光来研究细胞内的一种重要的信号分子,活性氧自由基簇(ROS:reactive oxygen species)。本文利用飞秒激光精确刺激细胞,探寻飞秒激光在细胞内产生ROS的原理以及不同参数的飞秒激光对ROS浓度变化产生的不同影响,为以后研究飞秒激光通过ROS调控细胞活动打下基础,为一些神经性疾病的细胞分子过程提供理论基础。本文的主要内容包括以下几点:1,阐述总结飞秒激光在生物光子学中的应用进展与应用前景。2,阐述线粒体的结构、功能和其对细胞生命活动的影响;主要分析了钙离子过载、ROS释放导致的线粒体功能紊乱和对细胞造成的影响。3,建立飞秒激光调制下细胞内产生的ROS的理论模型,分别为:(1)飞秒激光作用于细胞时通过多光子吸收产生的等离子效应产生ROS;(2)飞秒激光通过调控细胞内钙离子信号的变化产生ROS。4,利用不同功率的飞秒激光刺激细胞,细胞内ROS水平呈现出不同的变化:当激光功率较高(50 m W)时,细胞内ROS浓度整体上升;当激光功率降至30 m W时,可以观察到ROS水平只在线粒体内有明显升高。进一步实验得出两种情况下的激光功率阈值:激光功率超过40 m W时,ROS水平会在整个细胞内整体上升。5,分析飞秒激光调制的ROS只在线粒体中产生的原理,分析钙离子的细胞内原有的氧化水平对线粒体内产生ROS的影响。