生物光子学是光学与生物学高度交叉的前沿领域,飞秒激光技术的进步,为生物光子学提供了一系列新技术、新方法、新思路、新理论。目前基于飞秒激光的生物光子学已经在多光子成像、细胞显微操作等领域得到了深入的研究和广泛的应用。然而,此前飞秒激光刺激对细胞的影响和损伤机制的研究相对粗糙,飞秒激光脉冲和细胞相互作用的机制本身,以及细胞对飞秒激光刺激的应激反应等问题却一直尚未清晰阐明。在这样的大背景之下,本文研究了飞秒激光刺激对细胞过程的影响和调节机制,提出了新的飞秒激光调控细胞内分子行为的方法,并进一步发展了超快成像技术。本文首先综述了基于飞秒激光的生物光子学的进展、近年来研究的关键问题与发展现状。接着,作为相关生物分析的基础理论,简要介绍了钙离子的相关背景,包括钙离子的存储、生理作用、与之相关的分子信号等。进一步地,介绍了基于飞秒激光器、共聚焦显微镜、CCD等设备构成的显微操作系统,并讨论了在此系统之上使用飞秒激光调控细胞内钙离子浓度变化的实验现象和相关机理。在以上内容的基础上,我们发现,飞秒激光可以进一步调节细胞内的多种分子行为。通过精细地调节飞秒激光曝光刺激,可使其对He La细胞内钙离子进行释放或维持细胞的高钙水平,这种机制可以使得钙调磷酸酶充分将转录因子NFAT去磷酸化,从而激活NFAT的表达链路,使其在光刺激之后入核,启动相应的下游基因的表达。我们在实验上实现了飞秒激光对转录因子NFAT入核过程的调控,作为原理性的验证,实验中使用了荧光素酶报告基因做了检测。进一步地,我们使用飞秒激光对细胞的刺激,可以直接调控细胞自身的TNF-α等基因的表达。更进一步地,我们将这种技术应用于人类间充质干细胞(MSCs)中,实验上实现了飞秒激光对间充质干细胞内钙离子浓度的调控,并且对干细胞内的转录因子Runx2、Osterix等具有一定的影响,这种光刺激方法在诱导干细胞分化领域具有一定的应用价值。然而,飞秒激光刺激对于细胞的损伤是不可忽略的。我们发现不管是飞秒激光的单次短时间刺激,还是低功率连续激光扫描,都会影响细胞自噬水平。我们系统性地观测了不同的激光刺激对于细胞自噬的影响,分析了两种刺激机制,论证了细胞自噬对于光刺激的敏感性。我们认为,激光对于细胞的刺激,即使相对安全,不会对细胞活性造成较大影响,但依然会引起细胞自噬等过程。在飞秒激光的刺激下,线粒体可能是自噬体膜的来源之一。由于飞秒激光作用于细胞属于超快行为,所以对超快行为的观测具有着重要的意义。本文最后介绍了STEAM、STAMP、FIRE等几种超快成像技术,论述了这些技术的技术特点、发展现状以及应用场合等问题。实验上参与设计搭建了新型FIRE成像系统,得到了荧光成像图样,并对实验中遇到的一些细节问题做了实验上的探索以及总结。本文的一系列工作探索了飞秒激光对细胞刺激带来的影响,为光学方法对细胞过程和功能的调控提供了全新的理论和技术基础。