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【极智课堂】董建飞:光治疗的技术基础、适应症与机理

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-03-20 08:43   来源:中国半导体照明网  浏览次数:2147
 

当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,中国半导体照明网、极智头条,在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰!

本期,我们邀请到中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究员、光健康研究中心副主任董建飞带来了“解读光治疗领域的机遇与挑战——光治疗的技术基础、适应症与机理”的精彩主题分享,以下为主要内容:

一、光治疗技术概述 

1.光治疗简史

光治疗在世界各地都有悠久的历史,丹麦医生Niels Finsen因开创光治疗方法,特别是对于狼疮的治疗方法,而获得1903年诺贝尔医学及生理学奖。

匈牙利医生Endre Mester1967年发现并开创了激光生物刺激领域——光生物调节之父(Fatherof Photobiomodulation, Father of Laser Therapy)

2.光治疗在近五十年的发展

光治疗近五十年来取得了很大的发展,特别是上世纪七八十年代,人们对光与组织间的物理作用,研究比较成熟,九十年代有不少专著。

近三十年,得益于生物技术的发展,包括生物学试剂、显微镜等观测手段的完善,光治疗的生物学机理得到了很大的研究和发展。代表人物是俄罗斯的Tiina Karu和美国的Michael Hamblin。主要工作是发现并且验证了光生物调节中,非常重要的细胞内主要的光受体,细胞色素C氧化酶,对光治疗的整体作用。

1)光治疗的生物学机理的假说与验证

细胞内主要的光受体:细胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase);

细胞对光响应的作用光谱;

光对细胞氧化还原反应的影响;

光对细胞因子的影响;

光对细胞增殖、凋亡的影响;

……

3)光治疗的标准术语:

随着学科发展,光治疗的学科术语也进行了标准化,早期一般是用激光进行治疗,所以早期术语叫做低强度激光治疗(Low Level LaserTherapy, LLLT),现在主要统称为光生物调节疗法(Photobiomodulation Therapy, PBMT)。

3.光与组织相互作用的主要类型

1)光生物效应

光对细胞因子、生理过程的影响;典型的辐照度不超过100mW/cm

2)光化学效应

生物组织吸收光能量并将光能转变成化学能所导致的化学反应,如光致分解、光致氧化、光致聚合;

3)光热效应

典型的组织温度42150℃,使蛋白质破坏;

4)光消融效应

典型的辐照度要达到1071010mW/cm2


4.光在组织内的吸收和穿透

1)组织中的各种载色体是光子的吸收装置

 水:主要吸收超过1150nm波长的光;

含氧血红蛋白(HbO2)和去氧血红蛋白(Hb):主要吸收低于600nm的光;

黑色素:主要吸收短波段的光;

2)波长越长的光,在皮肤内的穿透深度越大


5.光治疗的主要参数范围和功能

光治疗使用通常波长在390~1100nm之间的光,使用相对比较低的功率密度(≤100mW/cm2)和通量(0.04~50J/cm2)。

 

6.消费电子类光治疗产品

消费电子类光治疗产品首先从国外兴起,消费者对光治疗的接受度普遍高于国内。国内近几年也获得了较大发展,产品种类也较多。


二、常用光源和主要物理量

1.激光

传统光治疗大多采用激光,光治疗主要从激光开始发展,大量数据和结论也是基于激光得到。激光具有高功率密度、窄带(单色性好)、以及相干性的优点。

2.放电灯

1)卤素灯、氙灯、汞灯;

2)发光效率虽然比较低,但可以实现很高的光功率;

3)在紫外和红外波段,成本低于激光和LED光源;


3.LED

功率密度和单色性不及激光,但强于传统光源(可见光波段)。相对于激光具有诸多优点,比如可靠性高、成本低;开关速度高,可产生极短的脉冲;发光角度更大,可治疗更大的面积;安全性高,不需要专门培训。


 

4.描述光治疗剂量的主要物理量

不管使用何种光源,光治疗主要基于光子的能量特性,因此需采用辐射度量(radiometric)定义剂量参数,而通用照明使用的是光度量(photometric)参数。



5.光治疗的光功率远高于通用照明

照度与人眼对光的敏感度有关,是光谱功率密度与视见函数的乘积对波长的积分;RGBW四个波段的LED为例,当这些波段的辐照度达到100mW/cm2时,其相应的照度最大是48,200lux,是普通照明要求(400lux)的1200倍。


三、机理及典型疾病的治疗

1.光的基本生物学机理

目前最公认的光治疗的机理是细胞色素C氧化酶(CCO,线粒体呼吸链中的单位IV)与光的

相互作用,它可吸收近红外区域的光,是细胞内最重要的载色体。

细胞色素C氧化酶与光相互作用的主要机理是光子从其中解离抑制呼吸作用的一氧化氮,导

致线粒体膜电位的升高、活性氧自由基(ROS)以及三磷酸腺苷(ATP)的生成。

2.光与CCO作用的结果

光与CCO作用的结果,包括增加ATP合成、增强呼吸作用、促进DNA RNA合成、细胞增殖、减少细胞凋亡/死亡、促进细胞迁移、促进纤维原细胞分化、促进胶原蛋合成、促进各种生长因子的表达。


 

3.光(生物调节)治疗的主要适应症

1)紫外光可用于消毒、治疗银屑病;

2)蓝光可用于治疗新生儿黄疸、治疗真菌感染病;

3)红光和红外光疗被广泛用于促进机体新陈代谢、改善系统微循环、消炎、镇痛、美容、生发等诸多领域。


4.蓝光杀菌治疗及其机理

蓝光杀菌治疗使用400-470nm的蓝光杀灭真菌,治疗真菌感染疾病;可治疗妇科炎症、口腔粘膜感染、皮肤癣菌病(如体/股癣、手足癣)等真菌病。

优点是无抗生素类药物的副作用,不会使病原体产生抗药性;主要作用机理是光通过细胞内的光敏剂对真菌产生氧化毒性。

细胞内的光敏剂吸收光子后,由基态被激发到三线态,并与氧分子发生电子交换作用产生羟基自由基(HO*),或者通过能量转换生成单线态氧(1O2)。


5.光消炎治疗及其机理

炎症是人体对入侵的病原体或损伤的自动防御反应,但也会攻击人体自身组织、造成红、肿、热、痛等,甚至造成炎症风暴。

光治疗在急性炎症的调节中起着重要的作用,可治疗跟腱肌腱炎、甲状腺炎、银屑病、关节炎等。

主要机理是光对多种炎症细胞和炎症因子的调节作用,抑制炎症因子TNF-aIL-1βIL-6IL-8等,触发巨噬细胞极化,减少其M1表型(正向免疫应答);减少中性粒细胞的数量等。

四、光治疗的挑战和难题

1.研究光治疗生物机理的难点

1)细胞内有无数细胞因子、无数信号通路;

2)致病机理或光治疗都与多种不同细胞、多种细胞因子和通路有关;

3)(不同波段的)光可能会引起很多种细胞、细胞因子或信号通路的不同变化;

4)现有的检测和观测技术有限,很难(同时)测量多种因子或通路;

光治疗的某些生物学机理,体系庞杂,尚不完全明确。

 

2.光治疗技术的挑战

光治疗有无副作用,对人体有无伤害?

光治疗的系统性作用是什么,是否重要?

激光与LED在光治疗上的区别是什么?

光治疗的最佳波长如何确定?

光治疗的最佳功率密度如何确定?

光治疗的最优照射时间以及最优重复次数如何确定?

采用脉冲光的最优频率如何确定?

3.光治疗技术进一步发展的机遇

核心技术方面,涉及光治疗的量效建模与分析,光治疗的剂量优化,光治疗的效果评估,光治疗的安全性评估。

4.我们的工作

1)针对光治疗,重点研究光与细胞相互作用的量效关系的数学模型;

2)建立光治疗的有效性和安全性的实验评估方法;

3)研制278-1600nm的多波段剂量精准控制LED光源与光谱测量装置用于实验研究;

4)针对蓝光杀菌治疗的剂量和设备优化设计。

五、总结

1.光治疗的效果源自其内在的生物学机理,光治疗的基础是科学的;

2.已有大量的研究揭示了光与细胞作用的生物学机制,以及光治疗多种疾病的效果,表明其效果是明确的; 

3.文献中报道的光治疗剂量参数大多为细胞和动物实验的结果,且不同研究得到的结论不尽相同、甚至相悖,这其中剂量是关键的;

4.光治疗仍受制于量效关系的缺失、效果和安全性评价体系的缺失,面临的挑战是巨大的。

直播链接:

https://appp7za2jzt7904.h5.xiaoeknow.com/content_page/eyJ0eXBlIjoxMiwicmVzb3VyY2VfdHlwZSI6NCwicmVzb3VyY2VfaWQiOiJsXzVlNzA5NGU2NGI3ZGRfNVhtM2tiN2QiLCJwcm9kdWN02lkIjoiIiwiYXBwX2lkIjoiYXBwcDdaQTJqWlQ3OTA0IiwiZXh0cmFfZGF0YSI6MH0?entry=2&entry_type=2001&state=eb8cef0ed80321be7bbf005cf3aad0d7_NCJQZG&app_id=appp7ZA2jZT7904

 

 (文字根据直播内容编辑整理,略有删减,更多详情内容可参见直播内容)


 

 
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