Interacció llum-teixit i estats actuals i futurs de PBM

La fotobiomodulació (PBM) és una forma de teràpia de llum no invasiva i no tèrmica que utilitza fonts de llum no ionitzants per crear efectes terapèutics a nivell cel·lular. Les fonts de llum emprades en PBM inclouen làsers i LED en els espectres visible (400-700 nm) i infrarojos (700-1100 nm). PBM produeix tractaments terapèutics (PBMT) en teixits malalts i danyats per promoure la cicatrització de ferides i la regeneració de teixits, reduir la inflamació, alleujar el dolor i restaurar la funció cel·lular original.

El PBM va ser observat per primera vegada per Endre Mester a la Universitat de Medicina de Semmelweis a Hongria quan un làser d'alta potència defectuós, dissenyat per destruir cèl·lules anormals, va emetre una llum de baixa potència. Mester va observar com la llum de baix nivell va promoure la curació a un ritme més gran estimulant les cèl·lules de la pell i va publicar les seves troballes el 1967 (Gáspár, 2019). El 2015, PBM i PBMT (teràpia de fotobiomodulació) es van convertir en els termes d'elecció reconeguts en el camp, estandarditzant la terminologia per a la teràpia que sovint es coneix com a teràpia amb làser (o llum) de baix nivell (LLLT), teràpia amb làser en fred o bioestimulació làser (Anders et al., 2015).

En aquest article, aprofundirem en els fonaments de la fotobiomodulació, explorant els mecanismes pels quals la llum interacciona amb les cèl·lules i dilucidant les respostes fotoquímiques subjacents. Farem llum sobre els esforços en curs per optimitzar les tècniques de PBM i ampliar el seu potencial terapèutic. A més, examinarem l'estat actual dels dispositius PBMT i què ens depara el futur per a la teràpia de llum.

Una introducció a la llum teràpia

PBM es classifica com una forma no tèrmica de teràpia de llum. Els tractaments de llum no tèrmics no produeixen calor significativa durant el procediment. En lloc d'això, es centren a utilitzar altres característiques de la llum, com ara les longituds d'ona, per aconseguir els efectes terapèutics desitjats. Tot i que PBM no produeix calor intencionadament (a diferència de les modalitats fototèrmiques), la generació de calor segueix sent possible en determinats entorns. Si la intensitat de la llum o el temps d'exposició no es controlen adequadament, es pot produir una generació de calor excessiva. La generació de calor és un obstacle pertinent per a PBM, independentment de quina longitud d'ona s'utilitzi.

El procés PBM implica cromòfors endògens situats als mitocondris de les cèl·lules que donen lloc a canvis fotoquímics. Els canvis fotoquímics són reaccions o processos que es produeixen com a conseqüència de l'absorció d'energia lluminosa i poden provocar alteracions a nivell molecular (Anders, 2016).

Després d'absorbir la llum, la llum interacciona amb la citocrom c oxidasa (Complex IV) als mitocondris de les cèl·lules per generar indirectament ATP (molècules transportadores d'energia), ROS (espècies reactives d'oxigen) i NO (òxid nítric) mitjançant la cadena de transport d'electrons. ATP, ROS i NO afecten totes les fases de la cicatrització de ferides (Lipko, 2021).

Consideracions relacionades amb la llum

El LED (Light-Emitting Diode) i el làser (sovint en forma de díode làser) són les dues fonts de llum primàries utilitzades per als dispositius PBMT. Tot i que hi ha una superposició en l'aplicació i els atributs entre el LED i el làser, també hi ha algunes diferències clau.

Font de llum

Els LED produeixen una sortida de llum relativament monocromàtica mitjançant la selecció de materials semiconductors que emeten un sol color o mitjançant la conversió de fòsfor. Les distribucions d'emissions dels LED solen ser molt difuses i no col·limades.

Els díodes làser són de naturalesa similar als LED, però contenen característiques ressonants addicionals, que garanteixen que la distribució d'emissions sigui més ajustada que la dels LED (en termes de longitud d'ona, coherència i angle d'emissió). Aquestes característiques signifiquen que el díode làser és generalment més eficaç per penetrar teixits més profunds per tractar les condicions sota la pell.

Cost

Els LED són barats i omnipresents, el que els converteix en una gran opció per a clíniques no especialitzades o dispositius personals, especialment aquells que se centren en tractaments a nivell de superfície. Els dispositius làser, especialment els de major potència i longituds d'ona específiques, solen ser més cars.

Seguretat

Hi ha un cos important i creixent de literatura que indica que la PBM és una opció de tractament segura i eficaç quan es segueixen els paràmetres clínics recomanats (Bensadoun et al., 2020). Les persones que tinguin intenció d'utilitzar PBM haurien de parlar-ne amb un professional mèdic.

Les persones que són fotosensibles, tenen trastorns vasculars o immunològics, teixit reforçat amb silicona o s'han sotmès a cirurgia estètica tenen un risc més elevat de patir complicacions relacionades amb la PBM basada en làser (Khalkhal et al., 2020)

Els dispositius PBM que utilitzen làsers de classe 3 (o superior) poden causar danys oculars si no es manipulen correctament. Els procediments per a aquests dispositius haurien d'incloure instruccions sobre com prevenir els danys oculars (Edge-Hughes, 2020).

Tant els dispositius LED com làser es consideren generalment segurs per a ús clínic i domèstic. Els usuaris de PBM poden disminuir el risc de patir lesions relacionades amb PBM seguint els procediments adequats i treballant amb un metge.

Longitud d'ona

Els dispositius LED solen oferir una gamma més àmplia de longituds d'ona, cosa que permet flexibilitat per orientar diferents profunditats i tipus de teixit. Els làsers, d'altra banda, solen emetre llum dins d'un rang de longituds d'ona estret.

Les diferents longituds d'ona es dirigeixen a diferents teixits biològics i són importants per determinar la profunditat de penetració.

• Llum blava (440 – 500 nm) : pot penetrar a les capes dèrmiques. S'ha demostrat que la llum blava estimula el complex IV de la cadena de transport d'electrons i també activa les porfirines endògenes, que poden ser útils per a aplicacions antibacterianes.
• Llum verda (500 – 570 nm) : pot penetrar les cèl·lules dèrmiques i basals a les cèl·lules grasses.
• Llum vermella (620 – 750 nm) , amb la longitud d'ona més llarga de l'espectre visible, pot penetrar de 0,5 a 1 mm de profunditat a les capes de cèl·lules grasses. Sovint s'escull la llum vermella de l'extrem més curt d'aquest espectre (~ 620 nm-680 nm) per estimular la citocrom c oxidasa.
• Llum infraroja propera (750 – 3.000 nm) pot penetrar el més profund i en el múscul i els teixits 2 mm abans de perdre un 37% d'intensitat. El NIR es tria sovint de l'extrem més curt d'aquest espectre (~ 760 nm-820 nm) per estimular la citocrom c oxidasa. Mentre que el NIR engloba longituds d'ona de fins a 3.000 nm, les longituds d'ona que s'acosten i per sobre de 2.000 nm són absorbides per l'aigua a la pell, donant lloc a un escalfament dèrmic i possibles sensacions de cremada a la derma.

Aquesta figura il·lustra la tendència dels pigments de la pell i la sang a bloquejar la penetració de les longituds d'ona visibles. La llum infraroja es permet un pas relativament lliure; tanmateix, fins i tot es veurà limitat per l'absorció a l'aigua.

On es dirigeix ​​la llum pot crear una variació en l'absorció efectiva a través de l'espectre electromagnètic. La investigació mostra que la llum transcranial a la longitud d'ona de 700-750 nm tendeix a tenir poc impacte en les estructures del cervell, mentre que 600-690 nm o 760-900 nm tenen un impacte molt més gran. La investigació mostra que l'ús d'ones de llum a 830 nm permet que l'11,7% de la llum penetri a la regió occipital, un 2,1% a la regió frontal i un 0,9% a la regió temporal (Hennessy 2016).

Potència i intensitat

Els dispositius làser generalment tenen una potència i una intensitat més altes en comparació amb els dispositius LED. La naturalesa concentrada i coherent de la llum làser permet una penetració més profunda dels teixits i un tractament potencialment més específic. Els dispositius LED, encara que són menys potents, encara poden ser efectius per a tractaments superficials o àrees de tractament més grans.

Els lectors poden haver notat que la potència, la intensitat, la longitud d'ona i el tipus de llum influeixen en la penetració dels teixits. Aquests són només alguns dels factors que influeixen en l'eficàcia del PBM a profunditats específiques. Un altre factor que pot influir en la profunditat de penetració és el mètode de lliurament de llum utilitzat. El lliurament de llum es pot classificar en ona polsada (PW) o ona contínua (CW).

Nota: s'estan realitzant més investigacions per comprendre els paràmetres de pols òptims i els seus efectes.

La PBM d'ona de pols implica el lliurament de llum de manera polsada, on la llum s'encén i s'apaga a intervals específics. Els paràmetres del pols poden incloure la durada del pols (la durada de temps que la llum està encès durant cada pols), la freqüència del pols (la velocitat a la qual s'envien els polsos per segon) i el cicle de treball (la relació entre la durada del pols i el període total del pols). Pulse PBM permet un control precís sobre el temps i la durada de l'exposició a la llum.

PBM d'ona constant, també conegut com PBM d'ona contínua, implica el lliurament continu de llum sense cap pulsació o interrupció. En PBM constant, la llum s'emet contínuament durant tota la sessió de tractament.

Tot i que encara s'estan determinant els estàndards de paràmetres sobre PW i CW, sembla que PW pot ser avantatjós per millorar la penetració de la llum als teixits més profunds.

Com afecta la interacció llum-teixit PBM: absorció, reflexió i dispersió

El PBM s'utilitza normalment com a modalitat de tractament dirigida en la qual la llum s'ha de centrar principalment en el teixit d'interès. Els teixits són únics de persona a persona a causa de les diferències en el contingut de sang, contingut d'aigua, contingut de col·lagen i desenvolupament de fibra. A més, el to, l'estat i el gruix de la pell poden aportar una variabilitat significativa en la resposta òptica. Cada aplicació de PBM, des d'aplicacions superficials, com la curació de ferides i la gestió del dolor, fins a objectius més profunds, es veu afectada per les propietats dels teixits intervinguts. Entendre com interactuen la llum i els teixits pot descobrir obstacles.

Absorció

L'absorció es produeix quan l'energia lluminosa és absorbida per les cèl·lules o teixits amb els quals interacciona. Quan s'absorbeix la llum, transfereix la seva energia al material. L'absorció de fotons permet que la font de llum creï un efecte terapèutic. Sense absorció, no hi hauria transferència d'energia al teixit i el teixit no es veuria afectat per la llum. En última instància, la teràpia s'aconsegueix quan l'àrea objectiu absorbeix la llum de la longitud d'ona i la intensitat correctes. Tanmateix, l'absorció és una característica de tots els teixits, objectiu o no, de manera que una part important de les ones de llum són absorbides pels teixits incidentals i mai arriben als teixits objectiu (Anders 2016). Un altre efecte secundari no desitjat de l'absorció no desitjada es produeix quan la radiació absorbida es converteix inevitablement en calor a les cèl·lules.

Reflexió

La reflexió es produeix quan les ones de llum impacten sobre un objecte i reboten a la seva superfície. L'energia reflectida per la llum no és absorbida per la matèria prevista, sinó que es redirigeix. La pèrdua reflectiva de la llum terapèutica és un problema particular a les interfícies de teixit i aire perquè la diferència en l'índex de refracció és especialment gran. Com a resultat, la variació pot provocar que una part important de la llum es reflecteixi i es malgasti. Per descomptat, aquestes pèrdues reflectives disminuiran l'eficiència del dispositiu PBM. Els dissenyadors de dispositius PBM han de considerar quins objectius no desitjats poden rebre la llum reflectida, ja que això podria interferir amb els sensors o, en casos extrems, impactar la vista.

Dispersió

La dispersió es produeix quan les ones de llum interaccionen amb les partícules i es dispersen en diferents direccions. La dispersió es produeix amb l'absorció total i la posterior reemissió d'ones de llum, mentre que la reflexió es produeix abans de l'absorció. La dispersió de fotons pot proporcionar retroalimentació durant la teràpia (Jacques et. al. 1987). L'observació d'aquest procés proporciona una visió general del diagnòstic, ja que la dispersió depèn de la ultraestructura del teixit i de la presència de partícules a l'estructura. Les diferents longituds d'ona de la llum tenen diferents propietats de dispersió quan travessen els teixits vius (Jacques 1996).

La dispersió és un obstacle sempre present. Per exemple, un dispositiu PBM pot generar un feix molt col·limat, però aquest feix pot començar a dispersar-se immediatament en entrar al teixit biològic, convertint el feix ajustat en un núvol de fotons que es difon ràpidament. Tot i que això pot ser útil si l'objectiu és raonablement gran i poc profund, aquest efecte sovint és una dilució no desitjada de la teràpia.

Alguns dispositius utilitzen ones polsades com a mitjà per superar les barreres biològiques i augmentar l'eficàcia terapèutica. Tot i que no hi ha un consens general que la pulsació sigui millor que una ona contínua, l'evidència limitada suggereix que aquest pot ser el cas. L'energia d'ona polsada normalment és menys estressant tèrmicament per al teixit irradiat i millora potencialment la penetració profunda del teixit.

Estat actual dels dispositius PBM

Actualment hi ha molts dispositius PBMT al mercat. Aquests dispositius són principalment per a la cicatrització de ferides, el control del dolor i, més recentment, per tractar la demència i prevenir les úlceres bucals (mucositis oral) en pacients amb càncer. També estan disponibles dispositius de teràpia de llum vermella, utilitzats amb finalitats cosmètiques.

Gorra de teràpia amb llum vermella

La gorra de teràpia amb llum vermella de Youlumi ofereix un tractament potent i assequible per al creixement del cabell amb 180 díodes de grau mèdic i 28 W d'energia. Recomanat pels metges, el casquet de creixement del cabell infrarojo de Youlumi ajuda a restaurar el cabell aprimat a causa de la genètica (alopècia androgenètica). El nostre nou disseny flexible fa que el tractament del creixement del cabell sigui més còmode que mai.

Panell de llum vermella

El panell de llum vermella és un cos mitjà d'alta potència Disseny d'un dispositiu de teràpia de llum vermella i infraroja propera per oferir-vos una teràpia de llum assequible i eficaç a la comoditat de casa vostra. Aquest dispositiu versàtil de mig cos pot ser útil per accelerar el temps de recuperació, reduir les arrugues, millorar l'energia i l'estat d'ànim, estimular la producció de col·lagen i elastina i molt més! Compta amb LEDs de doble xip que emeten llum vermella i infraroja propera a longituds d'ona de llum provades clínicament. És modular i compatible amb el suport, el que significa que es pot connectar a altres panells i connectar-se a qualsevol dels nostres suports mòbils per crear configuracions personalitzades i de cos complet!

Coixinet de teràpia de llum vermella per a la salut pèlvica

Aquest nou conjunt de coixinets de teràpia amb llum vermella per a la salut pèlvica està dissenyat per a la zona W (zona pèlvica del maluc) i la zona Y (abdomen inferior i pelvis, especialment la zona púbica).

Utilitza una combinació sofisticada de tres teràpies de llum: llum LED vermella (660 nm), infraroig proper (NIR) (850 nm) i infrarojo llunyà (FIR) (1060 nm). Aquestes tres tecnologies estan dissenyades per alleujar una varietat de condicions pèlviques i crear un entorn òptim per a la curació, reparació, rejoveniment i regeneració.

• Salut pèlvica integral: per a dones amb dismenorrea, restrenyiment, hemorroides, síndrome de l'intestí irritable, malaltia inflamatòria pèlvica i altres problemes.
• Versatilitat: Tot i que aquest coixinet està destinat principalment a la salut pèlvica, la seva portabilitat i flexibilitat permeten utilitzar-lo a l'esquena, les espatlles, les cuixes o a qualsevol lloc on necessitis alleujar el dolor.

Dispositiu de teràpia de llum vermella portàtil

Dispositiu de teràpia de llum vermella portàtil YouLumi IRH-003 ofereix longituds d'ona que penetren 2 polzades de profunditat a la pell i ajuda a controlar les nafres i les úlceres dins de la boca. La llum vermella de l'infraroig proper té una longitud d'ona més llarga i penetra profundament. S'ha demostrat en investigacions científiques que la llum amb freqüències similars redueix el dolor i ajuda a controlar els brots.

El futur de la fotobiomodulació

Amb un augment de la investigació que s'està duent a terme, el futur del PBM sembla prometedor.

L'addició més recent al panorama de la investigació ha estat la investigació sobre l'ús transcranial de PBM en el tractament de lesions cerebrals traumàtiques, trastorn depressiu major, demència, Alzheimer i molt més. Els resultats encoratjadors dels estudis en animals han donat lloc a un augment dels estudis humans.

Els estudis humans que investiguen la PBM per a lesions cerebrals traumàtiques (TCE) mostren que l'aplicació adequada pot millorar l'estat mental. Naeser et al. (2011) van mostrar una millora cognitiva significativa en pacients amb TCE a un cost de tractament reduït. Un segon estudi del mateix grup el 2014 va mostrar una millora de la capacitat d'aprenentatge que es correlacionava positivament amb la durada del tractament. Altres estudis (Nawashiro et al., 2012; Henderson i Morries, 2015) van reportar una disminució de la depressió, l'ansietat, el mal de cap i l'insomni després de la PBMT. Es teoritza que aquesta reducció és el resultat de l'augment del flux sanguini cerebral regional (Yang et al. 2020).

Els estudis humans sobre PBMT per a la malaltia d'Alzheimer, la demència i el trastorn depressiu major mostren diversos resultats. Tot i que els estudis en animals són prometedors, els estudis humans són limitats en aquest moment, amb mostres petites. L'ús efectiu de PBM en assaigs amb animals fomenta més estudis humans, amb sort amb mides de mostres més grans i seguiment a llarg termini.

L'augment dels estudis humans permet als investigadors comprendre millor els paràmetres que influeixen en l'ús terapèutic i els obstacles que impedeixen l'aplicació terapèutica eficaç. Aquests paràmetres inclouen la longitud d'ona, el mode de funcionament, la densitat de potència i la durada del tractament. L'obstacle més gran és quan els paràmetres s'han d'adaptar a l'estructura biològica d'un individu per maximitzar l'eficàcia.

Tenint en compte els obstacles considerables que presenta la física de la interacció biològica entre teixits i llum, podria ser temptador pensar en el cos com el seu pitjor enemic quan es tracta de la teràpia PBM. Tanmateix, a mesura que cada cop es coneix més sobre aquestes interaccions, els dissenyadors són capaços d'ajustar els seus dispositius mèdics per fer un ús més eficient de la llum que generen. A mesura que aquests factors s'entenguin i s'estandarditzin més, la capacitat del PBM per augmentar el flux sanguini cerebral, millorar el metabolisme cel·lular i prevenir la neurodegeneració en assajos amb animals es transferirà a estudis humans i, eventualment, augmentarà l'ús clínic.

La innovació per superar els obstacles biològics és evident en empreses com Vielight, que han desenvolupat tecnologies PBM que utilitzen "finestres" de transmissió òptimes per a l'estimulació transcranial, així com la tecnologia d'ones polsades per estimular ones cerebrals específiques, o JustLight, el dispositiu Sunflower Rx proporciona un factor de forma convenient per a l'aplicació PBM dirigida, així com una combinació personalitzada de longituds d'ona per al lliurament de llum òptim (S2wer 202). A més, Vielight està aprofitant una frontera encara més nova en el PBM transcranial teràpia integrant el seu dispositiu amb l'anàlisi al núvol de les dades d'EEG dels usuaris, que podria tancar el bucle entre la dosi i la resposta. Vielight ja ha mostrat efectes positius preliminars en pacients amb Alzheimer, i JustLight està actualment involucrat en assaigs clínics centrats en Alzheimer (Vielight Research & Collaboration, nd).

Conclusió

En resum, la teràpia de fotobiomodulació (PBM) és un tractament mèdic no invasiu prometedor que utilitza llum de baix nivell per estimular la funció cel·lular i promoure la reparació dels teixits. S'ha demostrat que la PBM té una varietat d'efectes terapèutics, com ara reduir la inflamació, accelerar la cicatrització de ferides i millorar la recuperació muscular. Tot i que calen més investigacions per entendre els seus beneficis potencials completament, els estudis suggereixen que la PBM pot tenir aplicacions per a diverses condicions mèdiques, com ara dolor crònic, malalties neurodegeneratives i trastorns de la pell.

No obstant això, encara queden alguns reptes per superar, com ara la manca de protocols de tractament estandarditzats, les dificultats per determinar els paràmetres d'aplicació òptims i la comprensió i identificació de la varietat en la composició biològica dels usuaris i com influeix en l'eficàcia del PBM. Amb aquests reptes que s'aborden en la investigació i el disseny de dispositius, el futur de PBM sembla brillant, i és probable que continuem veient noves aplicacions i avenços en aquest camp en els propers anys.