Interakce světla a tkáně a současný a budoucí stav PBM

Fotobiomodulace (PBM) je neinvazivní, netepelná forma světelné terapie, která využívá neionizující světelné zdroje k vytvoření terapeutických účinků na buněčné úrovni. Světelné zdroje používané v PBM zahrnují lasery a LED ve viditelném (400-700 nm) a infračerveném (700-1100 nm) spektru. PBM produkuje terapeutická ošetření (PBMT) v nemocných a poškozených tkáních, aby podpořila hojení ran a regeneraci tkání, snížila zánět, zmírnila bolest a obnovila původní buněčnou funkci.

PBM byl poprvé pozorován Endre Mesterem na Semmelweis Medical University v Maďarsku, když vadný vysoce výkonný laser, určený k ničení abnormálních buněk, místo toho vyzařoval světlo s nízkou spotřebou. Mester pozoroval, jak nízkoúrovňové světlo podporuje hojení zvýšenou rychlostí stimulací kožních buněk, a své poznatky publikoval v roce 1967 (Gáspár, 2019). V roce 2015 se v oboru staly uznávanými termíny PBM a PBMT (fotobiomodulační terapie), které standardizovaly terminologii pro terapii často označovanou jako nízkoúrovňová laserová (nebo světelná) terapie (LLLT), studená laserová terapie nebo laserová biostimulace (Anders et al., 2015).

V tomto článku se ponoříme do základů fotobiomodulace, prozkoumáme mechanismy, kterými světlo interaguje s buňkami, a objasníme základní fotochemické reakce. Osvětlíme pokračující snahy o optimalizaci technik PBM a rozšíření jejich terapeutického potenciálu. Kromě toho prozkoumáme současný stav zařízení PBMT a budoucnost světelné terapie.

Úvod do světelné terapie

PBM je klasifikována jako netepelná forma světelné terapie. Netepelné ošetření světlem neprodukuje během procedury významné teplo. Místo toho se zaměřují na využití jiných charakteristik světla, jako jsou vlnové délky, k dosažení požadovaných terapeutických účinků. Zatímco PBM záměrně neprodukuje teplo (na rozdíl od fototermálních modalit), tvorba tepla je v určitých nastaveních možná. Pokud intenzita světla nebo doba expozice nejsou náležitě řízeny, může dojít k nadměrnému vývinu tepla. Generování tepla je pro PBM významnou překážkou bez ohledu na to, jaká vlnová délka se používá.

Proces PBM zahrnuje endogenní chromofory umístěné v mitochondriích buněk, což vede k fotochemickým změnám. Fotochemické změny jsou reakce nebo procesy, ke kterým dochází v důsledku absorpce světelné energie a mohou vést ke změnám na molekulární úrovni (Anders, 2016).

Poté, co je světlo absorbováno, světlo interaguje s cytochrom c oxidázou (komplex IV) v mitochondriích buněk a nepřímo generuje ATP (molekuly přenášející energii), ROS (reaktivní druhy kyslíku) a NO (oxid dusnatý) prostřednictvím elektronového transportního řetězce. ATP, ROS a NO ovlivňují všechny fáze hojení ran (Lipko, 2021).

Úvahy související se světlem

LED (Light-Emitting Diode) a laser (nejčastěji ve formě laserové diody) jsou dva primární zdroje světla používané pro zařízení PBMT. I když se aplikace a vlastnosti mezi LED a laserem překrývají, existuje také několik klíčových rozdílů.

Světelný zdroj

LED diody produkují relativně monochromatický světelný výstup buď výběrem jednobarevných polovodičových materiálů nebo konverzí fosforu. Rozložení vyzařování LED je obvykle velmi rozptýlené a nekolimované.

Laserové diody jsou svou povahou podobné LED, ale obsahují další rezonanční vlastnosti, které zajišťují, že distribuce vyzařování je těsnější než u LED (z hlediska vlnové délky, koherence a vyzařovacího úhlu). Tyto vlastnosti znamenají, že laserová dioda je obecně účinnější při pronikání do hlubších tkání při léčbě stavů pod kůží.

Náklady

LED diody jsou levné a všudypřítomné, což z nich dělá skvělou volbu pro nespecializované kliniky nebo osobní zařízení, zejména ty, které se zaměřují na povrchové úpravy. Laserová zařízení, zejména ta s vyšším výkonem a specifickými vlnovými délkami, bývají dražší.

Bezpečnost

Existuje značné množství literatury, která se neustále rozrůstá a uvádí, že PBM je bezpečnou a účinnou možností léčby při dodržení doporučených klinických parametrů (Bensadoun et al., 2020). Jedinci, kteří mají v úmyslu používat PBM, by to měli projednat s lékařem.

Jedinci, kteří jsou fotosenzitivní, mají vaskulární nebo imunologické poruchy, tkáň vyztuženou silikonem nebo podstoupili kosmetickou operaci, jsou vystaveni vyššímu riziku komplikací souvisejících s laserovou PBM (Khalkhal et al., 2020)

Zařízení PBM, která používají lasery třídy 3 (nebo vyšší), mohou při nesprávném zacházení způsobit poškození zraku. Postupy pro tato zařízení by měly zahrnovat pokyny, jak předcházet poškození oka (Edge-Hughes, 2020).

Jak LED, tak laserová zařízení jsou považována za obecně bezpečná pro klinické a domácí použití. Uživatelé PBM mohou snížit riziko zranění souvisejících s PBM dodržováním správných postupů a spoluprací s lékařem.

Vlnová délka

LED zařízení obvykle nabízejí širší rozsah vlnových délek, což umožňuje flexibilitu při zaměřování různých hloubek a typů tkání. Na druhé straně lasery obvykle vyzařují světlo v úzkém rozsahu vlnových délek.

Různé vlnové délky se zaměřují na různé biologické tkáně a jsou důležité při určování hloubky průniku.

• Modré světlo (440 – 500 nm) : může pronikat do dermálních vrstev. Bylo prokázáno, že modré světlo stimuluje komplex IV elektronového transportního řetězce a také aktivuje endogenní porfyriny, které mohou být užitečné pro antibakteriální aplikace.
• Zelené světlo (500 – 570 nm) : může pronikat dermálními a bazálními buňkami do tukových buněk.
• Červené světlo (620 – 750 nm) , s nejdelší vlnovou délkou ve viditelném spektru, může proniknout 0,5 až 1 mm hluboko do vrstev tukových buněk. Červené světlo je často vybráno z kratšího konce tohoto spektra (~620nm-680nm) pro stimulaci cytochrom c oxidázy.
• Blízké infračervené světlo (750 – 3 000 nm) dokáže proniknout nejhlouběji a do svalu a tkání 2 mm, než ztratí 37 % intenzity. NIR se často volí z kratšího konce tohoto spektra (~760nm-820nm) pro stimulaci cytochrom c oxidázy. Zatímco NIR zahrnuje vlnové délky do 3 000 nm, vlnové délky blížící se a nad 2 000 nm jsou absorbovány vodou v kůži, což vede k zahřívání pokožky a potenciálním pocitům pálení v pokožce.

Tento obrázek ilustruje tendenci kožních pigmentů a krve blokovat pronikání viditelných vlnových délek. Infračervené světlo má relativně volný průchod; i to však bude omezeno absorpcí ve vodě.

Tam, kde je světlo nasměrováno, může dojít ke změnám v efektivní absorpci napříč elektromagnetickým spektrem. Výzkum ukazuje, že transkraniální světlo o vlnové délce 700-750 nm má tendenci mít malý dopad na mozkové struktury, zatímco 600-690 nm nebo 760-900 nm má mnohem větší dopad. Výzkum ukazuje, že použití světelných vln při 830 nm umožňuje 11,7 % světla proniknout okcipitální oblastí, 2,1 % proniknout frontální oblastí a 0,9 % proniknout do spánkové oblasti (Hennessy 2016).

Síla a intenzita

Laserová zařízení mají obecně vyšší výkon a intenzitu ve srovnání s LED zařízeními. Koncentrovaná a koherentní povaha laserového světla umožňuje hlubší pronikání tkání a potenciálně cílenější léčbu. LED zařízení, i když jsou méně výkonná, mohou být stále účinná pro povrchová ošetření nebo větší ošetřované plochy.

Čtenáři si možná všimli, že síla, intenzita, vlnová délka a typ světla ovlivňují pronikání tkání. To je jen několik faktorů, které ovlivňují účinnost PBM v konkrétních hloubkách. Dalším faktorem, který může ovlivnit hloubku průniku, je použitý způsob dodání světla. Dodání světla lze kategorizovat jako pulzní vlna (PW) nebo kontinuální vlna (CW).

Poznámka: Probíhá další výzkum k pochopení optimálních parametrů pulzu a jejich účinků.

Pulzní vlna PBM zahrnuje dodávku světla pulzním způsobem, kdy se světlo zapíná a vypíná v určitých intervalech. Parametry pulsu mohou zahrnovat trvání pulsu (dobu, po kterou svítí světlo během každého pulsu), frekvenci pulsů (rychlost, kterou jsou pulsy vydávány za sekundu) a pracovní cyklus (poměr trvání pulsu k celkové periodě pulsu). Pulzní PBM umožňuje přesnou kontrolu nad načasováním a trváním světelné expozice.

Konstantní vlna PBM, také známá jako PBM se spojitou vlnou, zahrnuje nepřetržité dodávání světla bez jakékoli pulsace nebo přerušení. Při konstantním PBM je světlo vyzařováno nepřetržitě po celou dobu ošetření.

Zatímco standardy parametrů týkající se PW a CW se stále určují, zdá se, že PW může být výhodné pro zlepšení pronikání světla do hlubších tkání.

Jak interakce světla a tkáně ovlivňuje PBM: Absorpce, odraz a rozptyl

PBM se typicky používá jako cílená léčebná modalita, ve které je potřeba světlo primárně zaměřit na tkáň, o kterou je zájem. Tkáně jsou jedinečné od člověka k člověku kvůli rozdílům v obsahu krve, obsahu vody, obsahu kolagenu a vývoji vlákniny. Kromě toho může tón, stav a tloušťka pokožky přispívat k významné variabilitě optické odezvy. Každá aplikace PBM, od povrchových aplikací, jako je hojení ran a léčba bolesti, až po hlubší cíle, je ovlivněna vlastnostmi zasahujících tkání. Pochopení toho, jak světlo a tkáně interagují, může odhalit překážky.

Vstřebávání

Absorpce nastává, když je světelná energie absorbována buňkami nebo tkání, se kterou interaguje. Když je světlo absorbováno, předává svou energii materiálu. Absorpce fotonů umožňuje světelnému zdroji vytvořit terapeutický efekt. Bez absorpce by nedošlo k přenosu energie do tkáně a tkáň by nebyla ovlivněna světlem. Nakonec je terapie dosaženo, když cílová oblast absorbuje světlo správné vlnové délky a intenzity. Absorpce je však charakteristická pro všechny tkáně, cílové nebo ne, takže značná část světelných vln je absorbována náhodnými tkáněmi a nikdy se ve skutečnosti nedostane do cílových tkání (Anders 2016). K dalšímu nežádoucímu vedlejšímu efektu nechtěné absorpce dochází, když se absorbované záření v buňkách nevyhnutelně přemění na teplo.

Odraz

K odrazu dochází, když světelné vlny narazí na předmět a odrazí se od jeho povrchu. Odražená energie světla není absorbována zamýšlenou hmotou, ale je přesměrována. Reflexní ztráta terapeutického světla je zvláštním problémem na rozhraní tkáně a vzduchu, protože rozdíl v indexu lomu je zvláště velký. V důsledku toho může variace vést k tomu, že se značná část světla odrazí pryč a vyplýtvá. Tyto odrazné ztráty samozřejmě sníží účinnost zařízení PBM. Návrháři zařízení PBM musí zvážit, které nezamýšlené cíle by mohly přijímat odražené světlo, protože by to mohlo rušit senzory nebo v extrémních případech ovlivnit zrak.

Rozptylování

K rozptylu dochází, když světelné vlny interagují s částicemi a jsou rozptýleny v různých směrech. K rozptylu dochází při úplné absorpci a následném opětovném vyzařování světelných vln, zatímco odraz nastává před absorpcí. Rozptyl fotonů může poskytnout zpětnou vazbu během terapie (Jacques et. al. 1987). Pozorování tohoto procesu poskytuje diagnostický přehled, protože rozptyl závisí na ultrastruktuře tkáně a přítomnosti částic ve struktuře. Různé vlnové délky světla mají různé rozptylové vlastnosti při průchodu živými tkáněmi (Jacques 1996).

Rozptyl je všudypřítomná překážka. Například zařízení PBM může generovat vysoce kolimovaný paprsek, ale tento paprsek se může začít rozptylovat ihned po vstupu do biologické tkáně a přeměnit těsný paprsek na rychle difundující oblak fotonů. I když to může být užitečné, pokud je cíl přiměřeně velký a mělký, tento účinek je často nežádoucím zředěním terapie.

Některá zařízení využívají pulzní vlny jako prostředek k překonání biologických bariér a zvýšení terapeutické účinnosti. Ačkoli neexistuje obecný konsenzus, že pulzování je lepší než kontinuální vlna, omezené důkazy naznačují, že tomu tak může být. Energie pulzních vln je typicky méně tepelně namáhaná pro ozařovanou tkáň a potenciálně zlepšuje hlubokou penetraci tkání.

Aktuální stav zařízení PBM

V současnosti je na trhu mnoho zařízení PBMT. Tato zařízení jsou primárně určena pro hojení ran, zvládání bolesti a nejnověji pro léčbu demence a prevenci vředů v ústech (orální mukozitida) u pacientů s rakovinou. K dispozici jsou také přístroje pro terapii červeným světlem, používané pro kosmetické účely.

Čepice pro terapii červeným světlem

Red Light Therapy Cap od Youlumi poskytuje výkonné a cenově dostupné ošetření růstu vlasů se 180 diodami lékařské kvality a 28W energie. Infračervená čepice pro růst vlasů od Youlumi, doporučená lékaři, pomáhá obnovit řídnoucí vlasy v důsledku genetiky (androgenetická alopecie). Díky našemu novému flexibilnímu designu je ošetření růstu vlasů pohodlnější než kdy předtím.

Panel s červeným světlem

Červený světelný panel je vysoce výkonný, poloviční tělo navržený přístroj pro terapii červeným a blízkým infračerveným světlem abychom vám poskytli cenově dostupnou a účinnou světelnou terapii v pohodlí vašeho domova. Toto všestranné zařízení do poloviny těla může být užitečné pro urychlení doby zotavení, redukci vrásek, zvýšení energie a nálady, stimulaci produkce kolagenu a elastinu a mnoho dalšího! Disponuje dvěma čipovými LED diodami vyzařujícími červené a blízké infračervené světlo při klinicky ověřených vlnových délkách světla. Je modulární a kompatibilní se stojanem, což znamená, že jej lze připojit k dalším panelům a připojit k jakémukoli z našich mobilních stojanů a vytvořit tak přizpůsobené sestavy celého těla!

Terapeutická podložka pro zdraví pánve červeným světlem

Tato nová sada podložek pro terapii pánevního zdraví červeným světlem je navržena pro zónu W (kyčelní oblast pánve) a zónu Y (spodní část břicha a pánev, zejména stydká oblast).

Využívá sofistikovanou kombinaci tří světelných terapií: červené LED světlo（660nm), blízké infračervené (NIR) (850nm) a vzdálené infračervené (FIR) (1060nm). Tyto tři technologie jsou navrženy tak, aby zmírnily různé stavy pánve a vytvořily optimální prostředí pro hojení, opravu, omlazení a regeneraci.

• Komplexní zdraví pánve: pro ženy s dysmenoreou, zácpou, hemoroidy, syndromem dráždivého tračníku, zánětlivým onemocněním pánve a dalšími problémy.
• Všestrannost: I když je tato podložka primárně určena pro zdraví pánve, její přenosnost a flexibilita ji umožňuje použít na záda, ramena, stehna nebo kdekoli, kde potřebujete úlevu od bolesti.

Ruční zařízení pro terapii červeným světlem

YouLumi ruční zařízení pro terapii červeným světlem IRH-003 dodává vlnové délky pronikající 2 palce hluboko do pokožky a pomáhá léčit vředy a vředy v ústech. Blízké infračervené světlo má delší vlnovou délku a proniká hluboko. Vědecký výzkum prokázal, že světlo s podobnými frekvencemi snižuje bolest a pomáhá zvládat ohniska.

Budoucnost fotobiomodulace

S rostoucím počtem prováděných výzkumů vypadá budoucnost PBM slibně.

Nejnovějším přírůstkem do oblasti výzkumu byl výzkum transkraniálního použití PBM při léčbě traumatického poranění mozku, velké depresivní poruchy, demence, Alzheimerovy choroby a dalších. Povzbudivé výsledky ve studiích na zvířatech vedly k většímu počtu studií na lidech.

Studie na lidech zkoumající PBM pro traumatické poškození mozku (TBI) ukazují, že správná aplikace může zlepšit duševní stav. Naeser a kol. (2011) prokázali významné kognitivní zlepšení u pacientů s TBI při snížených nákladech na léčbu. Druhá studie stejné skupiny v roce 2014 ukázala zlepšenou schopnost učení, která pozitivně korelovala s délkou léčby. Jiné studie (Nawashiro et al., 2012; Henderson a Morries, 2015) uvedly snížení deprese, úzkosti, bolesti hlavy a nespavosti po PBMT. Předpokládá se, že toto snížení je výsledkem zvýšeného regionálního průtoku krve mozkem (Yang et. al. 2020).

Lidské studie PBMT pro Alzheimerovu chorobu, demenci a velkou depresivní poruchu ukazují různé výsledky. Zatímco studie na zvířatech jsou slibné, studie na lidech jsou v tomto bodě omezené, s malou velikostí vzorků. Efektivní použití PBM ve studiích na zvířatech podporuje další studie na lidech, doufejme, že s větší velikostí vzorků a dlouhodobým sledováním.

Rozšířené studie na lidech umožňují výzkumníkům lépe porozumět parametrům, které ovlivňují terapeutické použití, a překážkám, které brání účinné terapeutické aplikaci. Tyto parametry zahrnují vlnovou délku, provozní režim, hustotu výkonu a trvání léčby. Největší překážkou je, když parametry musí být přizpůsobeny biologické struktuře jedince, aby se maximalizovala účinnost.

Vzhledem ke značným překážkám, které představuje fyzika interakce biologická tkáň-světlo, by mohlo být lákavé považovat tělo za svého vlastního nejhoršího nepřítele, pokud jde o terapii PBM. Jak se však o těchto interakcích dozvídá více a více, návrháři jsou schopni vylepšit svá zdravotnická zařízení tak, aby co nejefektivněji využívali světlo, které generují. Jakmile se tyto faktory stanou více chápány a standardizovány, schopnost PBM zvýšit průtok krve mozkem, zlepšit buněčný metabolismus a zabránit neurodegeneraci ve studiích na zvířatech se přenese do studií na lidech a nakonec se zvýší klinické použití.

Inovace k překonání biologických překážek je evidentní ve společnostech jako Vielight, které vyvinuly technologie PBM, které využívají optimální přenosová „okna“ pro transkraniální stimulaci, stejně jako technologii pulzních vln pro stimulaci specifických mozkových vln, nebo JustLight, jejíž zařízení Sunflower Rx poskytuje vhodný tvarový faktor pro cílenou aplikaci PBM a také vlastní kombinaci vlnových délek pro optimální dodávku světla (Serwer). Kromě toho se Vielight chopí ještě novější hranice v transkraniálním PBM terapie integrací jejich zařízení s cloudovou analýzou dat EEG uživatelů, která potenciálně uzavírá smyčku mezi dávkou a reakcí. Vielight již prokázal předběžné pozitivní účinky na pacienty s Alzheimerovou chorobou a JustLight se v současné době zabývá klinickými zkouškami zaměřenými na Alzheimerovu chorobu (Vielight Research & Collaboration, nd).

Závěr

Stručně řečeno, fotobiomodulační (PBM) terapie je slibná neinvazivní lékařská léčba, která využívá nízké úrovně světla ke stimulaci buněčné funkce a podpoře opravy tkání. Ukázalo se, že PBM má řadu terapeutických účinků, včetně snížení zánětu, urychlení hojení ran a zlepšení regenerace svalů. I když je zapotřebí více výzkumu, abychom plně porozuměli jeho potenciálním přínosům, studie naznačují, že PBM může mít aplikace pro různé zdravotní stavy, včetně chronické bolesti, neurodegenerativních onemocnění a kožních poruch.

Stále však existují určité problémy, které je třeba překonat, jako je nedostatek standardizovaných léčebných protokolů, potíže při určování optimálních aplikačních parametrů a pochopení a identifikace rozmanitosti biologického složení uživatelů a toho, jak ovlivňuje účinnost PBM. S těmito výzvami, které jsou řešeny ve výzkumu a návrhu zařízení, vypadá budoucnost PBM jasně a v nadcházejících letech budeme pravděpodobně i nadále vidět nové aplikace a pokroky v této oblasti.