Interaktion mellem lys og væv og PBM's nuværende og fremtidige tilstande

Fotobiomodulation (PBM) er en ikke-invasiv, ikke-termisk form for lysterapi, der bruger ikke-ioniserende lyskilder til at skabe terapeutiske effekter på celleniveau. Lyskilder, der anvendes i PBM, omfatter lasere og LED'er i de synlige (400-700 nm) og infrarøde (700-1100 nm) spektre. PBM producerer terapeutiske behandlinger (PBMT) i sygt og beskadiget væv for at fremme sårheling og vævsregenerering, reducere inflammation, lindre smerter og genoprette den oprindelige cellefunktion.

PBM blev først observeret af Endre Mester ved Semmelweis Medical University i Ungarn, da en defekt højeffektlaser, designet til at ødelægge unormale celler, i stedet udsendte et laveffektlys. Mester observerede, hvordan lyset på lavt niveau fremmede heling med en øget hastighed ved at stimulere hudceller og offentliggjorde sine resultater i 1967 (Gáspár, 2019). I 2015 blev PBM og PBMT (fotobiomodulationsterapi) de anerkendte valgvilkår på området, hvilket standardiserede terminologien for terapien, der ofte omtales som lav-niveau laser (eller lys) terapi (LLLT), kold laser terapi eller laser biostimulation (Anders et al., 2015).

I denne artikel vil vi dykke ned i det grundlæggende i fotobiomodulation, udforske de mekanismer, hvorved lys interagerer med celler, og belyse de underliggende fotokemiske reaktioner. Vi vil kaste lys over de igangværende bestræbelser på at optimere PBM-teknikker og udvide deres terapeutiske potentiale. Derudover vil vi undersøge den nuværende tilstand af PBMT-enheder, og hvad fremtiden bringer for lysterapi.

En introduktion til lysterapi

PBM er klassificeret som en ikke-termisk form for lysterapi. Ikke-termiske lysbehandlinger producerer ikke væsentlig varme under proceduren. I stedet fokuserer de på at udnytte andre karakteristika ved lys, såsom bølgelængder, for at opnå ønskede terapeutiske effekter. Selvom PBM ikke bevidst producerer varme (i modsætning til fototermiske modaliteter), er varmegenerering stadig mulig i visse indstillinger. Hvis lysintensiteten eller eksponeringstiden ikke kontrolleres korrekt, kan der opstå overdreven varmeudvikling. Varmeproduktion er en relevant hindring for PBM, uanset hvilken bølgelængde der bruges.

PBM-processen involverer endogene kromoforer placeret i cellernes mitokondrier, hvilket resulterer i fotokemiske ændringer. Fotokemiske ændringer er reaktioner eller processer, der opstår som følge af absorption af lysenergi og kan føre til ændringer på molekylært niveau (Anders, 2016).

Efter at lyset er absorberet, interagerer lyset med cytochrom c-oxidase (kompleks IV) i mitokondrierne i celler for indirekte at generere ATP (Energy-Carrying-Molecules), ROS (Reactive Oxygen Species) og NO (nitrogenoxid) via elektrontransportkæden. ATP, ROS og NO påvirker alle faser af sårheling (Lipko, 2021).

Lys-relaterede overvejelser

LED (Light-Emitting Diode) og laser (oftest i form af en laserdiode) er de to primære lyskilder, der bruges til PBMT-enheder. Selvom der er et overlap i anvendelse og egenskaber mellem LED og laser, er der også et par vigtige forskelle.

Lyskilde

LED'er producerer et relativt monokromatisk lysoutput enten via valg af enkeltfarve-emitterende halvledermaterialer eller ved fosforkonvertering. LED'ers emissionsfordelinger er typisk meget diffuse og ikke-kollimerede.

Laserdioder ligner i sin natur LED'er, men indeholder yderligere resonansfunktioner, som sikrer, at emissionsfordelingen er tættere end LED'ers (med hensyn til bølgelængde, sammenhæng og emissionsvinkel). Disse funktioner betyder, at laserdioden generelt er mere effektiv til at trænge ind i dybere væv for at behandle tilstande under huden.

Koste

LED'er er billige og allestedsnærværende, hvilket gør dem til en god mulighed for ikke-specialiserede klinikker eller personlige enheder, især dem, der fokuserer på behandlinger på overfladeniveau. Laser enheder, især dem med højere effekt og specifikke bølgelængder, har tendens til at være dyrere.

Sikkerhed

Der er en betydelig og stigende mængde litteratur, der indikerer, at PBM er en sikker og effektiv behandlingsmulighed, når de anbefalede kliniske parametre følges (Bensadoun et al., 2020). Personer, der har til hensigt at bruge PBM, bør diskutere det med en læge.

Personer, der er lysfølsomme, har vaskulære eller immunologiske lidelser, silikoneforstærket væv eller har gennemgået kosmetisk kirurgi, har en højere risiko for komplikationer relateret til laserbaseret PBM (Khalkhal et al., 2020)

PBM-enheder, der bruger klasse 3-lasere (eller højere), kan forårsage øjenskader, hvis de ikke håndteres korrekt. Procedurer for disse enheder bør omfatte instruktioner om, hvordan man forebygger øjenskade (Edge-Hughes, 2020).

Både LED- og laserenheder anses generelt for at være sikre til klinisk brug og hjemmebrug. PBM-brugere kan mindske deres risiko for PBM-relaterede skader ved at følge de korrekte procedurer og ved at arbejde med en læge.

Bølgelængde

LED-enheder tilbyder typisk et bredere udvalg af bølgelængder, hvilket giver mulighed for fleksibilitet i målretning mod forskellige dybder og vævstyper. Lasere udsender på den anden side normalt lys inden for et snævert bølgelængdeområde.

Forskellige bølgelængder retter sig mod forskellige biologiske væv og er vigtige for at bestemme penetrationsdybden.

• Blåt lys (440 – 500 nm) : kan trænge ind i de dermale lag. Blåt lys har vist sig at stimulere kompleks IV af elektrontransportkæden og også at aktivere endogene porphyriner, som kan være nyttige til antibakterielle applikationer.
• Grønt lys (500 – 570 nm) : kan trænge ind i hud- og basalcellerne i fedtcellerne.
• Rødt lys (620 – 750 nm) , med den længste bølgelængde på det synlige spektrum, kan trænge 0,5 til 1 mm dybt ind i fedtcellelagene. Rødt lys vælges ofte fra den kortere ende af dette spektrum (~620nm-680nm) til stimulering af cytochrom c-oxidase.
• Nær-infrarødt lys (750 – 3.000 nm) kan trænge dybeste og ind i muskler og væv 2 mm, før de mister 37 % intensitet. NIR vælges ofte fra den kortere ende af dette spektrum (~760nm-820nm) til stimulering af cytochrom c-oxidase. Mens NIR omfatter bølgelængder op til 3.000 nm, absorberes bølgelængder, der nærmer sig og over 2.000 nm, af vand i huden, hvilket resulterer i dermal opvarmning og potentielle brændende fornemmelser i derma.

Denne figur illustrerer hudpigmenternes og blodets tendens til at blokere indtrængning af synlige bølgelængder. Infrarødt lys er tilladt relativt fri passage; dog vil selv den være begrænset af absorption i vand.

Hvor lyset rettes kan skabe en variation i den effektive absorption over det elektromagnetiske spektrum. Forskning viser, at transkranielt lys i bølgelængden på 700-750 nm har en tendens til at have ringe indflydelse på hjernestrukturer, hvorimod 600-690 nm eller 760-900 nm har en langt større indvirkning. Forskning viser, at brug af lysbølger ved 830 nm tillader 11,7 % af lyset at trænge ind i occipitalområdet, 2,1 % at trænge ind i frontalområdet og 0,9 % at trænge ind i det tidsmæssige område (Hennessy 2016).

Kraft og intensitet

Laserenheder har generelt højere effekt og intensitet sammenlignet med LED-enheder. Laserlysets koncentrerede og sammenhængende natur giver mulighed for dybere vævsgennemtrængning og potentielt mere målrettet behandling. Selvom LED-enheder er mindre kraftfulde, kan de stadig være effektive til overfladiske behandlinger eller større behandlingsområder.

Læsere har måske bemærket, at kraft, intensitet, bølgelængde og lystype alle påvirker vævsgennemtrængning. Dette er blot nogle få af de faktorer, der påvirker PBM-effektiviteten i bestemte dybder. En anden faktor, der kan påvirke indtrængningsdybden, er den anvendte lysleveringsmetode. Lyslevering kan kategoriseres som pulserende bølge (PW) eller kontinuerlig bølge (CW).

Bemærk: Yderligere forskning for at forstå de optimale pulsparametre og deres virkninger er i gang.

Pulse wave PBM involverer levering af lys på en pulseret måde, hvor lyset tændes og slukkes med bestemte intervaller. Pulsparametre kan omfatte pulsvarighed (det tidsrum, hvor lyset er tændt under hver puls), pulsfrekvens (den hastighed, hvormed pulser afgives pr. sekund) og arbejdscyklus (forholdet mellem pulsvarighed og den samlede pulsperiode). Pulse PBM giver mulighed for præcis kontrol over timingen og varigheden af ​​lyseksponering.

Konstant bølge PBM, også kendt som kontinuerlig bølge PBM, involverer kontinuerlig levering af lys uden nogen pulsering eller afbrydelse. Ved konstant PBM udsendes lyset kontinuerligt under hele behandlingsforløbet.

Mens parameterstandarder vedrørende PW og CW stadig er ved at blive bestemt, ser det ud til, at PW kan være fordelagtigt til at forbedre lysindtrængning i dybere væv.

Hvordan påvirker lys-vævsinteraktion PBM: Absorption, refleksion og spredning

PBM bruges typisk som en målrettet behandlingsmodalitet, hvor lys primært skal fokuseres på det væv, der er af interesse. Væv er unikke fra person til person på grund af forskelle i blodindhold, vandindhold, kollagenindhold og fiberudvikling. Derudover kan hudens tone, tilstand og tykkelse bidrage med betydelig variation i optisk respons. Hver applikation af PBM, fra overfladeapplikationer, såsom sårheling og smertebehandling, til dybere mål, påvirkes af egenskaberne af intervenerende væv. At forstå, hvordan lys og væv interagerer, kan afdække forhindringer.

Absorption

Absorption opstår, når lysenergi absorberes af de celler eller væv, det interagerer med. Når lys absorberes, overfører det sin energi til materialet. Absorption af fotoner gør det muligt for lyskilden at skabe en terapeutisk effekt. Uden absorption ville der ikke være nogen energioverførsel til vævet, og vævet ville være upåvirket af lys. I sidste ende opnås terapi, når målområdet absorberer lys med den korrekte bølgelængde og intensitet. Absorption er dog et kendetegn for alt væv, mål eller ej, så en betydelig del af lysbølgerne absorberes af tilfældigt væv og når faktisk aldrig målvævene (Anders 2016). En anden uønsket bivirkning af utilsigtet absorption opstår, når den absorberede stråling uundgåeligt omdannes til varme i cellerne.

Afspejling

Refleksion opstår, når lysbølger rammer et objekt og hopper af dets overflade. Lysets reflekterede energi absorberes ikke af det tilsigtede stof, men omdirigeres. Reflekterende tab af terapeutisk lys er et særligt problem ved grænseflader mellem væv og luft, fordi forskellen i brydningsindeks er særlig stor. Som følge heraf kan variation føre til, at en betydelig del af lyset reflekteres væk og går til spilde. Selvfølgelig vil disse reflekterende tab mindske effektiviteten af ​​PBM-enheden. PBM-enhedsdesignere skal overveje, hvilke utilsigtede mål der kan modtage det reflekterede lys, da dette kan forstyrre sensorer eller i ekstreme tilfælde påvirke synet.

Spredning

Spredning opstår, når lysbølger interagerer med partikler og spredes i forskellige retninger. Spredning sker ved total absorption og efterfølgende re-emission af lysbølger, hvorimod refleksion sker før absorption. Spredningen af ​​fotoner kan give feedback under terapien (Jacques et. al. 1987). At observere denne proces giver et diagnostisk overblik, da spredning afhænger af vævets ultrastruktur og tilstedeværelsen af ​​partikler i strukturen. Forskellige bølgelængder af lys har forskellige spredningsegenskaber, når de passerer gennem levende væv (Jacques 1996).

Spredning er en evigt tilstedeværende forhindring. For eksempel kan en PBM-enhed generere en stærkt kollimeret stråle, men denne stråle kan begynde at spredes umiddelbart efter at den kommer ind i det biologiske væv, hvilket gør den tætte stråle til en hurtigt diffuserende sky af fotoner. Selvom dette kan være nyttigt, hvis målet er rimeligt stort og overfladisk, er denne effekt ofte en uønsket fortynding af behandlingen.

Nogle enheder bruger pulserende bølger som et middel til at overvinde biologiske barrierer og øge den terapeutiske effektivitet. Selvom der ikke er nogen generel konsensus om, at pulseret er bedre end en kontinuerlig bølge, tyder begrænset bevis på, at dette kan være tilfældet. Pulserende bølgeenergi er typisk mindre termisk belastende for det bestrålede væv og forbedrer potentielt dyb vævsgennemtrængning.

Nuværende tilstand af PBM-enheder

Der er mange PBMT-enheder på markedet i dag. Disse enheder er primært til sårheling, smertebehandling og senest til behandling af demens og forebyggelse af mundsår (mundslimhindebetændelse) hos cancerpatienter. Enheder til rødt lys, der bruges til kosmetiske formål, er også tilgængelige.

Red Light Therapy Cap

Youlumi's Red Light Therapy Cap leverer kraftfuld, overkommelig hårvækstbehandling med 180 medicinske dioder og 28W energi. Anbefalet af læger, Youlumis infrarøde hårvæksthætte hjælper med at genoprette tyndere hår på grund af genetik (androgenetisk alopeci). Vores nye fleksible design gør hårvækstbehandling mere behagelig end nogensinde.

Rødt lys panel

Rødt lys panel er en høj effekt, halv krop rødt og nær infrarødt lysterapiapparat designet for at give dig en overkommelig, effektiv lysterapi i dit hjem. Denne alsidige halvkropsenhed kan være nyttig til at fremskynde restitutionstiden, reducere rynker, forbedre energi og humør, stimulere produktionen af ​​kollagen og elastin og meget mere! Den har dual chip LED'er, der udsender rødt og nær infrarødt lys ved klinisk dokumenterede lysbølgelængder. Den er modulopbygget og standerkompatibel, hvilket betyder, at den kan forbindes til andre paneler og fastgøres til en af ​​vores mobile standere for at skabe skræddersyede, komplette opsætninger!

Pelvic Health Red Light Therapy Pad

Dette nye bækkensundhedspudesæt til rødt lys er designet til W-zonen (hoftebækkenområdet) og Y-zonen (nederste mave og bækken, især kønsområdet).

Den bruger en sofistikeret kombination af tre lysterapier: rødt LED-lys (660nm), nær infrarødt (NIR) (850nm) og langt infrarødt (FIR) (1060nm). Disse tre teknologier er designet til at lindre en række bækkensygdomme og skabe et optimalt miljø for heling, reparation, foryngelse og regenerering.

• Omfattende bækkensundhed: til kvinder med dysmenoré, forstoppelse, hæmorider, irritabel tyktarm, bækkenbetændelse og andre problemer.
• Alsidighed: Selvom denne pude primært er beregnet til bækkensundhed, gør dens bærbarhed og fleksibilitet det muligt at bruge den på ryggen, skuldrene, lårene eller hvor som helst du har brug for smertelindring.

Håndholdt Red Light Therapy-enhed

YouLumi håndholdt rødt lys terapienhed IRH-003 leverer bølgelængder, der trænger 2 tommer dybt ind i huden og hjælper med at håndtere sår og sår inde i munden. Nær-infrarødt rødt lys har en længere bølgelængde og trænger dybt ind. Lys med lignende frekvenser har i videnskabelig forskning vist sig at reducere smerte og hjælpe med at håndtere udbrud.

Fremtiden for fotobiomodulation

Med en stigning i forskning, der udføres, ser fremtiden for PBM lovende ud.

Den seneste tilføjelse til forskningslandskabet har været forskningen i PBM's transkranielle anvendelse til behandling af traumatisk hjerneskade, svær depressiv lidelse, demens, Alzheimers og meget mere. Opmuntrende resultater i dyreforsøg har ført til øgede undersøgelser på mennesker.

Menneskelige undersøgelser, der undersøger PBM for traumatisk hjerneskade (TBI) viser, at korrekt anvendelse kan forbedre mental status. Naeser et al. (2011) viste signifikant kognitiv forbedring hos TBI-patienter til en reduceret behandlingsomkostning. En anden undersøgelse af samme gruppe i 2014 viste forbedret indlæringsevne, der positivt korrelerede med behandlingens varighed. Andre undersøgelser (Nawashiro et al., 2012; Henderson og Morries, 2015) rapporterede nedsat depression, angst, hovedpine og søvnløshed efter PBMT. Det er teoretiseret, at denne reduktion er et resultat af øget regional cerebral blodgennemstrømning (Yang et. al. 2020).

Menneskelige undersøgelser af PBMT for Alzheimers sygdom, demens og svær depressiv lidelse viser forskellige resultater. Mens dyreforsøg viser lovende, er menneskelige undersøgelser begrænsede på dette tidspunkt med små prøvestørrelser. PBM's effektive anvendelse i dyreforsøg tilskynder til flere menneskelige undersøgelser, forhåbentlig med større prøvestørrelser og langsigtet opfølgning.

Øgede menneskelige undersøgelser giver forskere mulighed for bedre at forstå de parametre, der påvirker terapeutisk brug, og de forhindringer, der forhindrer effektiv terapeutisk anvendelse. Disse parametre omfatter bølgelængde, driftstilstand, effekttæthed og behandlingsvarighed. Den største hindring er, når parametre skal skræddersyes til et individs biologiske struktur for at maksimere effektiviteten.

I betragtning af de betydelige forhindringer, som fysikken i biologisk væv-lys-interaktion præsenterer, kunne det være fristende at tænke på kroppen som sin egen værste fjende, når det kommer til PBM-terapi. Men efterhånden som mere og mere bliver kendt om disse interaktioner, er designere i stand til at finjustere deres medicinske udstyr for at gøre den mest effektive brug af det lys, de genererer. Efterhånden som disse faktorer bliver mere forståede og standardiserede, vil PBM's evne til at øge cerebral blodgennemstrømning, forbedre cellulær metabolisme og forhindre neurodegeneration i dyreforsøg overføres til humane undersøgelser og i sidste ende øget klinisk brug.

Innovation til at overvinde biologiske forhindringer er tydelig i virksomheder som Vielight, der har udviklet PBM-teknologier, der bruger optimale transmissions-'vinduer' til transkraniel stimulering samt pulserende bølgeteknologi til stimulering af specifikke hjernebølger, eller JustLight, hvis Sunflower Rx-enhed giver en bekvem formfaktor til målrettet PBM-applikation såvel som en tilpasset kombination af bølgelængde-lyslevering (202). Derudover griber Vielight en endnu nyere grænse inden for transkraniel PBM terapi ved at integrere deres enhed med cloud-analyser af brugernes EEG-data, hvilket potentielt lukker sløjfen mellem dosis og respons. Vielight har allerede vist foreløbige positive effekter på Alzheimers patienter, og JustLight er i øjeblikket engageret i Alzheimers fokuserede kliniske forsøg (Vielight Research & Collaboration, nd).

Konklusion

Kort sagt er fotobiomodulationsterapi (PBM) en lovende ikke-invasiv medicinsk behandling, der anvender lys på lavt niveau til at stimulere cellulær funktion og fremme vævsreparation. PBM har vist sig at have en række terapeutiske virkninger, herunder at reducere inflammation, fremskynde sårheling og forbedre muskelrestitution. Mens der er behov for mere forskning for at forstå dets potentielle fordele fuldt ud, tyder undersøgelser på, at PBM kan have applikationer til forskellige medicinske tilstande, herunder kroniske smerter, neurodegenerative sygdomme og hudlidelser.

Der er dog stadig nogle udfordringer at overvinde, såsom mangel på standardiserede behandlingsprotokoller, vanskeligheder med at bestemme optimale anvendelsesparametre og forståelse og identifikation af variationen i brugernes biologiske sammensætning, og hvordan det påvirker effektiviteten af ​​PBM. Med disse udfordringer behandlet inden for forskning og enhedsdesign, ser fremtiden for PBM lys ud, og vi vil sandsynligvis fortsætte med at se nye applikationer og fremskridt på dette felt i de kommende år.