Interazione con i tessuti leggeri e stati attuali e futuri del PBM

La fotobiomodulazione (PBM) è una forma di terapia della luce non invasiva e non termica che utilizza sorgenti luminose non ionizzanti per creare effetti terapeutici a livello cellulare. Le sorgenti luminose impiegate nella PBM includono laser e LED negli spettri visibile (400-700 nm) e infrarosso (700-1100 nm). La PBM produce trattamenti terapeutici (PBMT) nei tessuti malati e danneggiati per promuovere la guarigione delle ferite e la rigenerazione dei tessuti, ridurre l'infiammazione, alleviare il dolore e ripristinare la funzione cellulare originale.

La PBM è stata osservata per la prima volta da Endre Mester presso l'Università di Medicina Semmelweis in Ungheria quando un laser ad alta potenza difettoso, progettato per distruggere le cellule anormali, emetteva invece una luce a bassa potenza. Mester osservò come la luce a basso livello favorisse la guarigione a un ritmo maggiore stimolando le cellule della pelle e pubblicò le sue scoperte nel 1967 (Gáspár, 2019). Nel 2015, PBM e PBMT (terapia di fotobiomodulazione) sono diventati i termini riconosciuti di scelta nel settore, standardizzando la terminologia per la terapia spesso definita terapia laser (o luce) a basso livello (LLLT), terapia laser fredda o biostimolazione laser (Anders et al., 2015).

In questo articolo approfondiremo i fondamenti della fotobiomodulazione, esplorando i meccanismi attraverso i quali la luce interagisce con le cellule e chiarendo le risposte fotochimiche sottostanti. Faremo luce sugli sforzi in corso per ottimizzare le tecniche PBM ed espandere il loro potenziale terapeutico. Inoltre, esamineremo lo stato attuale dei dispositivi PBMT e cosa riserva il futuro per la terapia della luce.

Un'introduzione alla terapia della luce

La PBM è classificata come una forma non termica di terapia della luce. I trattamenti con luce non termica non producono calore significativo durante la procedura. Si concentrano invece sull’utilizzo di altre caratteristiche della luce, come le lunghezze d’onda, per ottenere gli effetti terapeutici desiderati. Sebbene il PBM non produca intenzionalmente calore (a differenza delle modalità fototermiche), la generazione di calore rimane possibile in determinate impostazioni. Se l'intensità della luce o il tempo di esposizione non vengono controllati adeguatamente, può verificarsi un eccessivo sviluppo di calore. La generazione di calore è un ostacolo rilevante per il PBM, indipendentemente dalla lunghezza d'onda utilizzata.

Il processo PBM coinvolge cromofori endogeni situati nei mitocondri delle cellule con conseguenti cambiamenti fotochimici. I cambiamenti fotochimici sono reazioni o processi che si verificano a seguito dell'assorbimento di energia luminosa e possono portare ad alterazioni a livello molecolare (Anders, 2016).

Dopo che la luce è stata assorbita, la luce interagisce con la citocromo c ossidasi (Complesso IV) nei mitocondri delle cellule per generare indirettamente ATP (molecole che trasportano energia), ROS (specie reattive dell'ossigeno) e NO (ossido nitrico) attraverso la catena di trasporto degli elettroni. ATP, ROS e NO influiscono su tutte le fasi della guarigione delle ferite (Lipko, 2021).

Considerazioni relative alla luce

Il LED (diodo a emissione di luce) e il laser (il più delle volte sotto forma di diodo laser) sono le due sorgenti luminose primarie utilizzate per i dispositivi PBMT. Sebbene esista una sovrapposizione nell'applicazione e negli attributi tra LED e laser, esistono anche alcune differenze chiave.

Sorgente luminosa

I LED producono un'emissione luminosa relativamente monocromatica tramite la selezione di materiali semiconduttori a emissione di colore singolo o mediante conversione del fosforo. Le distribuzioni di emissione dei LED sono tipicamente molto diffuse e non collimate.

I diodi laser sono di natura simile ai LED ma contengono caratteristiche risonanti aggiuntive, che garantiscono che la distribuzione dell'emissione sia più stretta di quella dei LED (in termini di lunghezza d'onda, coerenza e angolo di emissione). Queste caratteristiche significano che il diodo laser è generalmente più efficace nel penetrare nei tessuti più profondi per trattare le condizioni sottocutanee.

Costo

I LED sono economici e onnipresenti, il che li rende un’ottima opzione per cliniche non specializzate o dispositivi personali, in particolare quelli focalizzati su trattamenti a livello di superficie. I dispositivi laser, soprattutto quelli con potenza maggiore e lunghezze d'onda specifiche, tendono ad essere più costosi.

Sicurezza

Esiste una letteratura nutrita e crescente che indica che la PBM è un'opzione di trattamento sicura ed efficace quando si seguono i parametri clinici raccomandati (Bensadoun et al., 2020). Le persone che intendono utilizzare la PBM dovrebbero discuterne con un medico.

Gli individui che sono fotosensibili, hanno disturbi vascolari o immunologici, tessuti rinforzati con silicone o sono stati sottoposti a interventi di chirurgia estetica corrono un rischio maggiore di complicazioni legate alla PBM basata sul laser (Khalkhal et al., 2020)

I dispositivi PBM che utilizzano laser di Classe 3 (o superiore) possono causare danni agli occhi se non maneggiati correttamente. Le procedure per questi dispositivi dovrebbero includere istruzioni su come prevenire danni oculari (Edge-Hughes, 2020).

Sia i dispositivi LED che quelli laser sono considerati generalmente sicuri per l'uso clinico e domestico. Gli utenti PBM possono ridurre il rischio di lesioni correlate al PBM seguendo le procedure adeguate e collaborando con un medico.

Lunghezza d'onda

I dispositivi LED offrono in genere una gamma più ampia di lunghezze d'onda, consentendo flessibilità nel colpire diverse profondità e tipi di tessuto. I laser, invece, emettono solitamente luce entro un intervallo di lunghezze d’onda ristretto.

Diverse lunghezze d'onda prendono di mira tessuti biologici distinti e sono importanti per determinare la profondità di penetrazione.

• Luce blu (440 – 500 nm) : può penetrare negli strati dermici. È stato dimostrato che la luce blu stimola il complesso IV della catena di trasporto degli elettroni e attiva anche le porfirine endogene, che possono essere utili per applicazioni antibatteriche.
• Luce verde (500 – 570 nm) : può penetrare dalle cellule dermiche e basali nelle cellule adipose.
• Luce rossa (620 – 750 nm) , con la lunghezza d'onda più lunga nello spettro visibile, può penetrare da 0,5 a 1 mm di profondità negli strati di cellule adipose. La luce rossa viene spesso scelta dall'estremità più corta di questo spettro (~ 620 nm-680 nm) per la stimolazione della citocromo c ossidasi.
• Luce nel vicino infrarosso (750 – 3.000 nm) può penetrare più in profondità e nei muscoli e nei tessuti fino a 2 mm prima di perdere il 37% di intensità. Il NIR viene spesso scelto dall'estremità più corta di questo spettro (~760 nm-820 nm) per la stimolazione della citocromo c ossidasi. Mentre il NIR comprende lunghezze d'onda fino a 3.000 nm, le lunghezze d'onda che si avvicinano e superano i 2.000 nm vengono assorbite dall'acqua nella pelle con conseguente riscaldamento cutaneo e potenziali sensazioni di bruciore nel derma.

Questa figura illustra la tendenza dei pigmenti della pelle e del sangue a bloccare la penetrazione delle lunghezze d'onda visibili. La luce infrarossa ha un passaggio relativamente libero; tuttavia, anche questo sarà limitato dall'assorbimento in acqua.

Il punto in cui viene diretta la luce può creare una variazione nell’assorbimento effettivo attraverso lo spettro elettromagnetico. La ricerca mostra che la luce transcranica nella lunghezza d’onda di 700-750 nm tende ad avere un impatto minimo sulle strutture cerebrali, mentre 600-690 nm o 760-900 nm hanno un impatto molto maggiore. La ricerca mostra che l’utilizzo di onde luminose a 830 nm consente all’11,7% della luce di penetrare nella regione occipitale, al 2,1% nella regione frontale e allo 0,9% nella regione temporale (Hennessy 2016).

Potenza e intensità

I dispositivi laser generalmente hanno una potenza e un'intensità maggiori rispetto ai dispositivi LED. La natura concentrata e coerente della luce laser consente una penetrazione più profonda nei tessuti e un trattamento potenzialmente più mirato. I dispositivi LED, sebbene meno potenti, possono comunque essere efficaci per trattamenti superficiali o aree di trattamento più ampie.

I lettori potrebbero aver notato che potenza, intensità, lunghezza d'onda e tipo di luce influenzano tutti la penetrazione nei tessuti. Questi sono solo alcuni dei fattori che influenzano l’efficacia del PBM a profondità specifiche. Un altro fattore che può influenzare la profondità di penetrazione è il metodo di erogazione della luce utilizzato. L'emissione di luce può essere classificata come onda pulsata (PW) o onda continua (CW).

Nota: sono in corso ulteriori ricerche per comprendere i parametri ottimali del polso e i loro effetti.

Il PBM a onde pulsate prevede l'erogazione di luce in modo pulsato, dove la luce viene accesa e spenta a intervalli specifici. I parametri dell'impulso possono includere la durata dell'impulso (la durata di tempo in cui la luce è accesa durante ciascun impulso), la frequenza dell'impulso (la velocità con cui gli impulsi vengono erogati al secondo) e il ciclo di lavoro (il rapporto tra la durata dell'impulso e il periodo totale dell'impulso). Pulse PBM consente un controllo preciso sui tempi e sulla durata dell'esposizione alla luce.

Il PBM a onda costante, noto anche come PBM a onda continua, prevede l'erogazione continua di luce senza pulsazioni o interruzioni. In PBM costante, la luce viene emessa continuamente durante tutta la sessione di trattamento.

Mentre gli standard dei parametri relativi a PW e CW sono ancora in fase di definizione, sembra che il PW possa essere vantaggioso per migliorare la penetrazione della luce nei tessuti più profondi.

In che modo l'interazione luce-tessuto influisce sul PBM: assorbimento, riflessione e dispersione

La PBM viene generalmente utilizzata come modalità di trattamento mirato in cui la luce deve essere focalizzata principalmente sul tessuto di interesse. I tessuti sono unici da persona a persona a causa delle differenze nel contenuto di sangue, contenuto di acqua, contenuto di collagene e sviluppo di fibre. Inoltre, il tono, le condizioni e lo spessore della pelle possono contribuire a una variabilità significativa nella risposta ottica. Ogni applicazione della PBM, dalle applicazioni superficiali, come la guarigione delle ferite e la gestione del dolore, fino agli obiettivi più profondi, è influenzata dalle proprietà dei tessuti intermedi. Comprendere come interagiscono la luce e i tessuti può svelare gli ostacoli.

Assorbimento

L'assorbimento avviene quando l'energia luminosa viene assorbita dalle cellule o dai tessuti con cui interagisce. Quando la luce viene assorbita, trasferisce la sua energia al materiale. L'assorbimento dei fotoni consente alla sorgente luminosa di creare un effetto terapeutico. Senza assorbimento, non vi sarebbe alcun trasferimento di energia al tessuto e il tessuto non sarebbe influenzato dalla luce. In definitiva, la terapia viene raggiunta quando l’area target assorbe la luce con la lunghezza d’onda e l’intensità corrette. Tuttavia, l’assorbimento è una caratteristica di tutti i tessuti, bersaglio o meno, quindi una parte significativa delle onde luminose viene assorbita dai tessuti incidentali e non raggiunge mai i tessuti bersaglio (Anders 2016). Un altro effetto collaterale indesiderato dell’assorbimento involontario si verifica quando la radiazione assorbita si converte inevitabilmente in calore nelle cellule.

Riflessione

La riflessione si verifica quando le onde luminose colpiscono un oggetto e rimbalzano sulla sua superficie. L'energia riflessa della luce non viene assorbita dalla materia interessata ma viene reindirizzata. La perdita riflettente della luce terapeutica è un problema particolare alle interfacce tra tessuto e aria perché la differenza nell'indice di rifrazione è particolarmente ampia. Di conseguenza, la variazione può portare alla riflessione e allo spreco di una parte significativa della luce. Naturalmente, queste perdite riflettenti diminuiranno l'efficienza del dispositivo PBM. I progettisti di dispositivi PBM devono considerare quali obiettivi non previsti potrebbero ricevere la luce riflessa, poiché ciò potrebbe interferire con i sensori o, in casi estremi, compromettere la vista.

Dispersione

La diffusione si verifica quando le onde luminose interagiscono con le particelle e vengono disperse in direzioni diverse. La diffusione avviene in seguito all'assorbimento totale e alla successiva riemissione delle onde luminose, mentre la riflessione avviene prima dell'assorbimento. La diffusione dei fotoni può fornire un feedback durante la terapia (Jacques et. al. 1987). L'osservazione di questo processo fornisce una panoramica diagnostica, poiché la dispersione dipende dall'ultrastruttura del tessuto e dalla presenza di particelle nella struttura. Diverse lunghezze d'onda della luce hanno diverse proprietà di diffusione quando attraversano i tessuti viventi (Jacques 1996).

La dispersione è un ostacolo sempre presente. Ad esempio, un dispositivo PBM potrebbe generare un raggio altamente collimato, ma questo raggio potrebbe iniziare a diffondersi immediatamente non appena entra nel tessuto biologico, trasformando il raggio stretto in una nuvola di fotoni a rapida diffusione. Sebbene ciò possa essere utile se il bersaglio è ragionevolmente grande e poco profondo, questo effetto è spesso una diluizione indesiderata della terapia.

Alcuni dispositivi utilizzano le onde pulsate come mezzo per superare le barriere biologiche e aumentare l’efficacia terapeutica. Sebbene non vi sia consenso generale sul fatto che l’onda pulsata sia migliore di un’onda continua, prove limitate suggeriscono che potrebbe essere così. L'energia delle onde pulsate è in genere meno stressante dal punto di vista termico per il tessuto irradiato e potenzialmente migliora la penetrazione nei tessuti profondi.

Stato attuale dei dispositivi PBM

Esistono oggi molti dispositivi PBMT sul mercato. Questi dispositivi servono principalmente per la guarigione delle ferite, la gestione del dolore e, più recentemente, per il trattamento della demenza e la prevenzione delle ulcere della bocca (mucosite orale) nei pazienti affetti da cancro. Sono disponibili anche dispositivi per la terapia con luce rossa, utilizzati per scopi cosmetici.

Berretto per terapia con luce rossa

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Pannello a luci rosse

Il pannello a luci rosse è un mezzo corpo ad alta potenza dispositivo per terapia della luce rossa e nel vicino infrarosso progettato per offrirti una terapia della luce conveniente ed efficace nel comfort di casa tua. Questo versatile dispositivo per metà corpo può essere utile per accelerare i tempi di recupero, ridurre le rughe, migliorare l'energia e l'umore, stimolare la produzione di collagene ed elastina e molto altro ancora! È dotato di LED a doppio chip che emettono luce rossa e nel vicino infrarosso a lunghezze d'onda della luce clinicamente testate. È modulare e compatibile con il supporto, il che significa che può essere collegato ad altri pannelli e fissato a uno dei nostri supporti mobili per creare allestimenti personalizzati per tutto il corpo!

Cuscinetto per terapia a luce rossa per la salute pelvica

Questo nuovo set di cuscinetti per terapia con luce rossa per la salute pelvica è progettato per la zona W (area pelvica dell'anca) e la zona Y (basso addome e bacino, in particolare l'area pubica).

Utilizza una sofisticata combinazione di tre terapie luminose: luce LED rossa (660 nm), vicino infrarosso (NIR) (850 nm) e lontano infrarosso (FIR) (1060 nm). Queste tre tecnologie sono progettate per alleviare una varietà di condizioni pelviche e creare un ambiente ottimale per la guarigione, la riparazione, il ringiovanimento e la rigenerazione.

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Dispositivo portatile per terapia con luce rossa

Dispositivo portatile per terapia a luce rossa YouLumi IRH-003 fornisce lunghezze d'onda che penetrano fino a 2 pollici in profondità nella pelle e aiutano a gestire piaghe e ulcere all'interno della bocca. La luce rossa del vicino infrarosso ha una lunghezza d'onda più lunga e penetra in profondità. La ricerca scientifica ha dimostrato che la luce con frequenze simili riduce il dolore e aiuta a gestire le epidemie.

Il futuro della fotobiomodulazione

Con l’aumento della ricerca condotta, il futuro della PBM sembra promettente.

L'aggiunta più recente al panorama della ricerca è stata la ricerca sull'uso transcranico della PBM nel trattamento di lesioni cerebrali traumatiche, disturbo depressivo maggiore, demenza, morbo di Alzheimer e altro ancora. Risultati incoraggianti negli studi sugli animali hanno portato a un aumento degli studi sull’uomo.

Studi sull’uomo che studiano la PBM per lesioni cerebrali traumatiche (TBI) mostrano che una corretta applicazione può migliorare lo stato mentale. Naeser et al. (2011) hanno mostrato un miglioramento cognitivo significativo nei pazienti con trauma cranico a un costo di trattamento ridotto. Un secondo studio condotto dallo stesso gruppo nel 2014 ha mostrato una migliore capacità di apprendimento correlata positivamente alla durata del trattamento. Altri studi (Nawashiro et al., 2012; Henderson e Morries, 2015) hanno riportato una diminuzione della depressione, dell’ansia, del mal di testa e dell’insonnia dopo il PBMT. Si teorizza che questa riduzione sia il risultato di un aumento del flusso sanguigno cerebrale regionale (Yang et. al. 2020).

Gli studi sull'uomo sul PBMT per la malattia di Alzheimer, la demenza e il disturbo depressivo maggiore mostrano vari risultati. Sebbene gli studi sugli animali siano promettenti, gli studi sull’uomo sono limitati a questo punto, con campioni di piccole dimensioni. L'uso efficace della PBM negli studi sugli animali incoraggia più studi sull'uomo, si spera con campioni di dimensioni più ampie e follow-up a lungo termine.

L’aumento degli studi sull’uomo consente ai ricercatori di comprendere meglio i parametri che influenzano l’uso terapeutico e gli ostacoli che ne impediscono un’efficace applicazione terapeutica. Questi parametri includono lunghezza d'onda, modalità operativa, densità di potenza e durata del trattamento. L'ostacolo più grande si presenta quando i parametri devono essere adattati alla struttura biologica di un individuo per massimizzare l'efficacia.

Considerati i considerevoli ostacoli presentati dalla fisica dell’interazione tra tessuto biologico e luce, si potrebbe essere tentati di pensare al corpo come al peggior nemico di se stessi quando si parla di terapia PBM. Tuttavia, man mano che si conoscono sempre più queste interazioni, i progettisti sono in grado di modificare i propri dispositivi medici per sfruttare nel modo più efficiente la luce che generano. Man mano che questi fattori diventano più compresi e standardizzati, la capacità del PBM di aumentare il flusso sanguigno cerebrale, migliorare il metabolismo cellulare e prevenire la neurodegenerazione negli studi sugli animali verrà trasferita agli studi sull’uomo e, infine, a un maggiore uso clinico.

L'innovazione per superare gli ostacoli biologici è evidente in aziende come Vielight, che hanno sviluppato tecnologie PBM che utilizzano "finestre" di trasmissione ottimali per la stimolazione transcranica nonché tecnologia a onde pulsate per stimolare onde cerebrali specifiche, o JustLight, il cui dispositivo Sunflower Rx fornisce un fattore di forma conveniente per applicazioni PBM mirate, nonché una combinazione personalizzata di lunghezze d'onda per un'erogazione di luce ottimale (Serwer 2022). Inoltre, Vielight sta cogliendo una frontiera ancora più nuova nella PBM transcranica terapia integrando il loro dispositivo con l'analisi cloud dei dati EEG degli utenti, chiudendo potenzialmente il ciclo tra dose e risposta. Vielight ha già mostrato effetti positivi preliminari sui pazienti affetti da Alzheimer e JustLight è attualmente impegnata in studi clinici focalizzati sull'Alzheimer (Vielight Research & Collaboration, nd).

Conclusione

In breve, la terapia di fotobiomodulazione (PBM) è un promettente trattamento medico non invasivo che utilizza luce a basso livello per stimolare la funzione cellulare e promuovere la riparazione dei tessuti. È stato dimostrato che la PBM ha una varietà di effetti terapeutici, tra cui la riduzione dell’infiammazione, l’accelerazione della guarigione delle ferite e il miglioramento del recupero muscolare. Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche per comprenderne appieno i potenziali benefici, gli studi suggeriscono che la PBM potrebbe avere applicazioni per varie condizioni mediche, tra cui dolore cronico, malattie neurodegenerative e disturbi della pelle.

Tuttavia, ci sono ancora alcune sfide da superare, come la mancanza di protocolli di trattamento standardizzati, le difficoltà nel determinare i parametri applicativi ottimali e la comprensione e l'identificazione della varietà della composizione biologica degli utenti e di come questa influenza l'efficacia della PBM. Con queste sfide affrontate nella ricerca e nella progettazione dei dispositivi, il futuro della PBM sembra luminoso e probabilmente continueremo a vedere nuove applicazioni e progressi in questo campo negli anni a venire.