Interakcia svetla a tkaniva a súčasný a budúci stav PBM

Fotobiomodulácia (PBM) je neinvazívna, netepelná forma svetelnej terapie, ktorá využíva neionizujúce svetelné zdroje na vytvorenie terapeutických účinkov na bunkovej úrovni. Svetelné zdroje používané v PBM zahŕňajú lasery a LED vo viditeľnom (400-700 nm) a infračervenom (700-1100 nm) spektre. PBM produkuje terapeutickú liečbu (PBMT) v chorých a poškodených tkanivách na podporu hojenia rán a regeneráciu tkaniva, znižuje zápal, zmierňuje bolesť a obnovuje pôvodnú funkciu buniek.

PBM prvýkrát pozoroval Endre Mester na Semmelweis Medical University v Maďarsku, keď chybný vysokovýkonný laser, určený na ničenie abnormálnych buniek, namiesto toho vyžaroval svetlo s nízkym výkonom. Mester pozoroval, ako svetlo nízkej úrovne podporuje hojenie vo zvýšenej miere stimuláciou kožných buniek a svoje zistenia publikoval v roku 1967 (Gáspár, 2019). V roku 2015 sa PBM a PBMT (fotobiomodulačná terapia) stali uznávanými termínmi v odbore, čím sa štandardizovala terminológia pre terapiu často označovanú ako nízkoúrovňová laserová (alebo svetelná) terapia (LLLT), terapia studeným laserom alebo laserová biostimulácia (Anders et al., 2015).

V tomto článku sa ponoríme do základov fotobiomodulácie, preskúmame mechanizmy, ktorými svetlo interaguje s bunkami, a objasníme základné fotochemické reakcie. Posvietime si na prebiehajúce snahy o optimalizáciu techník PBM a rozšírenie ich terapeutického potenciálu. Okrem toho preskúmame súčasný stav zariadení PBMT a budúcnosť svetelnej terapie.

Úvod do svetelnej terapie

PBM je klasifikovaná ako netepelná forma svetelnej terapie. Netepelné ošetrenie svetlom neprodukuje počas procedúry výrazné teplo. Namiesto toho sa zameriavajú na využitie iných charakteristík svetla, ako sú vlnové dĺžky, na dosiahnutie požadovaných terapeutických účinkov. Zatiaľ čo PBM zámerne neprodukuje teplo (na rozdiel od fototermálnych modalít), tvorba tepla je v určitých nastaveniach možná. Ak intenzita svetla alebo čas expozície nie sú primerane kontrolované, môže dôjsť k nadmernému vývinu tepla. Generovanie tepla je pre PBM relevantnou prekážkou bez ohľadu na to, aká vlnová dĺžka sa používa.

Proces PBM zahŕňa endogénne chromofóry umiestnené v mitochondriách buniek, čo vedie k fotochemickým zmenám. Fotochemické zmeny sú reakcie alebo procesy, ktoré sa vyskytujú v dôsledku absorpcie svetelnej energie a môžu viesť k zmenám na molekulárnej úrovni (Anders, 2016).

Po absorpcii svetla svetlo interaguje s cytochróm c oxidázou (komplex IV) v mitochondriách buniek a nepriamo generuje ATP (molekuly prenášajúce energiu), ROS (reaktívne druhy kyslíka) a NO (oxid dusnatý) prostredníctvom elektrónového transportného reťazca. ATP, ROS a NO ovplyvňujú všetky fázy hojenia rán (Lipko, 2021).

Úvahy týkajúce sa svetla

LED (Light-Emitting Diode) a laser (najčastejšie vo forme laserovej diódy) sú dva primárne zdroje svetla používané pre zariadenia PBMT. Aj keď existuje prekrývanie v aplikácii a vlastnostiach medzi LED a laserom, existuje aj niekoľko kľúčových rozdielov.

Svetelný zdroj

LED diódy produkujú relatívne monochromatický svetelný výstup buď výberom jednofarebných polovodičových materiálov alebo konverziou fosforu. Distribúcia emisií LED je zvyčajne veľmi difúzna a nekolimovaná.

Laserové diódy sú svojou povahou podobné LED diódam, ale obsahujú dodatočné rezonančné vlastnosti, ktoré zaisťujú, že distribúcia emisií je tesnejšia ako u LED diód (z hľadiska vlnovej dĺžky, koherencie a uhla vyžarovania). Tieto vlastnosti znamenajú, že laserová dióda je vo všeobecnosti účinnejšia pri prenikaní hlbších tkanív pri liečbe stavov pod kožou.

náklady

LED diódy sú lacné a všadeprítomné, čo z nich robí skvelú voľbu pre nešpecializované kliniky alebo osobné zariadenia, najmä tie, ktoré sa zameriavajú na povrchové úpravy. Laserové zariadenia, najmä tie s vyšším výkonom a špecifickými vlnovými dĺžkami, bývajú drahšie.

Bezpečnosť

Existuje množstvo literatúry, ktorá sa neustále rozširuje, ktorá naznačuje, že PBM je bezpečnou a účinnou možnosťou liečby pri dodržiavaní odporúčaných klinických parametrov (Bensadoun et al., 2020). Jednotlivci, ktorí majú v úmysle používať PBM, by to mali prediskutovať s lekárom.

Jednotlivci, ktorí sú fotosenzitívni, majú vaskulárne alebo imunologické poruchy, tkanivo vystužené silikónom alebo podstúpili kozmetickú operáciu, sú vystavení vyššiemu riziku komplikácií súvisiacich s laserovou PBM (Khalkhal et al., 2020)

Zariadenia PBM, ktoré používajú lasery triedy 3 (alebo vyššej), môžu pri nesprávnej manipulácii spôsobiť poškodenie zraku. Postupy pre tieto zariadenia by mali zahŕňať pokyny, ako zabrániť poškodeniu oka (Edge-Hughes, 2020).

LED aj laserové zariadenia sa považujú za všeobecne bezpečné pre klinické a domáce použitie. Používatelia PBM môžu znížiť riziko zranení súvisiacich s PBM dodržiavaním správnych postupov a spoluprácou s lekárom.

Vlnová dĺžka

Zariadenia LED zvyčajne ponúkajú širší rozsah vlnových dĺžok, čo umožňuje flexibilitu pri zacielení na rôzne hĺbky a typy tkanív. Na druhej strane lasery zvyčajne vyžarujú svetlo v úzkom rozsahu vlnových dĺžok.

Rôzne vlnové dĺžky sa zameriavajú na odlišné biologické tkanivá a sú dôležité pri určovaní hĺbky prieniku.

• Modré svetlo (440 – 500 nm) : môže preniknúť do dermálnych vrstiev. Ukázalo sa, že modré svetlo stimuluje komplex IV elektrónového transportného reťazca a tiež aktivuje endogénne porfyríny, ktoré môžu byť užitočné pre antibakteriálne aplikácie.
• Zelené svetlo (500 – 570 nm) : môže preniknúť do dermálnych a bazálnych buniek do tukových buniek.
• Červené svetlo (620 – 750 nm) , s najdlhšou vlnovou dĺžkou vo viditeľnom spektre, dokáže preniknúť 0,5 až 1 mm hlboko do vrstiev tukových buniek. Červené svetlo sa často vyberá z kratšieho konca tohto spektra (~620nm-680nm) na stimuláciu cytochróm c oxidázy.
• Blízke infračervené svetlo (750 – 3 000 nm) dokáže preniknúť najhlbšie a do svalov a tkanív 2 mm, kým stratí 37 % intenzity. NIR sa často vyberá z kratšieho konca tohto spektra (~760nm-820nm) na stimuláciu cytochróm c oxidázy. Zatiaľ čo NIR zahŕňa vlnové dĺžky do 3 000 nm, vlnové dĺžky blížiace sa a nad 2 000 nm sú absorbované vodou v koži, čo vedie k zahrievaniu pokožky a možným pocitom pálenia v koži.

Tento obrázok ilustruje tendenciu kožných pigmentov a krvi blokovať prienik viditeľných vlnových dĺžok. Infračervené svetlo má relatívne voľný priechod; aj to však bude obmedzené absorpciou vo vode.

Tam, kde je svetlo nasmerované, môže dôjsť k zmene efektívnej absorpcie v elektromagnetickom spektre. Výskum ukazuje, že transkraniálne svetlo vo vlnovej dĺžke 700-750 nm má tendenciu mať malý vplyv na mozgové štruktúry, zatiaľ čo 600-690 nm alebo 760-900 nm majú oveľa väčší vplyv. Výskum ukazuje, že použitie svetelných vĺn pri 830 nm umožňuje 11,7 % svetla preniknúť do okcipitálnej oblasti, 2,1 % preniknúť do prednej oblasti a 0,9 % preniknúť do temporálnej oblasti (Hennessy 2016).

Výkon a intenzita

Laserové zariadenia majú vo všeobecnosti vyšší výkon a intenzitu v porovnaní s LED zariadeniami. Koncentrovaný a koherentný charakter laserového svetla umožňuje hlbší prienik do tkaniva a potenciálne cielenejšiu liečbu. LED zariadenia, aj keď sú menej výkonné, môžu byť stále účinné pri povrchových ošetreniach alebo väčších ošetrovacích plochách.

Čitatelia si možno všimli, že sila, intenzita, vlnová dĺžka a typ svetla ovplyvňujú penetráciu tkanivami. Toto je len niekoľko faktorov, ktoré ovplyvňujú účinnosť PBM v konkrétnych hĺbkach. Ďalším faktorom, ktorý môže ovplyvniť hĺbku prieniku, je použitý spôsob dodávania svetla. Dodávanie svetla môže byť kategorizované ako pulzná vlna (PW) alebo kontinuálna vlna (CW).

Poznámka: Ďalší výskum na pochopenie optimálnych parametrov pulzu a ich účinkov pokračuje.

Pulzná vlna PBM zahŕňa dodávanie svetla pulzným spôsobom, kde sa svetlo zapína a vypína v špecifických intervaloch. Parametre impulzu môžu zahŕňať trvanie impulzu (čas, počas ktorého je svetlo zapnuté počas každého impulzu), frekvenciu impulzov (rýchlosť, ktorou sú impulzy dodávané za sekundu) a pracovný cyklus (pomer trvania impulzu k celkovej perióde impulzu). Pulzné PBM umožňuje presnú kontrolu nad načasovaním a trvaním svetelnej expozície.

PBM s konštantnou vlnou, tiež známy ako PBM s nepretržitou vlnou, zahŕňa nepretržité dodávanie svetla bez akejkoľvek pulzácie alebo prerušenia. Pri konštantnom PBM je svetlo vyžarované nepretržite počas celého ošetrenia.

Zatiaľ čo štandardy parametrov týkajúce sa PW a CW sa stále určujú, zdá sa, že PW môže byť výhodné na zlepšenie prenikania svetla do hlbších tkanív.

Ako interakcia svetla a tkaniva ovplyvňuje PBM: absorpcia, odraz a rozptyl

PBM sa zvyčajne používa ako cielená liečebná modalita, pri ktorej je potrebné zamerať svetlo predovšetkým na požadované tkanivo. Tkanivá sú jedinečné od človeka k človeku kvôli rozdielom v obsahu krvi, obsahu vody, obsahu kolagénu a vývoja vlákniny. Okrem toho tón, stav a hrúbka pokožky môžu prispieť k významnej variabilite optickej odozvy. Každá aplikácia PBM, od povrchových aplikácií, ako je hojenie rán a manažment bolesti, až po hlbšie ciele, je ovplyvnená vlastnosťami intervenujúcich tkanív. Pochopenie toho, ako svetlo a tkanivá interagujú, môže odhaliť prekážky.

Absorpcia

Absorpcia nastáva, keď je svetelná energia absorbovaná bunkami alebo tkanivom, s ktorým interaguje. Keď je svetlo absorbované, odovzdáva svoju energiu materiálu. Absorpcia fotónov umožňuje zdroju svetla vytvoriť terapeutický účinok. Bez absorpcie by nedošlo k prenosu energie do tkaniva a tkanivo by nebolo ovplyvnené svetlom. Nakoniec sa terapia dosiahne, keď cieľová oblasť absorbuje svetlo správnej vlnovej dĺžky a intenzity. Absorpcia je však charakteristická pre všetky tkanivá, cieľové alebo nie, takže významná časť svetelných vĺn je absorbovaná náhodnými tkanivami a nikdy sa v skutočnosti nedostane do cieľových tkanív (Anders 2016). Ďalší nežiaduci vedľajší efekt neúmyselnej absorpcie nastáva, keď sa absorbované žiarenie v bunkách nevyhnutne mení na teplo.

Reflexia

Odraz nastáva, keď svetelné vlny zasiahnu predmet a odrazia sa od jeho povrchu. Odrazená energia svetla nie je absorbovaná zamýšľanou hmotou, ale je presmerovaná. Reflexná strata terapeutického svetla je osobitným problémom na rozhraní tkaniva a vzduchu, pretože rozdiel v indexe lomu je obzvlášť veľký. V dôsledku toho môže zmena viesť k tomu, že sa značná časť svetla odrazí a premrhá. Tieto reflexné straty samozrejme znížia účinnosť zariadenia PBM. Dizajnéri zariadení PBM musia zvážiť, ktoré neúmyselné ciele by mohli dostať odrazené svetlo, pretože by to mohlo rušiť senzory alebo v extrémnych prípadoch ovplyvniť zrak.

Rozptyľovanie

Rozptyl nastáva, keď svetelné vlny interagujú s časticami a sú rozptýlené v rôznych smeroch. K rozptylu dochádza pri celkovej absorpcii a následnej reemisii svetelných vĺn, zatiaľ čo odraz nastáva pred absorpciou. Rozptyl fotónov môže poskytnúť spätnú väzbu počas terapie (Jacques et. al. 1987). Pozorovanie tohto procesu poskytuje diagnostický prehľad, pretože rozptyl závisí od ultraštruktúry tkaniva a prítomnosti častíc v štruktúre. Rôzne vlnové dĺžky svetla majú rôzne rozptylové vlastnosti pri prechode cez živé tkanivá (Jacques 1996).

Rozptyl je vždy prítomná prekážka. Napríklad zariadenie PBM môže generovať vysoko kolimovaný lúč, ale tento lúč sa môže začať rozptyľovať ihneď po vstupe do biologického tkaniva, čím sa tesný lúč zmení na rýchlo difúzny oblak fotónov. Aj keď to môže byť užitočné, ak je cieľ primerane veľký a plytký, tento účinok je často neželaným riedením terapie.

Niektoré zariadenia využívajú pulzné vlny ako prostriedok na prekonanie biologických bariér a zvýšenie terapeutickej účinnosti. Hoci neexistuje všeobecný konsenzus, že pulzovanie je lepšie ako nepretržitá vlna, obmedzené dôkazy naznačujú, že to tak môže byť. Energia pulzných vĺn je typicky menej tepelne zaťažujúca ožarované tkanivo a potenciálne zlepšuje hĺbkovú penetráciu tkaniva.

Aktuálny stav zariadení PBM

V súčasnosti je na trhu veľa zariadení PBMT. Tieto zariadenia sú primárne na hojenie rán, zvládanie bolesti a najnovšie aj na liečbu demencie a prevenciu vredov v ústach (orálna mukozitída) u pacientov s rakovinou. Dostupné sú aj prístroje na terapiu červeným svetlom, ktoré sa používajú na kozmetické účely.

Čiapka na terapiu červeným svetlom

Red Light Therapy Cap od Youlumi poskytuje výkonnú a cenovo dostupnú liečbu rastu vlasov so 180 diódami lekárskej kvality a 28 W energie. Infračervená čiapočka na rast vlasov od Youlumi odporúčaná lekármi pomáha obnoviť rednutie vlasov v dôsledku genetiky (androgenetická alopécia). Náš nový flexibilný dizajn robí ošetrenie rastu vlasov pohodlnejším ako kedykoľvek predtým.

Panel s červeným svetlom

Červený svetelný panel má vysoký výkon, polovičné telo navrhnuté zariadenie na terapiu červeným a blízkym infračerveným svetlom poskytnúť vám cenovo dostupnú, účinnú svetelnú terapiu v pohodlí vášho domova. Toto všestranné zariadenie do polovice tela môže byť užitočné na urýchlenie času zotavenia, redukciu vrások, zvýšenie energie a nálady, stimuláciu produkcie kolagénu a elastínu a oveľa viac! Je vybavený dvojitými čipovými LED diódami, ktoré vyžarujú červené a blízke infračervené svetlo pri klinicky overených vlnových dĺžkach svetla. Je modulárny a kompatibilný so stojanom, čo znamená, že ho možno pripojiť k iným panelom a pripevniť k jednému z našich mobilných stojanov, aby ste vytvorili prispôsobené zostavy celého tela!

Terapia podložka pre zdravie panvy červeným svetlom

Táto nová súprava podložiek na terapiu panvy červeným svetlom je navrhnutá pre zónu W (oblasť panvy bedra) a zónu Y (spodná časť brucha a panva, najmä oblasť ohanbia).

Využíva sofistikovanú kombináciu troch svetelných terapií: červené LED svetlo（660nm), blízke infračervené (NIR) (850nm) a vzdialené infračervené (FIR) (1060nm). Tieto tri technológie sú navrhnuté tak, aby zmierňovali rôzne stavy panvy a vytvorili optimálne prostredie pre hojenie, opravu, omladenie a regeneráciu.

• Komplexné zdravie panvy: pre ženy s dysmenoreou, zápchou, hemoroidmi, syndrómom dráždivého čreva, zápalovým ochorením panvy a inými problémami.
• Všestrannosť: Aj keď je táto podložka primárne určená pre zdravie panvy, jej prenosnosť a flexibilita umožňuje jej použitie na chrbte, ramenách, stehnách alebo kdekoľvek, kde potrebujete úľavu od bolesti.

Ručné zariadenie na terapiu červeným svetlom

Ručné zariadenie na terapiu červeným svetlom YouLumi IRH-003 dodáva vlnové dĺžky prenikajúce 2 palce hlboko do pokožky a pomáha zvládnuť vredy a vredy v ústach. Blízke infračervené svetlo má dlhšiu vlnovú dĺžku a preniká hlboko. Svetlo s podobnými frekvenciami vo vedeckom výskume preukázalo, že znižuje bolesť a pomáha zvládať ohniská.

Budúcnosť fotobiomodulácie

S rastúcim výskumom, ktorý sa uskutočňuje, budúcnosť PBM vyzerá sľubne.

Najnovším prírastkom do oblasti výskumu bol výskum transkraniálneho použitia PBM pri liečbe traumatického poranenia mozgu, veľkej depresívnej poruchy, demencie, Alzheimerovej choroby a ďalších. Povzbudivé výsledky v štúdiách na zvieratách viedli k zvýšeniu počtu štúdií na ľuďoch.

Štúdie na ľuďoch skúmajúce PBM na traumatické poškodenie mozgu (TBI) ukazujú, že správna aplikácia môže zlepšiť duševný stav. Naeser a kol. (2011) preukázali významné kognitívne zlepšenie u pacientov s TBI pri znížených nákladoch na liečbu. Druhá štúdia rovnakej skupiny v roku 2014 ukázala zlepšenú schopnosť učiť sa, ktorá pozitívne korelovala s dĺžkou liečby. Iné štúdie (Nawashiro et al., 2012; Henderson a Morries, 2015) zaznamenali zníženie depresie, úzkosti, bolesti hlavy a nespavosti po PBMT. Predpokladá sa, že toto zníženie je výsledkom zvýšeného regionálneho cerebrálneho prietoku krvi (Yang et. al. 2020).

Štúdie PBMT na ľuďoch pre Alzheimerovu chorobu, demenciu a veľkú depresívnu poruchu ukazujú rôzne výsledky. Zatiaľ čo štúdie na zvieratách sú sľubné, štúdie na ľuďoch sú v tomto bode obmedzené, s malými vzorkami. Efektívne použitie PBM pri pokusoch na zvieratách podporuje viac štúdií na ľuďoch, dúfajme, že s väčšími veľkosťami vzoriek a dlhodobým sledovaním.

Rozšírené štúdie na ľuďoch umožňujú výskumníkom lepšie pochopiť parametre, ktoré ovplyvňujú terapeutické použitie a prekážky, ktoré bránia účinnej terapeutickej aplikácii. Tieto parametre zahŕňajú vlnovú dĺžku, prevádzkový režim, hustotu výkonu a trvanie liečby. Najväčšou prekážkou je, keď parametre musia byť prispôsobené biologickej štruktúre jednotlivca, aby sa maximalizovala účinnosť.

Vzhľadom na značné prekážky, ktoré predstavuje fyzika interakcie biologického tkaniva a svetla, by mohlo byť lákavé považovať telo za svojho vlastného najhoršieho nepriateľa, pokiaľ ide o terapiu PBM. Ako sa však o týchto interakciách čoraz viac dozvie, dizajnéri sú schopní vylepšiť svoje lekárske zariadenia tak, aby čo najefektívnejšie využívali svetlo, ktoré generujú. Keď sa tieto faktory stanú viac pochopenými a štandardizovanými, schopnosť PBM zvýšiť cerebrálny prietok krvi, zvýšiť bunkový metabolizmus a zabrániť neurodegenerácii v pokusoch na zvieratách sa prenesie do štúdií na ľuďoch a nakoniec sa zvýši klinické využitie.

Inovácia na prekonanie biologických prekážok je evidentná v spoločnostiach ako Vielight, ktoré vyvinuli technológie PBM, ktoré využívajú optimálne prenosové „okná“ na transkraniálnu stimuláciu, ako aj technológiu pulzných vĺn na stimuláciu špecifických mozgových vĺn, alebo JustLight, ktorej zariadenie Sunflower Rx poskytuje vhodný tvarový faktor pre cielenú aplikáciu PBM, ako aj vlastnú kombináciu vlnových dĺžok pre optimálne dodávanie svetla (Serwer). Okrem toho sa Vielight chopí ešte novšej hranice v transkraniálnom PBM terapiu integráciou ich zariadenia s cloudovou analýzou údajov EEG používateľov, čo môže potenciálne uzavrieť slučku medzi dávkou a reakciou. Vielight už preukázal predbežné pozitívne účinky na pacientov s Alzheimerovou chorobou a JustLight sa v súčasnosti podieľa na klinických skúškach zameraných na Alzheimerovu chorobu (Vielight Research & Collaboration, nd).

Záver

Stručne povedané, fotobiomodulačná (PBM) terapia je sľubná neinvazívna medikamentózna liečba, ktorá využíva svetlo na nízkej úrovni na stimuláciu bunkovej funkcie a podporu opravy tkaniva. Ukázalo sa, že PBM má rôzne terapeutické účinky, vrátane zníženia zápalu, urýchlenia hojenia rán a zlepšenia regenerácie svalov. Aj keď je potrebný ďalší výskum na úplné pochopenie jeho potenciálnych výhod, štúdie naznačujú, že PBM môže mať uplatnenie pri rôznych zdravotných problémoch vrátane chronickej bolesti, neurodegeneratívnych ochorení a kožných porúch.

Stále však existuje niekoľko problémov, ktoré je potrebné prekonať, ako je nedostatok štandardizovaných liečebných protokolov, ťažkosti pri určovaní optimálnych parametrov aplikácie a pochopenie a identifikácia rozmanitosti biologického zloženia používateľov a toho, ako ovplyvňuje účinnosť PBM. S týmito výzvami, ktoré sa riešia vo výskume a dizajne zariadení, vyzerá budúcnosť PBM jasne a v nasledujúcich rokoch budeme pravdepodobne aj naďalej vidieť nové aplikácie a pokroky v tejto oblasti.