Ljus-vävnadsinteraktion och PBMs nuvarande och framtida tillstånd

Fotobiomodulering (PBM) är en icke-invasiv, icke-termisk form av ljusterapi som använder icke-joniserande ljuskällor för att skapa terapeutiska effekter på cellnivå. Ljuskällor som används i PBM inkluderar lasrar och lysdioder i det synliga (400-700 nm) och infraröda (700-1100 nm) spektra. PBM producerar terapeutiska behandlingar (PBMT) i sjuka och skadade vävnader för att främja sårläkning och vävnadsregenerering, minska inflammation, lindra smärta och återställa den ursprungliga cellfunktionen.

PBM observerades först av Endre Mester vid Semmelweis Medical University i Ungern när en felaktig högeffektlaser, utformad för att förstöra onormala celler, istället avgav ett lågeffektljus. Mester observerade hur lågnivåljuset främjade läkning i ökad takt genom att stimulera hudceller och publicerade sina fynd 1967 (Gáspár, 2019). Under 2015 blev PBM och PBMT (fotobiomodulationsterapi) de erkända valvillkoren inom området, vilket standardiserade terminologin för terapin som ofta kallas lågnivålaser (eller ljus)terapi (LLLT), kalllaserterapi eller laserbiostimulering (Anders et al., 2015).

I den här artikeln kommer vi att fördjupa oss i grunderna för fotobiomodulering, utforska mekanismerna genom vilka ljus interagerar med celler och belysa de underliggande fotokemiska svaren. Vi kommer att belysa de pågående ansträngningarna för att optimera PBM-tekniker och utöka deras terapeutiska potential. Dessutom kommer vi att undersöka det nuvarande tillståndet för PBMT-enheter och hur framtiden ser ut för ljusterapi.

En introduktion till ljusterapi

PBM klassificeras som en icke-termisk form av ljusterapi. Icke-termiska ljusbehandlingar producerar inte betydande värme under proceduren. Istället fokuserar de på att utnyttja andra egenskaper hos ljus, såsom våglängder, för att uppnå önskade terapeutiska effekter. Även om PBM inte avsiktligt producerar värme (i motsats till fototermiska modaliteter), förblir värmegenerering möjlig i vissa miljöer. Om ljusintensiteten eller exponeringstiden inte kontrolleras på lämpligt sätt, kan överdriven värmeutveckling uppstå. Värmegenerering är ett relevant hinder för PBM, oavsett vilken våglängd som används.

PBM-processen involverar endogena kromoforer lokaliserade i cellernas mitokondrier vilket resulterar i fotokemiska förändringar. Fotokemiska förändringar är reaktioner eller processer som uppstår som ett resultat av absorption av ljusenergi och kan leda till förändringar på molekylär nivå (Anders, 2016).

Efter att ljuset har absorberats interagerar ljuset med cytokrom c-oxidas (komplex IV) i mitokondrierna i celler för att indirekt generera ATP (Energy-Carrying-Molecules), ROS (Reactive Oxygen Species) och NO (kväveoxid) via elektrontransportkedjan. ATP, ROS och NO påverkar alla faser av sårläkning (Lipko, 2021).

Ljusrelaterade överväganden

LED (Light-Emitting Diode) och laser (oftast i form av en laserdiod) är de två primära ljuskällorna som används för PBMT-enheter. Även om det finns en överlappning i tillämpning och attribut mellan LED och laser, finns det också några viktiga skillnader.

Ljuskälla

Lysdioder producerar en relativt monokromatisk ljuseffekt antingen genom val av enfärgade halvledarmaterial eller genom fosforomvandling. Lysdioders emissionsfördelningar är vanligtvis mycket diffusa och icke-kollimerade.

Laserdioder liknar till sin natur lysdioder men innehåller ytterligare resonansegenskaper, som säkerställer att emissionsfördelningen är snävare än för lysdioder (när det gäller våglängd, koherens och emissionsvinkel). Dessa egenskaper innebär att laserdioden i allmänhet är mer effektiv för att penetrera djupare vävnader för att behandla tillstånd under huden.

Kosta

Lysdioder är billiga och överallt, vilket gör dem till ett utmärkt alternativ för icke-specialiserade kliniker eller personliga enheter, särskilt de som fokuserar på behandlingar på ytnivå. Laserenheter, särskilt de med högre effekt och specifika våglängder, tenderar att vara dyrare.

Säkerhet

Det finns en omfattande och ökande mängd litteratur som indikerar att PBM är ett säkert och effektivt behandlingsalternativ när man följer de rekommenderade kliniska parametrarna (Bensadoun et al., 2020). Individer som tänker använda PBM bör diskutera det med en läkare.

Individer som är ljuskänsliga, har vaskulära eller immunologiska störningar, silikonförstärkt vävnad eller har genomgått kosmetisk kirurgi löper en högre risk för komplikationer relaterade till laserbaserad PBM (Khalkhal et al., 2020)

PBM-enheter som använder klass 3-lasrar (eller högre) kan orsaka ögonskador om de inte hanteras på rätt sätt. Rutinerna för dessa enheter bör innehålla instruktioner om hur man förhindrar ögonskador (Edge-Hughes, 2020).

Både LED- och laserenheter anses vara generellt säkra för klinisk användning och hemmabruk. PBM-användare kan minska risken för PBM-relaterade skador genom att följa de rätta procedurerna och genom att arbeta med en läkare.

Våglängd

LED-enheter erbjuder vanligtvis ett bredare spektrum av våglängder, vilket möjliggör flexibilitet vid inriktning på olika djup och vävnadstyper. Lasrar, å andra sidan, avger vanligtvis ljus inom ett smalt våglängdsområde.

Olika våglängder riktar sig mot distinkta biologiska vävnader och är viktiga för att bestämma penetrationsdjup.

• Blått ljus (440 – 500 nm) : kan penetrera hudlagren. Blått ljus har visat sig stimulera komplex IV i elektrontransportkedjan och även aktivera endogena porfyriner, vilket kan vara användbart för antibakteriella tillämpningar.
• Grönt ljus (500 – 570 nm) : kan penetrera hud- och bascellerna in i fettcellerna.
• Rött ljus (620 – 750 nm) , med den längsta våglängden på det synliga spektrumet, kan penetrera 0,5 till 1 mm djupt in i fettcellsskikten. Rött ljus väljs ofta från den kortare änden av detta spektrum (~620nm-680nm) för stimulering av cytokrom c-oxidas.
• Nära-infrarött ljus (750 – 3 000 nm) kan penetrera djupast och in i muskler och vävnader 2 mm innan den tappar 37 % intensitet. NIR väljs ofta från den kortare änden av detta spektrum (~760nm-820nm) för stimulering av cytokrom c-oxidas. Medan NIR omfattar våglängder upp till 3 000 nm, absorberas våglängder som närmar sig och över 2 000 nm av vatten i huden vilket resulterar i hudvärmning och potentiella brännande känsla i derma.

Denna figur illustrerar tendensen hos hudpigment och blod att blockera penetreringen av synliga våglängder. Infrarött ljus tillåts relativt fri passage; men även den kommer att begränsas av absorption i vatten.

Där ljuset riktas kan skapa en variation i den effektiva absorptionen över det elektromagnetiska spektrumet. Forskning visar att transkraniellt ljus i våglängden 700-750 nm tenderar att ha liten inverkan på hjärnans strukturer, medan 600-690 nm eller 760-900 nm har en mycket större inverkan. Forskning visar att användning av ljusvågor vid 830 nm tillåter 11,7 % av ljuset att penetrera den occipitala regionen, 2,1 % att penetrera den frontala regionen och 0,9 % att penetrera den temporala regionen (Hennessy 2016).

Kraft och intensitet

Laserenheter har generellt högre uteffekt och intensitet jämfört med LED-enheter. Den koncentrerade och sammanhängande naturen hos laserljus möjliggör djupare vävnadspenetration och potentiellt mer målinriktad behandling. LED-enheter, även om de är mindre kraftfulla, kan fortfarande vara effektiva för ytliga behandlingar eller större behandlingsområden.

Läsare kanske har lagt märke till att kraft, intensitet, våglängd och ljustyp alla påverkar vävnadspenetrationen. Detta är bara några av de faktorer som påverkar PBM-effektiviteten på specifika djup. En annan faktor som kan påverka inträngningsdjupet är den använda ljusavgivningsmetoden. Ljusleverans kan kategoriseras som pulsad våg (PW) eller kontinuerlig våg (CW).

Obs: Ytterligare forskning för att förstå de optimala pulsparametrarna och deras effekter pågår.

Pulsvåg PBM innebär leverans av ljus på ett pulserat sätt, där ljuset tänds och släcks med bestämda intervall. Pulsparametrar kan inkludera pulslängd (längden på tiden som ljuset är på under varje puls), pulsfrekvens (hastigheten med vilken pulser levereras per sekund) och arbetscykel (förhållandet mellan pulslängd och den totala pulsperioden). Pulse PBM möjliggör exakt kontroll över tidpunkten och varaktigheten av ljusexponeringen.

Konstant våg PBM, även känd som kontinuerlig våg PBM, innebär kontinuerlig leverans av ljus utan någon pulsering eller avbrott. Vid konstant PBM sänds ljuset ut kontinuerligt under hela behandlingstillfället.

Även om parameterstandarder för PW och CW fortfarande bestäms, verkar det som om PW kan vara fördelaktigt för att förbättra ljuspenetration i djupare vävnader.

Hur påverkar ljus-vävnadsinteraktion PBM: absorption, reflektion och spridning

PBM används vanligtvis som en riktad behandlingsmodalitet där ljuset måste fokuseras främst på vävnaden av intresse. Vävnader är unika från person till person på grund av skillnader i blodhalt, vattenhalt, kollagenhalt och fiberutveckling. Dessutom kan hudens ton, tillstånd och tjocklek bidra med betydande variation i optisk respons. Varje applicering av PBM, från ytapplikationer, som sårläkning och smärtbehandling, till djupare mål, påverkas av egenskaperna hos intervenerande vävnader. Att förstå hur ljus och vävnader interagerar kan avslöja hinder.

Absorption

Absorption uppstår när ljusenergi absorberas av cellerna eller vävnaden den interagerar med. När ljus absorberas överför det sin energi till materialet. Absorption av fotoner gör att ljuskällan kan skapa en terapeutisk effekt. Utan absorption skulle det inte finnas någon energiöverföring till vävnaden, och vävnaden skulle vara opåverkad av ljus. I slutändan uppnås terapi när målområdet absorberar ljus med rätt våglängd och intensitet. Absorption är dock en egenskap hos alla vävnader, mål eller inte, så en betydande del av ljusvågorna absorberas av tillfälliga vävnader och når faktiskt aldrig målvävnaderna (Anders 2016). En annan oönskad bieffekt av oavsiktlig absorption uppstår när den absorberade strålningen oundvikligen omvandlas till värme i cellerna.

Reflexion

Reflektion uppstår när ljusvågor träffar ett föremål och studsar från dess yta. Ljusets reflekterade energi absorberas inte av den avsedda materien utan omdirigeras. Reflekterande förlust av terapeutiskt ljus är ett särskilt problem vid gränsytan mellan vävnad och luft eftersom skillnaden i brytningsindex är särskilt stor. Som ett resultat kan variation leda till att en betydande del av ljuset reflekteras bort och går till spillo. Naturligtvis kommer dessa reflekterande förluster att minska effektiviteten hos PBM-anordningen. PBM-enhetsdesigners måste överväga vilka oavsiktliga mål som kan ta emot det reflekterade ljuset, eftersom detta kan störa sensorer eller, i extrema fall, påverka synen.

Spridning

Spridning uppstår när ljusvågor interagerar med partiklar och sprids i olika riktningar. Spridning sker vid total absorption och efterföljande återutsändning av ljusvågor, medan reflektion sker före absorption. Spridningen av fotoner kan ge feedback under terapin (Jacques et. al. 1987). Att observera denna process ger en diagnostisk översikt, eftersom spridningen beror på vävnadens ultrastruktur och närvaron av partiklar i strukturen. Olika våglängder av ljus har olika spridningsegenskaper när de passerar genom levande vävnader (Jacques 1996).

Spridning är ett ständigt närvarande hinder. Till exempel kan en PBM-enhet generera en starkt kollimerad stråle, men denna stråle kan börja spridas omedelbart när den kommer in i den biologiska vävnaden och förvandla den täta strålen till ett snabbt spridande moln av fotoner. Även om detta kan vara användbart om målet är någorlunda stort och ytligt, är denna effekt ofta en oönskad utspädning av behandlingen.

Vissa enheter använder pulsade vågor som ett sätt att övervinna biologiska barriärer och öka den terapeutiska effekten. Även om det inte finns någon allmän konsensus om att pulsad är bättre än en kontinuerlig våg, tyder begränsade bevis på att detta kan vara fallet. Pulsad vågenergi är vanligtvis mindre termiskt stressande för den bestrålade vävnaden och förbättrar potentiellt djupvävnadspenetration.

Nuvarande tillstånd för PBM-enheter

Det finns många PBMT-enheter på marknaden idag. Dessa anordningar är främst avsedda för sårläkning, smärtbehandling och, nu senast, för behandling av demens och förebyggande av munsår (munslemhinneinflammation) hos cancerpatienter. Rödljusterapiapparater, som används för kosmetiska ändamål, finns också tillgängliga.

Rödljusterapi mössa

Youlumis Red Light Therapy Cap ger kraftfull, prisvärd hårväxtbehandling med 180 medicinska dioder och 28W energi. Rekommenderad av läkare hjälper Youlumis infraröda hårväxthatt till att återställa tunnare hår på grund av genetik (androgenetisk alopeci). Vår nya flexibla design gör hårväxtbehandlingen bekvämare än någonsin.

Röd ljuspanel

Rödljuspanelen är en kraftfull halvkropp rött och nära infrarött ljusterapiapparat designad för att ge dig prisvärd, effektiv ljusterapi i bekvämligheten av ditt hem. Denna mångsidiga halvkroppsenhet kan vara användbar för att påskynda återhämtningstiden, minska rynkor, förbättra energi och humör, stimulera produktionen av kollagen och elastin och mycket mer! Den har dubbla chip-lysdioder som avger rött och nära infrarött ljus vid kliniskt bevisade ljusvåglängder. Det är modulärt och ställkompatibelt, vilket innebär att det kan anslutas till andra paneler och fästas på någon av våra mobila stativ för att skapa skräddarsydda, kompletta uppsättningar!

Bäckenhälsa Rödljusterapidyna

Denna nya bäckenhälsobehandling med rödljusterapi är designad för W-zonen (höftbäckenområdet) och Y-zonen (nedre buken och bäckenet, särskilt blygdområdet).

Den använder en sofistikerad kombination av tre ljusterapier: rött LED-ljus (660nm), nära infrarött (NIR) (850nm) och långt infrarött (FIR) (1060nm). Dessa tre teknologier är designade för att lindra en mängd olika bäckentillstånd och skapa en optimal miljö för läkning, reparation, föryngring och regenerering.

• Omfattande bäckens hälsa: för kvinnor med dysmenorré, förstoppning, hemorrojder, irritabel tarm, bäckeninflammation och andra problem.
• Mångsidighet: Även om denna dyna i första hand är avsedd för bäckens hälsa, gör dess portabilitet och flexibilitet att den kan användas på rygg, axlar, lår eller var som helst du behöver smärtlindring.

Handhållen enhet för rött ljusterapi

YouLumi Handheld Red Light Therapy Device IRH-003 levererar våglängder som penetrerar 2 tum djupt in i huden och hjälper till att hantera sår och sår inuti munnen. Nära-infrarött rött ljus har en längre våglängd och penetrerar djupt. Ljus med liknande frekvenser har i vetenskaplig forskning visat sig minska smärta och hjälpa till att hantera utbrott.

Framtiden för fotobiomodulering

Med en ökning av forskning som bedrivs ser framtiden för PBM lovande ut.

Det senaste tillägget till forskningslandskapet har varit forskningen om PBM:s transkraniella användning vid behandling av traumatisk hjärnskada, egentlig depression, demens, Alzheimers och mer. Uppmuntrande resultat i djurstudier har lett till ökade studier på människor.

Mänskliga studier som undersöker PBM för traumatisk hjärnskada (TBI) visar att korrekt applicering kan förbättra mental status. Naeser et al. (2011) visade signifikant kognitiv förbättring hos TBI-patienter till en reducerad behandlingskostnad. En andra studie av samma grupp 2014 visade förbättrad inlärningsförmåga som positivt korrelerade med behandlingens varaktighet. Andra studier (Nawashiro et al., 2012; Henderson och Morries, 2015) rapporterade minskad depression, ångest, huvudvärk och sömnlöshet efter PBMT. Det är teoretiskt att denna minskning är ett resultat av ökat regionalt cerebralt blodflöde (Yang et. al. 2020).

Mänskliga studier av PBMT för Alzheimers sjukdom, demens och egentlig depression visar olika resultat. Medan djurstudier visar lovande, är mänskliga studier begränsade vid denna tidpunkt, med små provstorlekar. PBM:s effektiva användning i djurförsök uppmuntrar till fler mänskliga studier, förhoppningsvis med större provstorlekar och långvarig uppföljning.

Ökade mänskliga studier gör det möjligt för forskare att bättre förstå parametrarna som påverkar terapeutisk användning och de hinder som förhindrar effektiv terapeutisk tillämpning. Dessa parametrar inkluderar våglängd, driftläge, effekttäthet och behandlingslängd. Det största hindret är när parametrar måste anpassas till en individs biologiska struktur för att maximera effektiviteten.

Med tanke på de avsevärda hinder som den biologiska vävnads-ljusinteraktionens fysik utgör, kan det vara frestande att tänka på kroppen som sin egen värsta fiende när det kommer till PBM-terapi. Men eftersom mer och mer blir känt om dessa interaktioner, kan designers justera sina medicinska apparater för att göra den mest effektiva användningen av ljuset de genererar. När dessa faktorer blir mer förstådda och standardiserade kommer PBM:s förmåga att öka cerebralt blodflöde, förbättra cellulär metabolism och förhindra neurodegeneration i djurförsök att överföras till studier på människor och, så småningom, ökad klinisk användning.

Innovation för att övervinna biologiska hinder är uppenbar i företag som Vielight, som har utvecklat PBM-teknologier som använder optimala transmissions-"fönster" för transkraniell stimulering såväl som pulserad vågteknik för att stimulera specifika hjärnvågor, eller JustLight, vars Sunflower Rx-enhet ger en bekväm formfaktor för riktad PBM-applikation såväl som en anpassad kombination av våglängds-20 ljusleverans. Dessutom griper Vielight en ännu nyare gräns inom transkraniell PBM terapi genom att integrera sin enhet med molnanalys av användarnas EEG-data, vilket potentiellt stänger slingan mellan dos och respons. Vielight har redan visat preliminära positiva effekter på Alzheimers patienter, och JustLight är för närvarande engagerad i Alzheimers fokuserade kliniska prövningar (Vielight Research & Collaboration, nd).

Slutsats

Kort sagt, fotobiomodulationsterapi (PBM) är en lovande icke-invasiv medicinsk behandling som använder lågnivåljus för att stimulera cellulär funktion och främja vävnadsreparation. PBM har visat sig ha en mängd olika terapeutiska effekter, inklusive att minska inflammation, påskynda sårläkning och förbättra muskelåterhämtning. Medan mer forskning behövs för att förstå dess potentiella fördelar fullt ut, tyder studier på att PBM kan ha tillämpningar för olika medicinska tillstånd, inklusive kronisk smärta, neurodegenerativa sjukdomar och hudsjukdomar.

Det finns dock fortfarande vissa utmaningar att övervinna, såsom bristen på standardiserade behandlingsprotokoll, svårigheter att bestämma optimala applikationsparametrar och att förstå och identifiera variationen i användarnas biologiska sammansättning och hur det påverkar effektiviteten av PBM. Med dessa utmaningar som tas upp inom forskning och enhetsdesign ser framtiden för PBM ljus ut, och vi kommer sannolikt att fortsätta se nya tillämpningar och framsteg inom detta område under de kommande åren.