低能量激光療法的應(yīng)用和機(jī)制研究進(jìn)展

余進(jìn)海，徐柒華，吳瑋琪，廖洪斐*

(1.江西省眼科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330006； 2.南昌大學(xué)附屬眼科醫(yī)院 眼外傷、眼眶病科，南昌 330006)

早在上世紀(jì)六十年代，人類就發(fā)明了基于受激輻射光放大原理所產(chǎn)生的相干輻射光，并將它之稱為激光。根據(jù)工作物質(zhì)的不同激光可以分為不同種類，其在軍事、科技和醫(yī)療衛(wèi)生等不同領(lǐng)域都發(fā)揮了獨(dú)特的作用。激光在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，最早于1965年進(jìn)入眼科領(lǐng)域。其用于治療眼底視網(wǎng)膜病變、青光眼房水通路開(kāi)放、膜性白內(nèi)障、眼部腫瘤光動(dòng)力抑制、鼻腔淚囊吻合成形以及角膜屈光等方面顯示出不可或缺的作用。此后，鑒于激光燒灼、切割、汽化和凝固的特性，激光療法又在五官科、口腔科和外科治療中得到廣泛應(yīng)用。激光作為刺激源可在分子水平上調(diào)控核酸和蛋白質(zhì)的合成，改變各種信號(hào)傳導(dǎo)分子活性與功能[1]。低能量激光是將激光擴(kuò)束后使其能量密度降低至不會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生損傷的低能量密度激光[2]。隨著激光療法的廣泛應(yīng)用，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)低能量激光在減輕炎癥反應(yīng)、促進(jìn)傷口愈合、營(yíng)養(yǎng)神經(jīng)、保護(hù)肌肉和改善體型等方面有積極的療效。本文就低能量激光療法的應(yīng)用和機(jī)制研究進(jìn)展一介紹，以期深入了解低能激光激療法的光生物調(diào)節(jié)作用機(jī)理，為進(jìn)一步提高療效和拓寬應(yīng)用范圍提供思路。

1 減輕炎癥反應(yīng)

低能量激光療法(low level laser therapy, LLLT)具有抗炎作用，已應(yīng)用于治療各種類型的炎癥反應(yīng)。它可以明顯改善口腔粘膜潰瘍引起的炎癥反應(yīng)[3]。此外，有報(bào)道運(yùn)用能量密度為8 J/cm2，波長(zhǎng)為660 nm的鎵-鋁-砷化物(GaAlAs)激光來(lái)治療牙周炎也可獲得很好的療效[4]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，激光照射牙周炎部位能抑制牙周膜細(xì)胞內(nèi)腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、IL-6和IL-8表達(dá)并上調(diào)細(xì)胞內(nèi)環(huán)腺苷一磷酸(cAMP)的濃度[4]。雙熒光素酶報(bào)告基因檢測(cè)顯示激光處理后細(xì)胞內(nèi)核因子-κB(NF-κB)轉(zhuǎn)錄活性提高[4]。這些結(jié)果提示cAMP/NF-κB信號(hào)通路參與了LLLT減輕炎癥反應(yīng)的調(diào)控過(guò)程[4]。有趣的是，研究人員用牙齦卟啉單胞菌脂多糖誘導(dǎo)牙齦成纖維細(xì)胞來(lái)構(gòu)建牙周炎的體外模型，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)經(jīng)誘導(dǎo)的細(xì)胞中前列腺素E-2(PGE-2))和環(huán)氧合酶-2(COX-2)蛋白表達(dá)增加，當(dāng)運(yùn)用635 nm的激光照射后可以顯著抑制這兩種炎癥因子表達(dá)[5]。由此可見(jiàn)，LLLT抗炎機(jī)制主要是通過(guò)激活相關(guān)信號(hào)通路來(lái)下調(diào)炎癥因子表達(dá)，從而減輕炎癥反應(yīng)。

另一方面，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)當(dāng)用低能量激光針灸足三里穴時(shí)可以減輕由緩激肽、組胺和PGE-2引起的小鼠足爪炎性水腫。深入研究顯示，低能量激光針炙能降低小鼠肢體水腫模型中的活性氧(ROS)和脂質(zhì)氫過(guò)氧化物(LOOH)水平[6]。該研究暗示LLLT也能夠通過(guò)抑制氧化應(yīng)激效應(yīng)來(lái)改善炎癥反應(yīng)。炎癥反應(yīng)不僅能導(dǎo)致疼痛、水腫還能夠誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡。LLLT抗炎機(jī)制中也存在著對(duì)促凋亡和抗凋亡蛋白平衡的調(diào)控作用[7]。研究人員用LLLT處理被誘導(dǎo)凋亡的人內(nèi)皮細(xì)胞時(shí)，發(fā)現(xiàn)凋亡相關(guān)蛋白顯著下調(diào)[8]。這項(xiàng)研究表明LLLT在抵抗細(xì)胞凋亡的過(guò)程中也能扮演重要角色?？偠灾?，LLLT在減輕炎癥反應(yīng)過(guò)程中有良好的表現(xiàn)得益于其在炎癥因子表達(dá)、氧化應(yīng)激效應(yīng)和抗細(xì)胞凋亡等方面的調(diào)控作用。

2 促進(jìn)傷口愈合

影響傷口愈合的因素包括炎癥因子表達(dá)、細(xì)胞增殖活性以及毛細(xì)血管量等諸多方面[9]。研究人員發(fā)現(xiàn)LLLT能夠顯著提高糖尿病大鼠背部切口的張力和切口愈合的速度[10]。一般來(lái)說(shuō)，成纖維細(xì)胞在傷口愈合過(guò)程中扮演了重要角色。Solmaz等[11]將小鼠成纖維細(xì)胞用波長(zhǎng)為635 nm的低能量激光照射后，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞增殖活性顯著增加。體內(nèi)試驗(yàn)也表明切口處機(jī)械拉伸強(qiáng)度較對(duì)照組明顯提升。最近，有學(xué)者檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該細(xì)胞在接受波長(zhǎng)為660 nm的LLLT處理時(shí)細(xì)胞內(nèi)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)基因表達(dá)顯著增加，而IL-6基因則顯著下調(diào)[12]。由此看來(lái)，LLLT在減輕炎癥反應(yīng)過(guò)程中便具有促進(jìn)傷口愈合作用，而其在促進(jìn)細(xì)胞增殖和血管增生方面的作用則可進(jìn)一步加速組織損傷的修復(fù)。

2.1 促增殖

研究發(fā)現(xiàn)CO2激光照射皮膚成纖維細(xì)胞后可使細(xì)胞發(fā)生增殖和遷移，蛋白印跡顯示CO2激光的LLLT可以顯著提高絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(Akt)、ERK和應(yīng)激活化蛋白激酶(JNK)蛋白表達(dá)。提示在細(xì)胞增殖和遷移過(guò)程中用Akt、ERK和JNK等信號(hào)通路參與其中[13]。此外，有報(bào)道Er:YAG激光的LLLT能夠促進(jìn)牙齦成纖維細(xì)胞增殖，質(zhì)譜分析顯示半乳糖凝集素-7蛋白表達(dá)顯著增加[14]。從這些研究來(lái)看，LLLT在使細(xì)胞增殖過(guò)程中，往往伴隨相關(guān)信號(hào)分子參與介導(dǎo)和調(diào)控。除了成纖維細(xì)胞外，也有報(bào)道LLLT可通過(guò)上調(diào)細(xì)胞周期蛋白從而使肌腱細(xì)胞發(fā)生增殖[15]。另外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)LLLT還可以增加處于細(xì)胞增殖中DNA復(fù)制期成骨細(xì)胞的含量。同時(shí)，Hedgehog信號(hào)傳導(dǎo)分子的基因和蛋白均呈高水平表達(dá)，而運(yùn)用其抑制劑作用細(xì)胞時(shí)，可使細(xì)胞增殖活性顯著下降[16]?？傊?，LLLT對(duì)多種細(xì)胞類型都具有促進(jìn)增殖作用，在此過(guò)程中存在多種信號(hào)通路參與調(diào)控。這種促進(jìn)細(xì)胞增殖的作用或許可以在機(jī)體不同類型器官和組織損傷時(shí)都能起到很好的修復(fù)作用。

2.2 內(nèi)皮細(xì)胞遷移和血管形成

內(nèi)皮細(xì)胞遷移和新血管形成是傷口愈合的關(guān)鍵步驟。有研究表明He-Ne激光的LLLT作用于人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞(HUVEC)時(shí)，可激活磷脂酰肌醇3-激酶 / Akt(PI3K / Akt)信號(hào)通路使內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮合酶(eNOS)蛋白表達(dá)增強(qiáng)，進(jìn)一步提高細(xì)胞增殖和遷移的活性[17]。與之類似地，此激光的LLLT也可增加人表皮細(xì)胞的ERK磷酸化水平，進(jìn)而促進(jìn)表皮細(xì)胞增殖和遷移[18]。有報(bào)道LLLT可通過(guò)激活哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑來(lái)促使口腔上皮細(xì)胞遷移，從而加速口腔粘膜的愈合速度[19]。這些研究顯示，LLLT能夠通過(guò)激活多種信號(hào)通路來(lái)促進(jìn)細(xì)胞遷移。另一方面，有研究發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)為800 nm的半導(dǎo)體激光在LLLT中可通過(guò)NF-κB通路參與基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)基因轉(zhuǎn)錄進(jìn)而增加膠原蛋白合成[20]。一般來(lái)說(shuō)，膠原蛋白可以改善傷口愈合并減少疤痕的產(chǎn)生。此外，有報(bào)道MMP在表皮中高表達(dá)可促使表皮血管的生成數(shù)量增加并且LLLT本身也可以使傷口的血管數(shù)量顯著提高[21]。從這些研究來(lái)看，LLLT促細(xì)胞增殖、遷移和血管形成的作用過(guò)程涉及多條信號(hào)通路的參與。這些信號(hào)通路的相互聯(lián)系也使細(xì)胞增殖、遷移和血管形成的作用呈現(xiàn)出相輔相成的狀態(tài)。

3 營(yíng)養(yǎng)神經(jīng)

Abdel等[22]通過(guò)水迷宮測(cè)試發(fā)現(xiàn)LLLT可以改善糖尿病大鼠周?chē)窠?jīng)病變的空間記憶。這似乎暗示LLLT對(duì)影響記憶的神經(jīng)元細(xì)胞具有一定的修復(fù)或營(yíng)養(yǎng)作用。此外，有研究表明LLLT能夠減少絕望測(cè)試中抑郁小鼠模型的持續(xù)靜止時(shí)間從而改善抑郁樣行為，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，LLLT可導(dǎo)致抑郁小鼠的前額皮質(zhì)中ATP和線粒體復(fù)合體表達(dá)水平顯著上升[23]。這個(gè)研究說(shuō)明LLLT能夠增加特定區(qū)域神經(jīng)元的能量供應(yīng)。腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(Bdnf)在神經(jīng)元分化過(guò)程中起重要作用。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)LLLT可誘導(dǎo)背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(DRGNs)中Bdnf的mRNA轉(zhuǎn)錄。在此過(guò)程中cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)磷酸化和ERK磷酸化水平顯著升高[24]。cAMP主要是由機(jī)體能源物質(zhì)三磷酸腺苷(ATP)脫掉兩個(gè)磷酸縮合而成。因此，從這些研究來(lái)看LLLT對(duì)神經(jīng)元的營(yíng)養(yǎng)作用與其改善神經(jīng)元細(xì)胞能量代謝密切相關(guān)。

神經(jīng)損傷常導(dǎo)致機(jī)體對(duì)疼痛敏感性增加，LLLT不僅對(duì)神經(jīng)有營(yíng)養(yǎng)作用還能減輕機(jī)體對(duì)疼痛的敏感性。Hagiwara等[25]檢測(cè)到經(jīng)過(guò)LLLT預(yù)處理的血液中β-內(nèi)啡肽表達(dá)量明顯升高。β-內(nèi)啡肽具有較好的疼痛緩解作用，屬于一種外周內(nèi)源性阿片類鎮(zhèn)痛模式[26]。此種阿片類物質(zhì)分泌量主要取決于LLLT的能量密度、波長(zhǎng)和作用時(shí)間等多種因素[27]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)緊張性頭痛患者經(jīng)LLLT可獲得臨床上緩解，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)LLLT可降低照射區(qū)域血液流速并能夠顯著升高血液中血清素(5-HT)的水平[28]。此外，有報(bào)道LLLT可有效抑制損傷組織處炎性蛋白的表達(dá)從而降低機(jī)體對(duì)疼痛的敏感性[29]。總的來(lái)看，LLLT對(duì)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)和鎮(zhèn)痛的作用使其在疾病康復(fù)治療具有較大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展空間。

4 保護(hù)肌肉

LLLT在緩解肌肉疲勞方面具有一定療效。研究人員通過(guò)對(duì)自行車(chē)運(yùn)動(dòng)員體能耗盡的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用LLLT照射大腿肌肉的運(yùn)動(dòng)員可以顯著增加體能耗盡所需要的時(shí)間[30]。這個(gè)研究表明LLLT可以抵抗肌肉疲勞。有報(bào)道經(jīng)LLLT照射大腿肌肉時(shí)可以在不影響肌肉纖維傳導(dǎo)速度的情況下，降低肌肉肌電圖信號(hào)的整體幅度[31]。暗示LLLT抗疲勞的作用機(jī)制可能來(lái)源于LLLT對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)的調(diào)節(jié)。此外，F(xiàn)erraresi等[32]觀察到經(jīng)LLLT照射后的肌肉中，肌肉生長(zhǎng)抑制素表達(dá)下調(diào)。說(shuō)明LLLT照射肌肉后還具有防止肌肉萎縮的功效。與之類似的，有學(xué)者將LLLT用于處理老年性肌營(yíng)養(yǎng)不良小鼠模型，發(fā)現(xiàn)LLLT可呈能量依賴性調(diào)節(jié)小鼠中肌營(yíng)養(yǎng)不良的基因和蛋白表達(dá)，從而改善模型小鼠的肌肉形態(tài)和功能[33]。從這些研究來(lái)看，LLLT能夠改善肌肉多方面的性能。

有研究發(fā)現(xiàn)LLLT能夠通過(guò)調(diào)節(jié)肌肉細(xì)胞中肌管線粒體的膜電位并促進(jìn)ATP增加進(jìn)而提高肌肉的運(yùn)動(dòng)能力[34]。有學(xué)者進(jìn)行了LLLT照射對(duì)運(yùn)動(dòng)影響的隨機(jī)雙盲交叉試驗(yàn)，通過(guò)等速測(cè)力計(jì)換算出肌肉的肌電疲勞指數(shù)，結(jié)果顯示LLLT處理后可顯著提高肌肉抗疲勞能力[35]。研究人員還發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)前后LLLT照射可使血液中乳酸和肌酸激酶的水平顯著降低[36]。這似乎也可以解釋LLLT具有緩解肌肉疲勞作用的原因。此外，運(yùn)動(dòng)后的骨骼肌處于疲勞狀態(tài)，可導(dǎo)致ROS、超氧陰離子和超氧化物歧化酶(SOD)等氧化應(yīng)激的指標(biāo)活性增加進(jìn)而引起肌肉損傷[37]。而LLLT可提高細(xì)胞色素C氧化酶活性，使骨骼肌在疲勞中損傷更小[38]。LLLT通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞因子表達(dá)、降低代謝產(chǎn)物水平和改善氧化應(yīng)激損傷等作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)肌肉細(xì)胞的保護(hù)。

5 改善體型

研究人員對(duì)40名健康受試者腹部進(jìn)行LLLT照射來(lái)觀察體型改變的情況，4周后發(fā)現(xiàn)LLLT組的腰圍平均減少2.15 cm，盲法評(píng)價(jià)治療前后的照片顯示有美觀改善。而體外試驗(yàn)表明LLLT照射脂肪細(xì)胞后可釋放甘油三酯從而使脂肪細(xì)胞含量減少[39]。然而，Jankowski等[40]研究表明，LLLT照射后未發(fā)現(xiàn)腹部皮下脂肪的減少有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這兩項(xiàng)研究中LLLT的波長(zhǎng)和能量密度沒(méi)有明顯差異，后者治療周期較短，或許后者是由于能量累積不足而未能達(dá)到明顯療效。另一方面，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)LLLT照射后能夠顯著提高體內(nèi)脂聯(lián)素濃度，使得LLLT照射聯(lián)合體育鍛煉比單獨(dú)體育鍛煉更能改善體重指數(shù)[41]。最近，研究人員觀察了49名肥胖受試者進(jìn)行LLLT聯(lián)合體育鍛煉對(duì)體內(nèi)脂肪組織轉(zhuǎn)分化生物標(biāo)志物的影響，結(jié)果顯示在運(yùn)動(dòng)后進(jìn)行LLLT照射可使胰島素、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子和心房利鈉肽水平發(fā)生較大幅度變化，并能顯著上調(diào)分泌型糖蛋白(WNT)信號(hào)傳導(dǎo)分子表達(dá)[42]。該研究暗示W(wǎng)NT信號(hào)通路參與了LLLT介導(dǎo)的體內(nèi)脂肪褐變過(guò)程?？偟膩?lái)說(shuō)，LLLT可通過(guò)影響脂肪細(xì)胞代謝從而達(dá)到改變體型的作用。但LLLT的激光類型、波長(zhǎng)、能量密度和作用時(shí)間等相關(guān)參數(shù)以及是否存在相關(guān)副作用還需要更多的研究來(lái)摸索。

6 結(jié)論

LLLT在減輕炎癥反應(yīng)和促進(jìn)傷口愈合的作用過(guò)程中涉及多條信號(hào)通路介導(dǎo)對(duì)炎癥因子表達(dá)、氧化應(yīng)激效應(yīng)和抗細(xì)胞凋亡的調(diào)控。這些信號(hào)通路的相互聯(lián)系使得細(xì)胞在增殖、遷移和血管形成的作用也呈現(xiàn)出相互促進(jìn)的狀態(tài)。而這些相互聯(lián)系通路之間的樞紐蛋白分子或許是今后的研究熱點(diǎn)。LLLT通過(guò)改善神經(jīng)元細(xì)胞的能量代謝和促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)的分泌實(shí)現(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)神經(jīng)和緩解疼痛的作用。其對(duì)肌肉的保護(hù)主要體現(xiàn)在對(duì)抗肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的氧化應(yīng)激損傷。而對(duì)體型的改變作用主要通過(guò)影響脂肪細(xì)胞代謝來(lái)實(shí)現(xiàn)。LLLT的這些作用具有應(yīng)用到其它疾病治療的巨大潛力[43-44]，但還需要對(duì)激光的類型、能量密度、波長(zhǎng)、作用時(shí)間和作用部位與療效的關(guān)系進(jìn)行深入研究。