可見光LED的皮膚光療應用綜述

戴惟李福生韓秋漪張善端復旦大學電光源研究所 (上海200433)

陳力復旦大學附屬華山醫(yī)院皮膚科 (上海200041)

0 引言

皮膚光療是指利用光線的輻射治療皮膚類疾病或進行美容的物理治療技術，其種類包括可見光、紅外線、紫外線、光化學療法、激光療法等。文章主要介紹可見光在皮膚光療中的作用機制、應用領域以及照射模式。近代可見光被用于皮膚領域治療的研究始于20世紀60年代，近幾年隨著光源的生物效應逐漸受到重視，可見光已經(jīng)廣泛被用于治療光老化、炎癥、傷口愈合、日曬傷、痤瘡等多種疾病。LED光源憑借其低功率、易集成、安全有效、波長范圍較廣的優(yōu)點，在皮膚光療領域的應用越來越普遍。

1 皮膚光療的作用機制

人體皮膚由表皮層、真皮層和皮下組織構成。表皮層含有角質(zhì)形成細胞、黑素細胞、朗格漢斯細胞和麥克爾細胞，其中：角質(zhì)形成細胞占表皮細胞的80%以上，參與表皮分化、角化等作用；黑素細胞占表皮細胞的10%左右，起到遮擋和反射紫外線的作用；朗格漢斯細胞占表皮細胞的3%～5%，為免疫活性細胞；麥克爾細胞則具有非神經(jīng)末梢介導的感覺作用。真皮層主要由纖維和基質(zhì)構成，常駐細胞包括成纖維細胞和肥大細胞，成纖維細胞在傷口愈合和皮膚再生中起到重要作用，其他細胞如巨噬細胞、真皮樹狀細胞等也或多或少地存在于真皮層[1]。

細胞光生物效應的機制涉及分子、細胞和組織水平的作用，其機制尚未完全明確。當前研究普遍認為，光主要作用于皮膚細胞中的發(fā)色團，其吸收光療裝置發(fā)出的光能并將轉(zhuǎn)化為熱能和化學能，激活線粒體呼吸鏈組分，從而導致一系列細胞反應。發(fā)色團是指賦予化合物顏色的分子，人體中的發(fā)色團主要包括血紅蛋白、肌紅蛋白、細胞色素、黃素、黃素蛋白和卟啉等。皮膚組織中常見的目標發(fā)色團是含有鐵和銅的細胞色素C氧化酶(CCO)，位于線粒體呼吸鏈中[2-4]。德國生物化學家奧托沃伯格研究發(fā)現(xiàn)，細胞色素氧化酶是負責細胞呼吸關鍵步驟的酶，并控制了該過程最終的化學反應，以此獲得了1931年的諾貝爾獎。

除一氧化碳 (CO)外，一氧化氮 (NO)也通常會取代氧與細胞色素氧化酶結合，進而阻礙細胞呼吸[5]。當細胞呼吸被阻斷時，會產(chǎn)生自由基或活性氧 (ROS)形式的化學信號，過量時會導致細胞凋亡[6]。Lane等認為，光照會促進一氧化氮 (NO)從細胞色素C氧化酶 (CCO)中解離，使得氧再次與其結合并增強呼吸鏈活性[7]、增強酶活性[8]、影響電子傳遞[9]并促進線粒體呼吸和三磷酸腺苷 (ATP)的生成[10-13]。此外，通過對活性氧物質(zhì) (如單態(tài)氧物質(zhì))的調(diào)節(jié)，光照將進一步改變細胞的氧化還原狀態(tài)，誘導細胞內(nèi)多種信號傳導途徑的激活，改變與細胞增殖、存活、組織修復和再生相關的轉(zhuǎn)錄因子水平[13]。

相對于高功率激光而言，雖然低水平光療法(LLLT)在近年來應用快速普及，但在某些方面仍存在不確定性。一是入射在細胞上的光子信號轉(zhuǎn)換成輻射組織中發(fā)生的生物效應的分子機制尚未完全明確；二是在臨床應用中，劑量和參數(shù)方面的選擇存在著大量的不確定性，包括：波長、輻照度或功率密度、脈沖結構、相干性、極化、照射時間、接觸與非接觸應用等。已有研究表明，細胞對于光劑量的反應有雙相效應，即過小的功率密度或時間對于細胞沒有影響，過大的功率密度或時間可能具有抑制作用，可能存在功率密度和時間的最佳平衡值，且不同的波長、組織類型、氧化還原狀態(tài)下的絕對數(shù)值會有所不同，并受到不同脈沖參數(shù)的影響[14]。

2 皮膚光療的應用領域

文章關注的光療領域以可見光為主，目前用于治療的可見光主要包括紅光、藍光及藍紫光等。紅光對組織的穿透能力較強，具有促進組織再生、傷口愈合、受損神經(jīng)再生及促進毛發(fā)生長等作用，臨床應用范圍較廣。藍光主要用于治療中度痤瘡，此外還可用于治療急性濕疹、急性皮炎、灼性神經(jīng)痛、三叉神經(jīng)痛及皮膚感覺過敏等。藍紫光可用于治療核黃疸[15]。以下對皮膚光療的幾個主要應用領域做闡述，Barolet[16]、田燕[17-18]、任捷[19]等此前對皮膚光療的應用作過綜述，主要總結了可見光在皮膚老化、炎癥、痤瘡、傷口愈合等領域的應用，但在光源參數(shù)、應用原理等領域的總結仍待完善。同時，重點關注了黃光在抑制黑素生成領域的新應用。

2.1 皮膚老化

皮膚老化通常是由于膠原合成減少，伴隨基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)表達升高，尤其是MMP-1和MMP-2的表達升高。因此延緩老化的途徑之一是誘導新的膠原合成并減少MMP的產(chǎn)生。與強脈沖光相比，LED是非熱能、非剝脫性光源，目前已被證明對改善皺紋和皮膚松弛有效。皮膚老化治療所用的光源波長范圍在630～850 nm，以630～660 nm為主，光源劑量視所照射部位不同而有所不同，脈沖和連續(xù)光模式均有應用。

Abergel[20]和Yu[21]等研究中分別對體外和體內(nèi)動物模型進行LLLT光療，結果顯示光照后前膠原蛋白、膠原蛋白、堿性成纖維細胞生長因子 (bFGF)和成纖維細胞增殖水平均有增長。Barolet等[22]建立了人體皮膚三維模型研究660 nm，50 mW/cm2，4 J/cm2LED調(diào)節(jié)膠原和MMP-1水平的能力，結果顯示膠原蛋白含量上調(diào)，MMP-1表達下調(diào)。此外，LLLT還能夠增加皮膚血管微循環(huán)、影響血小板衍生生長因子(PDGF)和轉(zhuǎn)化生長因子 (TGF-1)的生成并抑制細胞凋亡[13]。Baez等[23]對13例光老化患者進行635nm(126 J/cm2)和830 nm (66 J/cm2)LED聯(lián)合治療共9次，治療后12周，觀察眶周和鼻唇處的皮膚，結果顯示91%患者膚質(zhì)改善，82%患者治療趨于皮膚更加光滑。Weiss等[24]對90例患者應用590 nm(0.1 J/cm2)脈沖式LED進行每周2次為期8周的治療，結果顯示90%患者膚質(zhì)改善，眶周皺紋減少，皮膚紅斑、色素明顯減輕。

2.2 炎癥

炎癥可能是由于身體的防御機制產(chǎn)生的酶對陽光或化學物質(zhì)等創(chuàng)傷產(chǎn)生氧化反應的結果。Lim等[25]研究表明低強度激光和LED光源通過抑制PEG-2的合成生起到抗炎作用。減輕炎癥反應所用光源波長在560～660 nm，使用劑量從0.1～17 J/cm2不等，連續(xù)和脈沖模式均有應用。

Alster等[26]對20例患者進行全臉1 550 nm摻鉺光纖激光換膚治療，治療后部分面部區(qū)域立即給予590 nm LED (0.1 J/cm2)照射，結果顯示點陣激光術后紅斑明顯減輕，持續(xù)時間縮短。Khoury等[27]對15例患者在強脈沖光 (IPL)術后立即給予590nmLED照射，結果顯示紅斑消退的同時術后不適感也有明顯減輕。

2.3 痤瘡

尋常痤瘡的發(fā)病機理尚未明確，主要涉及濾泡過度角化、由雄激素分泌物影響的皮脂分泌增加、痤瘡丙酸桿菌的定殖和炎癥四個方面因素。光療法已被提議替代藥物治療尋常痤瘡的方式，并且與藥物治療相比副作用更小。通常采用紅藍光聯(lián)合治療痤瘡，其機制在于：痤瘡丙酸桿菌會合成并儲存內(nèi)源性卟啉，其主要成分是糞卟啉III和原卟啉IX，其吸收峰在415nm左右。因此一旦上述卟啉暴露于可見光(特別是藍光)，它就會收到光激發(fā)，形成反應性自由基和單線態(tài)氧，進而導致痤瘡丙酸桿菌的膜損傷，誘導細菌死亡；另一方面，紅光會影響皮脂腺的皮脂分泌并改變角質(zhì)形成細胞的行為，同時通過調(diào)節(jié)巨噬細胞和其他細胞的細胞因子來發(fā)揮作用[28]。治療痤瘡所用光源一般使用紅藍光聯(lián)合，紅光使用630 nm左右波長，藍光使用415 nm左右波長，劑量從數(shù)十至數(shù)百J/cm2不等，照射模式以連續(xù)光為主。

Cunliffe等[28]研究表明，累計325J/cm2的藍光治療 (每次10min，10次)可明顯改善痤瘡和皮脂溢出；Lee等[29]一項 415 nm(40 mW/cm2，48 J/cm2)和633 nm (80 mW/cm2，96 J/cm2)聯(lián)合治療尋常痤瘡的研究顯示，經(jīng)紅藍光聯(lián)合照射治療后炎性皮損和非炎性皮損分別改善了78%和34%。Barolet等[30]對10例炎癥性痤瘡患者進行ALA聯(lián)合630nmLED的光動力治療，治療前半側(cè)臉給予近紅外光 (970 nm,80 mW/cm2,72 J/cm2)照射，結果顯示近紅外光照射側(cè)的炎癥性皮損顯著減少。

2.4 傷口愈合

與改善皮膚老化類似地，光照通過促進細胞增殖和膠原產(chǎn)生，增加局部的血液循環(huán)來加快傷口的愈合，其中成纖維細胞起到重要的作用。治療傷口愈合使用的光源參數(shù)與皮膚老化相類似，并以連續(xù)光治療為主。

Trelles等[31]對10例眼瞼成形術和Er：YAG/CO2剝脫性激光術后患者，一側(cè)面部給予633nm紅光治療(20 min，96 J/cm2)，對側(cè)面部不照光，結果顯示紅光治療側(cè)傷口愈合時間縮短，且紅斑和水腫較非紅光照射側(cè)減輕。Weiss等[32]對900例因非剝脫性激光術后2度灼傷的患者，應用590nm(0.1J/cm2)LED照射，每日1次，共1周，試驗發(fā)現(xiàn)傷口愈合速度提高了50%以上。

2.5 瘢痕

肥厚性瘢痕和瘢痕疙瘩是良性皮膚腫瘤，通常在手術，創(chuàng)傷或痤瘡后形成，難以根除，成纖維細胞增殖和過量膠原蛋白沉積是其兩大主要特征。研究表明白細胞介素(IL)-6信號通路和轉(zhuǎn)化生長因子-I(TGF-I)表達在該過程中具有重要作用，因此抑制 IL-6或TGF-I通路可能是潛在的治療靶點。治療瘢痕使用的光源主要為800nm以上近紅外光，照射模式以連續(xù)光為主。

Barolet等[30]報道了3例應用 CO2激光或手術去除瘢痕的病例，每例患者中一處術后皮損區(qū)域加用805nm近紅外LED (30 mW/cm2,30 d)治療，術后瘢痕對比未照射區(qū)域明顯減少，并且未發(fā)生嚴重不良反應。

2.6 光防護

目前普遍觀點認為紫外線誘導皮膚損傷的機制是膠原分解、自由基形成、DNA修復以及免疫系統(tǒng)的抑制[13]。紅光/紅外光通過促進成纖維細胞膠原分泌、減少MMP產(chǎn)生應對光損傷；并通過刺激角質(zhì)形成細胞，釋放神經(jīng)生長因子 (NGF)及其基因表達，NGF可以保護黑素細胞免受UV通過上調(diào)細胞中的BCL-2水平誘導細胞凋亡。光防護使用的光波長主要有630～660 nm紅光及紅外光，照射模式以連續(xù)光為主。

Menezes等[33]提出了在皮膚溫度恒定的情況下，近紅外非相干光(NIR)能夠激發(fā)針對太陽紫外線細胞毒性的強細胞防御，并且能夠持續(xù)至少24 h。Frank等[34]提出 IR照射通過影響線粒體凋亡途徑以抵抗UVB誘導的損傷，研究顯示紅外預輻射能夠有效抑制UVB激活半胱天冬酶-9和-3，促進細胞色素 C的釋放，減少促凋亡 (Bax)并增加抗凋亡蛋白 (Bcl-2或Bcl-xL)，即紅外光通過調(diào)節(jié) Bcl2/Bax的平衡來抑制UVB誘導的細胞凋亡。Applegate等[35]提出紅外輻射會誘導參與皮膚修復的保護性蛋白、鐵蛋白的生成。Barolet等[36]在臨床試驗中對正常皮膚人群和多形性日光疹患者分別在紫外照射前給予660 nm脈沖光照射，結果顯示85%的被試者在UV照射后出現(xiàn)的紅斑量顯著減少。

2.7 抑制黑色素生成

多種臨床程序在過去被用于治療皮膚色素過度沉著，如Er：YAG激光、脈沖CO2激光、Nd：YAG激光、強脈沖光 (IPL)及可變脈沖光 (VPL)等，近年LED光調(diào)作用在減輕色素沉著疾病方面日趨流行，例如在臨床試驗中被用于黃褐斑和炎癥后色素沉著過度[37]。抑制黑素生成治療所使用的光源波長主要有585nm黃光及660 nm紅光，劑量使用20 J/cm2，以連續(xù)光照為主。

黑色素是由酪氨酸或3,4-二羥基苯丙氨酸的一系列化學反應形成的一類生物色素，人體皮膚顏色主要受色素沉著過程的影響，過程包括：在黑素小體中進行的黑素細胞的合成與黑素儲存、黑素小體從細胞核周邊向樹突末端的轉(zhuǎn)移以及向鄰近角質(zhì)形成細胞的傳遞、角質(zhì)形成細胞的再分布和降解[38]。

黑素細胞前體起源于神經(jīng)嵴，并遷移分化到各個部位，包括表皮、毛囊、內(nèi)耳、脈絡膜、軟腦膜等。微量神經(jīng)節(jié)相關轉(zhuǎn)錄因子(MITF)參與這種遷移過程，是分化過程最早的標記物之一。研究表明，將 MITF cDNA轉(zhuǎn)染至成纖維細胞中促進了成纖維細胞轉(zhuǎn)化為樹突細胞的過程以及黑素細胞特異性標志物 (如：酪氨酸酶TYR和酪氨酸相關蛋白TRP-1)的表達。黑素生成是通過酪氨酸的一系列化學反應實現(xiàn)的，其中TYR和TRP-1是所涉及的關鍵酶。TYR和TRP-1的編碼基因，即第一個發(fā)現(xiàn)的 MITF靶基因，由 MITF直接調(diào)節(jié)[39]。黑素合成是一種多步酶促生化反應，酪氨酸酶 (TYR)是黑色素合成中的關鍵酶，催化黑色素合成的早期限速步驟，即底物酪氨酸羥化和 DOPA氧化。黑色素合成的速率與酪氨酸酶的量和活性直接相關。酪氨酸美相關蛋白1(TRP-1)也具有與TYR相似的催化活性，因此黑色素合成速率也與TRP-1的合成正相關[40-41]。

Oh等[42]研究表明660 nm LED抑制了 -黑素細胞刺激激素誘導的酪氨酸酶活性，并降低了B16F10細胞中MITF和酪氨酸酶的表達。陳力等[37]在LED585nm光源照射人體表皮細胞后觀察到酪氨酸酶活性的降低和黑素合成期間TYR、TRP-1和MITF幾種關鍵酶的減少，進一步驗證了 Oh等的研究結果，共同表明了LED對人體黑素細胞的抗黑素生成作用。

3 脈沖/連續(xù)參數(shù)的選用

3.1 皮膚光療參數(shù)

光生物調(diào)節(jié)作用產(chǎn)生的生物學活性會因光源照射參數(shù)不同而有所差異，主要參數(shù)包括波長、能量密度、功率密度、照射時間、連續(xù)/脈沖模式、治療間隔時間和累計治療次數(shù)等[16]。

波長決定了光源穿透的深度?？梢姽鈱τ诮M織的穿透深度約為1cm，可達真皮及皮下組織，其中紅光的穿透深度最深，隨著波長變短，穿透能力逐漸減弱[15]。不同波長下光源的穿透能力總結見表1。

與其他形式的藥物一樣，光療也有其“劑量”的概念。根據(jù)Energy(J)=Power(W)×Time(s)的基本公式，存在能量 (J)、能量密度 (J/cm2)、輻照時間(s)、治療間隔 (周、天、小時)等變量，共同決定了光療的劑量。Huang等[43]綜述了皮膚光療中符合Arndt-Schulz曲線的雙相劑量反應，過低和過高的能量密度都將無益于治療，并認為對于紅光或近紅外光而言3～5 J/cm2的能量密度對細胞有益，但大劑量如 50～100 J/cm2將產(chǎn)生生物抑制。對于功率密度 (能量密度/照射時間)而言，則存在明顯的閾值，當光源輻照度低于靶目標的生理閾值時，延長治療時間也不能產(chǎn)生光刺激效應，Mester等[44]早在1978年體外激光照射淋巴細胞試驗中就觀察到了該“閾值現(xiàn)象”。

3.2 照射模式的選用

照射模式可分為脈沖光和連續(xù)光兩種，具體這兩類模式對于細胞的影響機制如何目前仍沒有定論，但脈沖光通常被作為皮膚光療中一類常見的手段用于臨床治療[45-46]。

Sterenborg等[47]使用各類血卟啉文獻中的數(shù)據(jù)進行理論計算，認為當峰值輻照度低于4×108W/cm2時，PDT脈沖激發(fā)的效率等同于連續(xù)模式。

Al-Watban等[48]在14只大鼠背部制造橢圓形創(chuàng)面，分別使用100～500Hz不同頻率脈沖和連續(xù)光(635 nm，1.0J/cm2，0.89mW/cm2，3 次/周) 照射進行傷口愈合情況對比，結果顯示100Hz相對于其他頻率脈沖光有更好的愈合效果，但與連續(xù)光相比并無改善，文章認為連續(xù)光在該實驗中有更好的治療效果原因在于連續(xù)光帶來的光子刺激增加。

Pogue等[49]通過組織模擬劑量計研究脈沖/連續(xù)模式下光動力劑的吸收情況，使用690nm、平均輻照度110mW/cm2的連續(xù)光和平均輻照度160mW/cm2脈沖光 (10 Hz，10 nm脈沖)照射劑量計，結果顯示脈沖光在劑量計中的穿透性比連續(xù)光更強，文章認為在高峰值輻射照射下，會引起激發(fā)態(tài)飽和，降低劑量計吸收系數(shù)，使得脈沖光穿透深度更深。

Brondon等[50]將人體HEP-2細胞在完全DMEM培養(yǎng)基中培養(yǎng)，以670nm、5J/cm2連續(xù)和不同頻率脈沖光 (6,18,36,100,600 Hz)照射72 h，與無光照組對比，評估細胞增殖和氧化爆發(fā)情況，結果顯示細胞增殖在100Hz脈沖下得到最大刺激、氧化爆發(fā)在600Hz得到最大刺激，得出結論脈沖模式能夠減少黑色素對光子的吸收，使得更多光子到達靶細胞產(chǎn)生治療效果，文章認為其原因可能在于特定頻率脈沖光能夠穿過黑色素之間的“空穴”而更好地到達靶細胞。

Barolet等[51]對10名患者前臂進行高低輻照度下連續(xù)和脈沖光照 (660nm，高輻照度：60mW/cm2，低輻照度：5 mW/cm2)，治療后72 h在每個測試區(qū)域中收集皰液并使用放射免疫測定法測定膠原蛋白合成速率，結果顯示：高輻照度下，脈沖模式III型前膠原生產(chǎn)速率增加50%，連續(xù)模式增加29%；低輻照度下，脈沖模式III型前膠原生產(chǎn)速率增加76%，連續(xù)模式增加38%，文章認為其原因可能在于脈沖模式能提供細胞周期性弛豫時間，避免成纖維細胞衰竭，維持細胞活性。Barolet等[52]進一步細化脈沖參數(shù)，使用630 nm、8 J/cm2光源研究了在單層培養(yǎng)的原代成纖維細胞模型中使用各種脈沖或連續(xù)光傳輸模式對I型前膠原蛋白刺激的影響，結果顯示微秒脈沖模式能夠更有效地刺激成纖維細胞產(chǎn)生膠原，且脈沖寬度 PD(pulse duration)=100s、脈沖串間隔PTI(pulse train interval)=750s、每串脈沖數(shù)PPT(pulsespertrain)=4、脈沖間隔PI(pulse interval)=1 000s是最佳的脈沖單一參數(shù)，但最佳組合參數(shù)仍待評估。Barolet等[53]使用脈沖和連續(xù)照明模式對患者進行臨床試驗，患者在一只手臂進行940 nm毫秒脈沖治療，另一只手臂接受CREST綜合治療，評估結果顯示脈沖模式下具備更優(yōu)的治療效果。

表1 相關光譜、波長及其穿透能力

4 結論和展望

文章綜述了皮膚光療的作用機制、應用領域和光照參數(shù)中照射模式的選用。皮膚細胞中的發(fā)色團吸收光療裝置發(fā)出的光能并將轉(zhuǎn)化為熱能和化學能，激活線粒體呼吸鏈組分，從而導致一系列細胞反應，改變細胞的氧化還原狀態(tài)，提高細胞代謝等水平。根據(jù)不同波長，光用于皮膚病治療的領域相當廣泛，主要包括改善光老化、治療痤瘡、促進傷口愈合、減輕瘢痕、紫外線防護、炎癥等。光參數(shù)的選擇對于光療效果也尤為重要，細胞對于光照劑量的反應符合雙相曲線。各類參數(shù)中，連續(xù)光和脈沖光對于細胞作用機制的差異尚不明確，各類文獻中得出的結論也不盡相同，一方面可能在于用于實驗的細胞本身氧化還原水平不盡相同，對應病癥也不同，另一方面可能在于對于其他光照參數(shù)的控制存在差異?？偠灾?，為確定特定病癥的最佳光照參數(shù)，還有待進行大量的細胞和臨床試驗。