光生物調(diào)節(jié)療法治療放射性口腔黏膜炎作用機(jī)制研究進(jìn)展

陳敬儒,李鳳丹,江銀華

光生物調(diào)節(jié)療法(photobiomodulation therapy,PBMT)是利用內(nèi)源性生色團(tuán)吸收光(包括可見光、紅外線、近紅外線)產(chǎn)生光化學(xué)或光物理反應(yīng),觸發(fā)非熱、非細(xì)胞毒性生物反應(yīng),可用于刺激組織再生、減少炎癥和控制疼痛的光療法[1]。放射性口腔黏膜炎(radiation-induced oral mucositis,RTOM)是頭頸部惡性腫瘤患者接受放射治療后常見并發(fā)癥之一,其主要表現(xiàn)為黏膜干燥,灼痛,潰瘍,當(dāng)損傷波及黏膜下層時(shí)造成劇烈疼痛影響患者進(jìn)食,嚴(yán)重者中斷放療[2],發(fā)病率為80%～100%[3]。根據(jù)RTOM臨床表現(xiàn)特點(diǎn),臨床實(shí)踐多采取對(duì)癥治療(口腔護(hù)理,抗菌鎮(zhèn)痛藥物,冷凍療法等方式),以促進(jìn)創(chuàng)口愈合,緩解患者痛苦,降低其對(duì)患者放療病程的影響[4]。雖然PBMT治療作用的生物機(jī)制尚未完全闡明,但其控制疼痛,促進(jìn)組織愈合的臨床作用,已得到臨床研究證實(shí)[5-7]。本文就PBMT在RTOM治療中作用機(jī)制研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 PBMT

PBMT起源可追溯至20世紀(jì)60年代,Mester教授發(fā)現(xiàn)剃毛小鼠接受低水平紅寶石激光照射后,毛發(fā)增長(zhǎng)加速[8]。隨后他又發(fā)現(xiàn)氦氖激光照射能促進(jìn)小鼠創(chuàng)口愈合[9],并將研究結(jié)論逐步應(yīng)用于臨床潰瘍治療。在PBMT研究早期,以激光為主要研究對(duì)象,該療法后續(xù)也被稱為低水平激光療法(low-level laser therapy,LLLT),因其與用于消融、切割和凝固的其他醫(yī)療激光治療形式相比,這種光的強(qiáng)度較低,組織細(xì)胞在電子水平上吸收激光,并不產(chǎn)生熱量[10]。20世紀(jì)90年代,研究人員將發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)技術(shù)引入臨床研究實(shí)踐[11],發(fā)現(xiàn)LED照射組織,同樣被吸收的光子不會(huì)以熱量的形式損失,而是直接轉(zhuǎn)移到吸收細(xì)胞或發(fā)色團(tuán),引起靶細(xì)胞的光激活和它們相關(guān)活性的某種變化[12]。LLLT和LED也成為現(xiàn)在臨床應(yīng)用較多的PBMT治療模式。

對(duì)PBMT機(jī)制研究,發(fā)現(xiàn)線粒體呼吸鏈中細(xì)胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase,CCO)和光/熱門控離子通道為主要的內(nèi)源性生光團(tuán)。CCO吸收攝入光子發(fā)生光化學(xué)級(jí)聯(lián)反應(yīng)以及質(zhì)膜光敏離子通道的激活,增加電子傳遞鏈中三磷酸腺苷和活性氧的形成,以此激活多種轉(zhuǎn)錄因子和信號(hào)通路[13]。

隨著技術(shù)的進(jìn)步,PBMT設(shè)備種類繁多,如氬氣(Ar),氦氖(He:Ne),二氧化碳(CO2)激光,釹-鋁-石榴石(Nd:YAG),鉺釔石榴石(Er:YAG)和鋁砷化鎵(GaAlAs)二極管等,并且更多的廣譜光源如碳光子也用于臨床治療。

2 RTOM發(fā)病機(jī)制

RTOM作為頭頸部腫瘤患者接受放療后常見的并發(fā)癥,其發(fā)病機(jī)制的研究受廣泛關(guān)注。Sonis研究建立RTOM五期模型[14](起始-初始損傷-信號(hào)放大-潰瘍-愈合),表明電離輻射誘導(dǎo)DNA斷裂致使細(xì)胞凋亡,死亡細(xì)胞釋放內(nèi)源性損傷相關(guān)模式分子(damage associated molecular patterns,DAMPs),引起免疫應(yīng)答。同期活性氧(reactive oxygen species,ROS)分泌增加介導(dǎo)非DNA損傷,激活NF-κB信號(hào)通路,NF-κB上調(diào)環(huán)氧合酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2),COX-2作為通過在前列腺素產(chǎn)生中發(fā)揮作用而參與炎癥的誘導(dǎo)酶,參與電離輻射暴露后組織的無菌性炎癥[15]。繼而釋放促炎癥因子。成纖維細(xì)胞受到電離輻射損傷,致使基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs)的分泌,如MMP1和MMP3,分別降解膠原上皮下基質(zhì)和分解上皮基底膜[16],口腔黏膜完整性被破壞,細(xì)菌定植繼發(fā)感染加重RTOM。隨著對(duì)RTOM病理機(jī)制研究的深入,Paris等[17]應(yīng)用C57BL/6小鼠全身照射模型(12～15 Gy)研究,發(fā)現(xiàn)輻射造成微血管內(nèi)皮損傷是導(dǎo)致黏膜損傷阻礙干細(xì)胞增殖分化的原發(fā)病變,同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證基底膜結(jié)合的堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞免受輻射誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡,而微血管基底膜因缺乏bFGF沉積致使輻射敏感性增加。

3 PBMT治療RTOM的作用機(jī)制

3.1 減輕炎癥反應(yīng)

RTOM發(fā)生發(fā)展過程的關(guān)鍵在于ROS產(chǎn)生及促炎癥因子釋放導(dǎo)致黏膜細(xì)胞凋亡,形成炎癥反應(yīng)正反饋擴(kuò)大損傷。對(duì)此,PBMT通過參與調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化和炎癥細(xì)胞因子表達(dá)[18],達(dá)到抑制炎癥反應(yīng),減緩促炎癥因子釋放的目的。當(dāng)巨噬細(xì)胞受到損傷、感染等刺激后會(huì)迅速激活成具有不同生理特性的不同表型,M1表型巨噬細(xì)胞表達(dá)并分泌炎癥分子,如細(xì)胞因子白細(xì)胞介素1β(interleukin-1β,IL-1β)、白細(xì)胞介素6(interleukin-6,IL-6)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)以及趨化因子CCL3、CCL4和CXCL2,導(dǎo)致炎癥急性期;M2表型巨噬細(xì)胞表達(dá)并分泌血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforming growth-factor,TGF)和胰島素生長(zhǎng)因子(insulin growth factor,IGF)促進(jìn)后期肉芽組織的形成[19]。研究發(fā)現(xiàn)660 nm紅激光照射4 h后M1表型巨噬細(xì)胞下調(diào)CCL3、CXCL2、TNF-α和M2表型巨噬細(xì)胞CXCL2mRNA表達(dá),780 nm紅激光照射4 h后M2表型巨噬細(xì)胞抗炎因子TGF-β1表達(dá)上調(diào),以降低急性炎癥損傷的嚴(yán)重程度[20]。此外,有研究發(fā)現(xiàn)PBMT能抑制極化后的巨噬細(xì)胞分泌ROS,并上調(diào)Nrf2的表達(dá)。Nrf2作為氧化還原敏感的轉(zhuǎn)錄因子,可調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激反應(yīng),并通過調(diào)節(jié)細(xì)胞因子的產(chǎn)生和與NF-κB信號(hào)通路產(chǎn)生交叉作用抑制炎癥,在炎癥刺激或氧化應(yīng)激引起的疾病中發(fā)揮保護(hù)作用[21]。Silveira等[22]研究PBMT對(duì)大鼠急性肌肉損傷炎癥過氧反應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)早期應(yīng)用PBMT有效地恢復(fù)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD,抗氧化酶)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)在組織內(nèi)水平,抑制損傷肌肉中氧化應(yīng)激狀態(tài)的誘導(dǎo)。將PBMT用于臨床研究進(jìn)一步驗(yàn)證其抗炎效果發(fā)現(xiàn),對(duì)55例老年RTOM患者進(jìn)行分組,PBMT組患者與安慰劑組患者(20.7%)相比抗炎藥物處方使用率明顯下降(34.6%)[23]。

3.2 促進(jìn)細(xì)胞增殖

口腔黏膜細(xì)胞屬于快反應(yīng)細(xì)胞,其損傷修復(fù)關(guān)鍵在于角質(zhì)形成細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞快速增殖分化以對(duì)抗電離輻射誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[24]。對(duì)此,PBMT可通過誘導(dǎo)損傷處角質(zhì)形成細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和膠原蛋白增殖分化以促進(jìn)創(chuàng)口修復(fù)[25]。PMBT最重要的發(fā)色團(tuán)之一是細(xì)胞色素C氧化酶(線粒體呼吸鏈中的第4單元),通過吸收紅光取代一氧化氮(NO)激活銅和血紅素中心,在線粒體內(nèi)產(chǎn)生質(zhì)子梯度,從而釋放大量的腺嘌呤核苷三磷酸(ATP),能量的增加促進(jìn)細(xì)胞增殖移動(dòng)[26]。PBMT作用后從CCO解離的NO是一種有效的血管擴(kuò)張劑,增加微循環(huán)中血液和氧氣供應(yīng),改善輻射所致的微循環(huán)損傷[27]。此外,PBMT激活線粒體表面光敏離子通道,使得鈣離子進(jìn)入,促進(jìn)環(huán)磷酸腺苷(cAMP)和ROS釋放。高濃度的R0S具有細(xì)胞毒性,導(dǎo)致多個(gè)信號(hào)級(jí)聯(lián)被中斷[28],而適量ROS可在ATP合成的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生正常代謝,并調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)和參與增殖、分化的蛋白質(zhì)[29],PBMT誘導(dǎo)正常細(xì)胞系中ROS產(chǎn)生適度地增加,同時(shí)其能降低已經(jīng)暴露于氧化應(yīng)激反應(yīng)的細(xì)胞中的ROS水平[30]。研究表明[31],PBMT也可促進(jìn)組織釋放堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子,角質(zhì)細(xì)胞生長(zhǎng)因子(keratinocyte growth factor,KGF)等生長(zhǎng)因子釋放,促進(jìn)肉芽組織的生成,上皮細(xì)胞的增殖遷移,誘導(dǎo)上皮再形成以及維持上皮的正常結(jié)構(gòu)。

Bourouni等使用810 nm二極管激光體外培養(yǎng)人成骨樣細(xì)胞MG36(human osteoblast-like cell MG36)和人牙齦成纖維細(xì)胞(human gingival fibroblast,HGF),發(fā)現(xiàn)人成骨樣細(xì)胞MG36和HGF在24、48、72 h照射點(diǎn)其增殖率均明顯增加,且編碼Ⅰ型膠原纖維的前α1鏈基因(COL1α1)表達(dá)增強(qiáng)[32]。Li等[33]研究發(fā)現(xiàn)使用1.0、2.0、4.0 J/cm2,650 nm半導(dǎo)體鋁砷化鎵激光器照射人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVEC),通過促進(jìn)磷脂酰肌醇-激酶(PI3K)和蛋白激酶B(Akt)的磷酸化,激活PI3K/Akt途徑,使其出現(xiàn)劑量依賴性增殖,并且劃痕實(shí)驗(yàn)表明PBMT對(duì)HUVEC移動(dòng)速度具有誘導(dǎo)性(6.36、8.98和11.68 μm/h)。Gang團(tuán)隊(duì)將CO2激光應(yīng)用于RTOM小鼠模型,同樣發(fā)現(xiàn)CO2激光誘導(dǎo)創(chuàng)面上皮細(xì)胞增殖,加速創(chuàng)口再上皮化,上調(diào)熱休克蛋白-70和黏連蛋白C的表達(dá)[34]。

3.3 抑制創(chuàng)面細(xì)菌生長(zhǎng)

RTOM發(fā)展至潰瘍階段常合并口腔內(nèi)微生物感染加重。因放療導(dǎo)致患者口腔黏蛋白隨唾液分泌減少而減少,口腔黏蛋白無法充分與微生物結(jié)合形成懸浮微生物聚集,阻止微生物附著于黏膜上皮[35-36],致使病原菌在口腔內(nèi)大量增殖,通過病原相關(guān)分子模式滲入體內(nèi),其鞭毛蛋白與宿主Toll樣受體5(TLR5)結(jié)合,通過募集NF-κB和產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子,啟動(dòng)典型的促炎途徑[37]。研究表明,特定發(fā)色團(tuán)靶標(biāo)復(fù)合物Ⅳ是真核生物線粒體呼吸鏈的細(xì)胞色素C氧化酶,在細(xì)菌中也作為大型跨膜蛋白復(fù)合物存在[38]。當(dāng)治療劑量激光照射至黏膜損傷部位時(shí),該區(qū)域的細(xì)菌會(huì)同時(shí)吸收能量,激活細(xì)胞膜鈣離子通道和短暫的ROS爆發(fā),影響細(xì)菌增殖[39]。Robati等采用980 nm二極管激光以5、10和20 J/cm2的能量照射體外培養(yǎng)變形鏈球菌、嗜酸乳桿菌,在暴露即刻和24 h后,菌落數(shù)目均有明顯下降[40]。Nussbaum等的研究發(fā)現(xiàn),810 nm低功率激光以5、10、20和50 J/cm2的劑量照射抑制金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌的生長(zhǎng),且呈劑量依賴性[41]。口內(nèi)菌群以生物膜形式附著于牙體和黏膜,形成宿主免疫防御機(jī)制。Basso等[42]將變形鏈球菌(Streptococcusmutans,SSB)、白念珠菌(Candidaalbicans,DSB)以及2者混合進(jìn)行體外培養(yǎng),使用780 nm鋁砷化鎵二極管激光器以5、10、20 J/cm2按250 s、500 s和1 000 s時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行照射,發(fā)現(xiàn)激光照射抑制單獨(dú)培養(yǎng)的SSB中琥珀酸脫氫酶活性和SSB、DSB各自生物膜形成,但在混合培養(yǎng)生物膜中,SSB因DSB存在而對(duì)PBMT產(chǎn)生一定的耐藥性。掃描電鏡下觀察微生物的形態(tài)未發(fā)生改變,但SSB對(duì)玻璃基質(zhì)的黏附作用減弱,生物膜中微生物結(jié)構(gòu)存在一定的分解。雖然RTOM發(fā)病機(jī)制存在ROS誘導(dǎo)組織損傷過程,但PBMT同時(shí)可上調(diào)機(jī)體內(nèi)SOD對(duì)抗氧化應(yīng)激。臨床試驗(yàn)表明,PBMT在防治RTOM的過程中,并不會(huì)對(duì)周圍組織產(chǎn)生損害[43]。

3.4 緩解疼痛

RTOM產(chǎn)生疼痛主要包括傷害性疼痛和神經(jīng)性疼痛[44]。輻射導(dǎo)致組織損傷釋放炎性介質(zhì)激活痛覺感受器的瞬時(shí)受體電位家族離子通道(transient receptor potential,TRP)從而產(chǎn)生疼痛[45]。ROS作為瞬時(shí)感受器重要的內(nèi)源性激動(dòng)劑,提高外周和中樞神經(jīng)敏感性,從而引發(fā)神經(jīng)性疼痛[46]。輻射損傷造成持續(xù)性疼痛會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元活動(dòng)特異性持續(xù),改變突觸的結(jié)構(gòu)和功能,周圍神經(jīng)功能障礙疼痛加劇,產(chǎn)生額外的神經(jīng)性疼痛[47]。PBMT作為一種非藥物治療手段,通過抑制ROS和促炎癥因子釋放、促進(jìn)組織細(xì)胞快速修復(fù)、促進(jìn)內(nèi)源性阿片類物質(zhì)釋放來緩解疼痛[48]。研究人員用830 nm鋁砷化鎵二極管激光照射大鼠足底炎癥模型,發(fā)現(xiàn)PBMT通過促進(jìn)含有阿片類物質(zhì)的免疫細(xì)胞優(yōu)先遷移到炎癥部位,釋放內(nèi)啡肽,激活疼痛抑制阿片類受體[49],內(nèi)源性阿片類物質(zhì)可通過分泌前體分子促腎上腺皮質(zhì)激素和促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子引起外周鎮(zhèn)痛[50]。但該反應(yīng)存在照射劑量限制,研究推薦采用3 J/cm2或8 J/cm2激光強(qiáng)度以獲得良好的鎮(zhèn)痛效果。此外,研究發(fā)現(xiàn)采用PBMT能可逆性破壞背根節(jié)神經(jīng)元中微管結(jié)構(gòu),抑制快軸突電流和線粒體膜電位,抑制神經(jīng)傳導(dǎo)所需能量合成,使得痛覺傳導(dǎo)抑制[51]。姜彤等[52]將60例口腔癌放療患者分為2組,應(yīng)用632.8 nm氦氖激光以緩解RTOM患者疼痛[52],發(fā)現(xiàn)PBMT治療組患者疼痛程度以及疼痛持續(xù)時(shí)間(5.31±6.43)d和對(duì)照組疼痛程度和疼痛持續(xù)時(shí)間(9.89±6.08)d相比,顯著降低(P<0.05)。此外,PBMT組和對(duì)照組患者使用阿片類鎮(zhèn)痛藥的使用率分別為7%和21%(P<0.001)。

4 PBMT治療參數(shù)及療效

目前PBMT治療RTOM最佳參數(shù)指標(biāo)在探索中,但研究人員在世界激光治療協(xié)會(huì)會(huì)議(WALT)上總結(jié)建議使用紅色或近紅外光LED/激光設(shè)備[53],①口內(nèi)設(shè)備預(yù)防RTOM:放療前30～120 min,每個(gè)治療場(chǎng)的總劑量為1.2愛因斯坦(650 nm的光子通量=5.7 pJ/cm2),波長(zhǎng)630～680 nm,功率密度10～50 mW/cm2。②口內(nèi)設(shè)備治療RTOM:波長(zhǎng)630～680 nm,功率密度10～50 mW/cm2?？倓┝繛?.5愛因斯坦(光子通量在650 nm=11.4 pJ/cm2),3～4次/周,共15～20次,或直至放療結(jié)束RTOM創(chuàng)口愈合。③設(shè)備經(jīng)皮膚預(yù)防RTOM:放療前30～120 min,每個(gè)治療場(chǎng)的總劑量為1愛因斯坦(810 nm的光子通量=4.5 pJ/cm2),波長(zhǎng)800～1 100 nm,功率密度30～150 mW/cm2。④設(shè)備經(jīng)皮膚治療RTOM:每個(gè)治療場(chǎng)的總劑量為2愛因斯坦(光子通量在810 nm=9 pJ/cm2),波長(zhǎng)800～1 100 nm,功率密度30～150 mW/cm2。3～4次/周,共15～20次,或直至放療結(jié)束RTOM創(chuàng)口愈合。其余400～1 100 nm可適當(dāng)調(diào)整劑量使用,但所有操作過程要實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度<45 ℃。此外,在近期的科研實(shí)踐中,對(duì)PBMT療效也進(jìn)行了一定的總結(jié)分析。一項(xiàng)納入8項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性回顧性研究表示[54],7項(xiàng)實(shí)驗(yàn)(792例患者)一致表明≥3級(jí)RTOM發(fā)生率、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度降低,腸外營(yíng)養(yǎng)和阿片類藥物使用減少。另一項(xiàng)系統(tǒng)性回顧研究也表明[55],PBMT對(duì)RTOM具有良好的治療效果,顯著降低重度RTOM持續(xù)時(shí)間、發(fā)病率和疼痛度。對(duì)其安全性分析,Antunes等[56]對(duì)94例頭頸部腫瘤放化療患者隨機(jī)分組,進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)41.3個(gè)月的跟蹤隨訪,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過PBMT治療的患者總生存率為57.4%,對(duì)照組患者生存率為40.4%;并且在腫瘤治療過程中,對(duì)照組患者出現(xiàn)胃腸道病變、中斷放化療和使用阿片類藥物的頻率更高。但目前缺乏接受PBMT治療患者遠(yuǎn)期療效的追蹤觀察,如治療結(jié)束后并發(fā)癥、腫瘤復(fù)發(fā)等情況。

5 小 結(jié)

PBMT作為一種安全、無痛的非藥物治療手段,因其有效的抗炎鎮(zhèn)痛促愈合作用,在口腔臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被推薦使用。但PBMT與其他療法聯(lián)合的最佳組合、PBMT是否可長(zhǎng)期應(yīng)用等細(xì)節(jié)問題尚沒有明確統(tǒng)一的答案。其次PBMT對(duì)RTOM作用機(jī)制研究主要在于其抑制炎癥因子分泌、促進(jìn)組織愈合和緩解疼痛。雖然多項(xiàng)研究表明PBMT對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)存在抑制作用,但其作用機(jī)制,抑制靶點(diǎn)尚未完全明了,此外除了研究對(duì)體外培養(yǎng)單一菌群變化的作用外,PBMT對(duì)口內(nèi)多種菌種混合形成生物膜的作用以及不同能量和波長(zhǎng)對(duì)菌群是否存在抑制作用仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。