低能量激光療法的應用和機制研究進展

余進海，徐柒華，吳瑋琪，廖洪斐*

(1.江西省眼科學重點實驗室，南昌 330006； 2.南昌大學附屬眼科醫院 眼外傷、眼眶病科，南昌 330006)

早在上世紀六十年代，人類就發明了基于受激輻射光放大原理所產生的相干輻射光，并將它之稱為激光。根據工作物質的不同激光可以分為不同種類，其在軍事、科技和醫療衛生等不同領域都發揮了獨特的作用。激光在醫療領域的應用，最早于1965年進入眼科領域。其用于治療眼底視網膜病變、青光眼房水通路開放、膜性白內障、眼部腫瘤光動力抑制、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用。激光作為刺激源可在分子水平上調控核酸和蛋白質的合成，改變各種信號傳導分子活性與功能[1]。低能量激光是將激光擴束后使其能量密度降低至不會對機體產生損傷的低能量密度激光[2]。隨著激光療法的廣泛應用，學者們發現低能量激光在減輕炎癥反應、促進傷口愈合、營養神經、保護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用和機制研究進展一介紹，以期深入了解低能激光激療法的光生物調節作用機理，為進一步提高療效和拓寬應用范圍提供思路。

1 減輕炎癥反應

低能量激光療法(low level laser therapy, LLLT)具有抗炎作用，已應用于治療各種類型的炎癥反應。它可以明顯改善口腔粘膜潰瘍引起的炎癥反應[3]。此外，有報道運用能量密度為8 J/cm2，波長為660 nm的鎵-鋁-砷化物(GaAlAs)激光來治療牙周炎也可獲得很好的療效[4]。進一步研究發現，激光照射牙周炎部位能抑制牙周膜細胞內腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素-1β(IL-1β)、IL-6和IL-8表達并上調細胞內環腺苷一磷酸(cAMP)的濃度[4]。雙熒光素酶報告基因檢測顯示激光處理后細胞內核因子-κB(NF-κB)轉錄活性提高[4]。這些結果提示cAMP/NF-κB信號通路參與了LLLT減輕炎癥反應的調控過程[4]。有趣的是，研究人員用牙齦卟啉單胞菌脂多糖誘導牙齦成纖維細胞來構建牙周炎的體外模型，檢測發現經誘導的細胞中前列腺素E-2(PGE-2))和環氧合酶-2(COX-2)蛋白表達增加，當運用635 nm的激光照射后可以顯著抑制這兩種炎癥因子表達[5]。由此可見，LLLT抗炎機制主要是通過激活相關信號通路來下調炎癥因子表達，從而減輕炎癥反應。

另一方面，有學者發現當用低能量激光針灸足三里穴時可以減輕由緩激肽、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)和脂質氫過氧化物(LOOH)水平[6]。該研究暗示LLLT也能夠通過抑制氧化應激效應來改善炎癥反應。炎癥反應不僅能導致疼痛、水腫還能夠誘導細胞發生凋亡。LLLT抗炎機制中也存在著對促凋亡和抗凋亡蛋白平衡的調控作用[7]。研究人員用LLLT處理被誘導凋亡的人內皮細胞時，發現凋亡相關蛋白顯著下調[8]。這項研究表明LLLT在抵抗細胞凋亡的過程中也能扮演重要角色?？偠灾?，LLLT在減輕炎癥反應過程中有良好的表現得益于其在炎癥因子表達、氧化應激效應和抗細胞凋亡等方面的調控作用。

2 促進傷口愈合

影響傷口愈合的因素包括炎癥因子表達、細胞增殖活性以及毛細血管量等諸多方面[9]。研究人員發現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]。一般來說，成纖維細胞在傷口愈合過程中扮演了重要角色。Solmaz等[11]將小鼠成纖維細胞用波長為635 nm的低能量激光照射后，發現細胞增殖活性顯著增加。體內試驗也表明切口處機械拉伸強度較對照組明顯提升。最近，有學者檢測發現該細胞在接受波長為660 nm的LLLT處理時細胞內血管內皮生長因子(VEGF)基因表達顯著增加，而IL-6基因則顯著下調[12]。由此看來，LLLT在減輕炎癥反應過程中便具有促進傷口愈合作用，而其在促進細胞增殖和血管增生方面的作用則可進一步加速組織損傷的修復。

2.1 促增殖

研究發現CO2激光照射皮膚成纖維細胞后可使細胞發生增殖和遷移，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和應激活化蛋白激酶(JNK)蛋白表達。提示在細胞增殖和遷移過程中用Akt、ERK和JNK等信號通路參與其中[13]。此外，有報道Er:YAG激光的LLLT能夠促進牙齦成纖維細胞增殖，質譜分析顯示半乳糖凝集素-7蛋白表達顯著增加[14]。從這些研究來看，LLLT在使細胞增殖過程中，往往伴隨相關信號分子參與介導和調控。除了成纖維細胞外，也有報道LLLT可通過上調細胞周期蛋白從而使肌腱細胞發生增殖[15]。另外，有學者發現LLLT還可以增加處于細胞增殖中DNA復制期成骨細胞的含量。同時，Hedgehog信號傳導分子的基因和蛋白均呈高水平表達，而運用其抑制劑作用細胞時，可使細胞增殖活性顯著下降[16]?？傊?，LLLT對多種細胞類型都具有促進增殖作用，在此過程中存在多種信號通路參與調控。這種促進細胞增殖的作用或許可以在機體不同類型器官和組織損傷時都能起到很好的修復作用。

2.2 內皮細胞遷移和血管形成

內皮細胞遷移和新血管形成是傷口愈合的關鍵步驟。有研究表明He-Ne激光的LLLT作用于人臍靜脈血管內皮細胞(HUVEC)時，可激活磷脂酰肌醇3-激酶 / Akt(PI3K / Akt)信號通路使內皮細胞一氧化氮合酶(eNOS)蛋白表達增強，進一步提高細胞增殖和遷移的活性[17]。與之類似地，此激光的LLLT也可增加人表皮細胞的ERK磷酸化水平，進而促進表皮細胞增殖和遷移[18]。有報道LLLT可通過激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的信號傳導途徑來促使口腔上皮細胞遷移，從而加速口腔粘膜的愈合速度[19]。這些研究顯示，LLLT能夠通過激活多種信號通路來促進細胞遷移。另一方面，有研究發現波長為800 nm的半導體激光在LLLT中可通過NF-κB通路參與基質金屬蛋白酶(MMP)基因轉錄進而增加膠原蛋白合成[20]。一般來說，膠原蛋白可以改善傷口愈合并減少疤痕的產生。此外，有報道MMP在表皮中高表達可促使表皮血管的生成數量增加并且LLLT本身也可以使傷口的血管數量顯著提高[21]。從這些研究來看，LLLT促細胞增殖、遷移和血管形成的作用過程涉及多條信號通路的參與。這些信號通路的相互聯系也使細胞增殖、遷移和血管形成的作用呈現出相輔相成的狀態。

3 營養神經

Abdel等[22]通過水迷宮測試發現LLLT可以改善糖尿病大鼠周圍神經病變的空間記憶。這似乎暗示LLLT對影響記憶的神經元細胞具有一定的修復或營養作用。此外，有研究表明LLLT能夠減少絕望測試中抑郁小鼠模型的持續靜止時間從而改善抑郁樣行為，進一步研究發現，LLLT可導致抑郁小鼠的前額皮質中ATP和線粒體復合體表達水平顯著上升[23]。這個研究說明LLLT能夠增加特定區域神經元的能量供應。腦源性神經營養因子(Bdnf)在神經元分化過程中起重要作用。有學者發現LLLT可誘導背根神經節細胞(DRGNs)中Bdnf的mRNA轉錄。在此過程中cAMP反應元件結合蛋白(CREB)磷酸化和ERK磷酸化水平顯著升高[24]。cAMP主要是由機體能源物質三磷酸腺苷(ATP)脫掉兩個磷酸縮合而成。因此，從這些研究來看LLLT對神經元的營養作用與其改善神經元細胞能量代謝密切相關。

神經損傷常導致機體對疼痛敏感性增加，LLLT不僅對神經有營養作用還能減輕機體對疼痛的敏感性。Hagiwara等[25]檢測到經過LLLT預處理的血液中β-內啡肽表達量明顯升高。β-內啡肽具有較好的疼痛緩解作用，屬于一種外周內源性阿片類鎮痛模式[26]。此種阿片類物質分泌量主要取決于LLLT的能量密度、波長和作用時間等多種因素[27]。有學者發現緊張性頭痛患者經LLLT可獲得臨床上緩解，進一步研究發現LLLT可降低照射區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，有報道LLLT可有效抑制損傷組織處炎性蛋白的表達從而降低機體對疼痛的敏感性[29]?？偟膩砜?，LLLT對神經營養和鎮痛的作用使其在疾病康復治療具有較大的應用價值和發展空間。

4 保護肌肉

LLLT在緩解肌肉疲勞方面具有一定療效。研究人員通過對自行車運動員體能耗盡的測試發現，運用LLLT照射大腿肌肉的運動員可以顯著增加體能耗盡所需要的時間[30]。這個研究表明LLLT可以抵抗肌肉疲勞。有報道經LLLT照射大腿肌肉時可以在不影響肌肉纖維傳導速度的情況下，降低肌肉肌電圖信號的整體幅度[31]。暗示LLLT抗疲勞的作用機制可能來源于LLLT對運動神經的調節。此外，Ferraresi等[32]觀察到經LLLT照射后的肌肉中，肌肉生長抑制素表達下調。說明LLLT照射肌肉后還具有防止肌肉萎縮的功效。與之類似的，有學者將LLLT用于處理老年性肌營養不良小鼠模型，發現LLLT可呈能量依賴性調節小鼠中肌營養不良的基因和蛋白表達，從而改善模型小鼠的肌肉形態和功能[33]。從這些研究來看，LLLT能夠改善肌肉多方面的性能。

有研究發現LLLT能夠通過調節肌肉細胞中肌管線粒體的膜電位并促進ATP增加進而提高肌肉的運動能力[34]。有學者進行了LLLT照射對運動影響的隨機雙盲交叉試驗，通過等速測力計換算出肌肉的肌電疲勞指數，結果顯示LLLT處理后可顯著提高肌肉抗疲勞能力[35]。研究人員還發現運動前后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，運動后的骨骼肌處于疲勞狀態，可導致ROS、超氧陰離子和超氧化物歧化酶(SOD)等氧化應激的指標活性增加進而引起肌肉損傷[37]。而LLLT可提高細胞色素C氧化酶活性，使骨骼肌在疲勞中損傷更小[38]。LLLT通過調節細胞因子表達、降低代謝產物水平和改善氧化應激損傷等作用來實現對肌肉細胞的保護。

5 改善體型

研究人員對40名健康受試者腹部進行LLLT照射來觀察體型改變的情況，4周后發現LLLT組的腰圍平均減少2.15 cm，盲法評價治療前后的照片顯示有美觀改善。而體外試驗表明LLLT照射脂肪細胞后可釋放甘油三酯從而使脂肪細胞含量減少[39]。然而，Jankowski等[40]研究表明，LLLT照射后未發現腹部皮下脂肪的減少有統計學意義。這兩項研究中LLLT的波長和能量密度沒有明顯差異，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到明顯療效。另一方面，有學者發現LLLT照射后能夠顯著提高體內脂聯素濃度，使得LLLT照射聯合體育鍛煉比單獨體育鍛煉更能改善體重指數[41]。最近，研究人員觀察了49名肥胖受試者進行LLLT聯合體育鍛煉對體內脂肪組織轉分化生物標志物的影響，結果顯示在運動后進行LLLT照射可使胰島素、成纖維細胞生長因子和心房利鈉肽水平發生較大幅度變化，并能顯著上調分泌型糖蛋白(WNT)信號傳導分子表達[42]。該研究暗示WNT信號通路參與了LLLT介導的體內脂肪褐變過程?？偟膩碚f，LLLT可通過影響脂肪細胞代謝從而達到改變體型的作用。但LLLT的激光類型、波長、能量密度和作用時間等相關參數以及是否存在相關副作用還需要更多的研究來摸索。

6 結論

LLLT在減輕炎癥反應和促進傷口愈合的作用過程中涉及多條信號通路介導對炎癥因子表達、氧化應激效應和抗細胞凋亡的調控。這些信號通路的相互聯系使得細胞在增殖、遷移和血管形成的作用也呈現出相互促進的狀態。而這些相互聯系通路之間的樞紐蛋白分子或許是今后的研究熱點。LLLT通過改善神經元細胞的能量代謝和促進神經遞質的分泌實現了營養神經和緩解疼痛的作用。其對肌肉的保護主要體現在對抗肌肉運動產生的氧化應激損傷。而對體型的改變作用主要通過影響脂肪細胞代謝來實現。LLLT的這些作用具有應用到其它疾病治療的巨大潛力[43-44]，但還需要對激光的類型、能量密度、波長、作用時間和作用部位與療效的關系進行深入研究。