光生物調節療法治療放射性口腔黏膜炎作用機制研究進展

陳敬儒,李鳳丹,江銀華

光生物調節療法(photobiomodulation therapy,PBMT)是利用內源性生色團吸收光(包括可見光、紅外線、近紅外線)產生光化學或光物理反應,觸發非熱、非細胞毒性生物反應,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癥之一,其主要表現為黏膜干燥,灼痛,潰瘍,當損傷波及黏膜下層時造成劇烈疼痛影響患者進食,嚴重者中斷放療[2],發病率為80%～100%[3]。根據RTOM臨床表現特點,臨床實踐多采取對癥治療(口腔護理,抗菌鎮痛藥物,冷凍療法等方式),以促進創口愈合,緩解患者痛苦,降低其對患者放療病程的影響[4]。雖然PBMT治療作用的生物機制尚未完全闡明,但其控制疼痛,促進組織愈合的臨床作用,已得到臨床研究證實[5-7]。本文就PBMT在RTOM治療中作用機制研究進展進行綜述。

1 PBMT

PBMT起源可追溯至20世紀60年代,Mester教授發現剃毛小鼠接受低水平紅寶石激光照射后,毛發增長加速[8]。隨后他又發現氦氖激光照射能促進小鼠創口愈合[9],并將研究結論逐步應用于臨床潰瘍治療。在PBMT研究早期,以激光為主要研究對象,該療法后續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療激光治療形式相比,這種光的強度較低,組織細胞在電子水平上吸收激光,并不產生熱量[10]。20世紀90年代,研究人員將發光二極管(light emitting diode,LED)技術引入臨床研究實踐[11],發現LED照射組織,同樣被吸收的光子不會以熱量的形式損失,而是直接轉移到吸收細胞或發色團,引起靶細胞的光激活和它們相關活性的某種變化[12]。LLLT和LED也成為現在臨床應用較多的PBMT治療模式。

對PBMT機制研究,發現線粒體呼吸鏈中細胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase,CCO)和光/熱門控離子通道為主要的內源性生光團。CCO吸收攝入光子發生光化學級聯反應以及質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,以此激活多種轉錄因子和信號通路[13]。

隨著技術的進步,PBMT設備種類繁多,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發病機制

RTOM作為頭頸部腫瘤患者接受放療后常見的并發癥,其發病機制的研究受廣泛關注。Sonis研究建立RTOM五期模型[14](起始-初始損傷-信號放大-潰瘍-愈合),表明電離輻射誘導DNA斷裂致使細胞凋亡,死亡細胞釋放內源性損傷相關模式分子(damage associated molecular patterns,DAMPs),引起免疫應答。同期活性氧(reactive oxygen species,ROS)分泌增加介導非DNA損傷,激活NF-κB信號通路,NF-κB上調環氧合酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2),COX-2作為通過在前列腺素產生中發揮作用而參與炎癥的誘導酶,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。成纖維細胞受到電離輻射損傷,致使基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs)的分泌,如MMP1和MMP3,分別降解膠原上皮下基質和分解上皮基底膜[16],口腔黏膜完整性被破壞,細菌定植繼發感染加重RTOM。隨著對RTOM病理機制研究的深入,Paris等[17]應用C57BL/6小鼠全身照射模型(12～15 Gy)研究,發現輻射造成微血管內皮損傷是導致黏膜損傷阻礙干細胞增殖分化的原發病變,同時進一步驗證基底膜結合的堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)保護內皮細胞免受輻射誘導的細胞死亡,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的作用機制

3.1 減輕炎癥反應

RTOM發生發展過程的關鍵在于ROS產生及促炎癥因子釋放導致黏膜細胞凋亡,形成炎癥反應正反饋擴大損傷。對此,PBMT通過參與調節巨噬細胞極化和炎癥細胞因子表達[18],達到抑制炎癥反應,減緩促炎癥因子釋放的目的。當巨噬細胞受到損傷、感染等刺激后會迅速激活成具有不同生理特性的不同表型,M1表型巨噬細胞表達并分泌炎癥分子,如細胞因子白細胞介素1β(interleukin-1β,IL-1β)、白細胞介素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,導致炎癥急性期;M2表型巨噬細胞表達并分泌血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、轉化生長因子(transforming growth-factor,TGF)和胰島素生長因子(insulin growth factor,IGF)促進后期肉芽組織的形成[19]。研究發現660 nm紅激光照射4 h后M1表型巨噬細胞下調CCL3、CXCL2、TNF-α和M2表型巨噬細胞CXCL2mRNA表達,780 nm紅激光照射4 h后M2表型巨噬細胞抗炎因子TGF-β1表達上調,以降低急性炎癥損傷的嚴重程度[20]。此外,有研究發現PBMT能抑制極化后的巨噬細胞分泌ROS,并上調Nrf2的表達。Nrf2作為氧化還原敏感的轉錄因子,可調節氧化應激反應,并通過調節細胞因子的產生和與NF-κB信號通路產生交叉作用抑制炎癥,在炎癥刺激或氧化應激引起的疾病中發揮保護作用[21]。Silveira等[22]研究PBMT對大鼠急性肌肉損傷炎癥過氧反應的影響,發現早期應用PBMT有效地恢復超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD,抗氧化酶)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)在組織內水平,抑制損傷肌肉中氧化應激狀態的誘導。將PBMT用于臨床研究進一步驗證其抗炎效果發現,對55例老年RTOM患者進行分組,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 促進細胞增殖

口腔黏膜細胞屬于快反應細胞,其損傷修復關鍵在于角質形成細胞、成纖維細胞和間充質干細胞快速增殖分化以對抗電離輻射誘導的細胞凋亡[24]。對此,PBMT可通過誘導損傷處角質形成細胞、成纖維細胞和膠原蛋白增殖分化以促進創口修復[25]。PMBT最重要的發色團之一是細胞色素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,在線粒體內產生質子梯度,從而釋放大量的腺嘌呤核苷三磷酸(ATP),能量的增加促進細胞增殖移動[26]。PBMT作用后從CCO解離的NO是一種有效的血管擴張劑,增加微循環中血液和氧氣供應,改善輻射所致的微循環損傷[27]。此外,PBMT激活線粒體表面光敏離子通道,使得鈣離子進入,促進環磷酸腺苷(cAMP)和ROS釋放。高濃度的R0S具有細胞毒性,導致多個信號級聯被中斷[28],而適量ROS可在ATP合成的生產過程中產生正常代謝,并調節氧化還原反應和參與增殖、分化的蛋白質[29],PBMT誘導正常細胞系中ROS產生適度地增加,同時其能降低已經暴露于氧化應激反應的細胞中的ROS水平[30]。研究表明[31],PBMT也可促進組織釋放堿性成纖維細胞生長因子,角質細胞生長因子(keratinocyte growth factor,KGF)等生長因子釋放,促進肉芽組織的生成,上皮細胞的增殖遷移,誘導上皮再形成以及維持上皮的正常結構。

Bourouni等使用810 nm二極管激光體外培養人成骨樣細胞MG36(human osteoblast-like cell MG36)和人牙齦成纖維細胞(human gingival fibroblast,HGF),發現人成骨樣細胞MG36和HGF在24、48、72 h照射點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)表達增強[32]。Li等[33]研究發現使用1.0、2.0、4.0 J/cm2,650 nm半導體鋁砷化鎵激光器照射人臍靜脈內皮細胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVEC),通過促進磷脂酰肌醇-激酶(PI3K)和蛋白激酶B(Akt)的磷酸化,激活PI3K/Akt途徑,使其出現劑量依賴性增殖,并且劃痕實驗表明PBMT對HUVEC移動速度具有誘導性(6.36、8.98和11.68 μm/h)。Gang團隊將CO2激光應用于RTOM小鼠模型,同樣發現CO2激光誘導創面上皮細胞增殖,加速創口再上皮化,上調熱休克蛋白-70和黏連蛋白C的表達[34]。

3.3 抑制創面細菌生長

RTOM發展至潰瘍階段常合并口腔內微生物感染加重。因放療導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大量增殖,通過病原相關分子模式滲入體內,其鞭毛蛋白與宿主Toll樣受體5(TLR5)結合,通過募集NF-κB和產生促炎細胞因子,啟動典型的促炎途徑[37]。研究表明,特定發色團靶標復合物Ⅳ是真核生物線粒體呼吸鏈的細胞色素C氧化酶,在細菌中也作為大型跨膜蛋白復合物存在[38]。當治療劑量激光照射至黏膜損傷部位時,該區域的細菌會同時吸收能量,激活細胞膜鈣離子通道和短暫的ROS爆發,影響細菌增殖[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變形鏈球菌、嗜酸乳桿菌,在暴露即刻和24 h后,菌落數目均有明顯下降[40]。Nussbaum等的研究發現,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,且呈劑量依賴性[41]。口內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者混合進行體外培養,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時間點進行照射,發現激光照射抑制單獨培養的SSB中琥珀酸脫氫酶活性和SSB、DSB各自生物膜形成,但在混合培養生物膜中,SSB因DSB存在而對PBMT產生一定的耐藥性。掃描電鏡下觀察微生物的形態未發生改變,但SSB對玻璃基質的黏附作用減弱,生物膜中微生物結構存在一定的分解。雖然RTOM發病機制存在ROS誘導組織損傷過程,但PBMT同時可上調機體內SOD對抗氧化應激。臨床試驗表明,PBMT在防治RTOM的過程中,并不會對周圍組織產生損害[43]。

3.4 緩解疼痛

RTOM產生疼痛主要包括傷害性疼痛和神經性疼痛[44]。輻射導致組織損傷釋放炎性介質激活痛覺感受器的瞬時受體電位家族離子通道(transient receptor potential,TRP)從而產生疼痛[45]。ROS作為瞬時感受器重要的內源性激動劑,提高外周和中樞神經敏感性,從而引發神經性疼痛[46]。輻射損傷造成持續性疼痛會導致神經元活動特異性持續,改變突觸的結構和功能,周圍神經功能障礙疼痛加劇,產生額外的神經性疼痛[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、促進組織細胞快速修復、促進內源性阿片類物質釋放來緩解疼痛[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,發現PBMT通過促進含有阿片類物質的免疫細胞優先遷移到炎癥部位,釋放內啡肽,激活疼痛抑制阿片類受體[49],內源性阿片類物質可通過分泌前體分子促腎上腺皮質激素和促腎上腺皮質激素釋放因子引起外周鎮痛[50]。但該反應存在照射劑量限制,研究推薦采用3 J/cm2或8 J/cm2激光強度以獲得良好的鎮痛效果。此外,研究發現采用PBMT能可逆性破壞背根節神經元中微管結構,抑制快軸突電流和線粒體膜電位,抑制神經傳導所需能量合成,使得痛覺傳導抑制[51]。姜彤等[52]將60例口腔癌放療患者分為2組,應用632.8 nm氦氖激光以緩解RTOM患者疼痛[52],發現PBMT治療組患者疼痛程度以及疼痛持續時間(5.31±6.43)d和對照組疼痛程度和疼痛持續時間(9.89±6.08)d相比,顯著降低(P<0.05)。此外,PBMT組和對照組患者使用阿片類鎮痛藥的使用率分別為7%和21%(P<0.001)。

4 PBMT治療參數及療效

目前PBMT治療RTOM最佳參數指標在探索中,但研究人員在世界激光治療協會會議(WALT)上總結建議使用紅色或近紅外光LED/激光設備[53],①口內設備預防RTOM:放療前30～120 min,每個治療場的總劑量為1.2愛因斯坦(650 nm的光子通量=5.7 pJ/cm2),波長630～680 nm,功率密度10～50 mW/cm2。②口內設備治療RTOM:波長630～680 nm,功率密度10～50 mW/cm2。總劑量為2.5愛因斯坦(光子通量在650 nm=11.4 pJ/cm2),3～4次/周,共15～20次,或直至放療結束RTOM創口愈合。③設備經皮膚預防RTOM:放療前30～120 min,每個治療場的總劑量為1愛因斯坦(810 nm的光子通量=4.5 pJ/cm2),波長800～1 100 nm,功率密度30～150 mW/cm2。④設備經皮膚治療RTOM:每個治療場的總劑量為2愛因斯坦(光子通量在810 nm=9 pJ/cm2),波長800～1 100 nm,功率密度30～150 mW/cm2。3～4次/周,共15～20次,或直至放療結束RTOM創口愈合。其余400～1 100 nm可適當調整劑量使用,但所有操作過程要實時監控溫度<45 ℃。此外,在近期的科研實踐中,對PBMT療效也進行了一定的總結分析。一項納入8項實驗的系統性回顧性研究表示[54],7項實驗(792例患者)一致表明≥3級RTOM發生率、持續時間和強度降低,腸外營養和阿片類藥物使用減少。另一項系統性回顧研究也表明[55],PBMT對RTOM具有良好的治療效果,顯著降低重度RTOM持續時間、發病率和疼痛度。對其安全性分析,Antunes等[56]對94例頭頸部腫瘤放化療患者隨機分組,進行時長41.3個月的跟蹤隨訪,發現經過PBMT治療的患者總生存率為57.4%,對照組患者生存率為40.4%;并且在腫瘤治療過程中,對照組患者出現胃腸道病變、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治療患者遠期療效的追蹤觀察,如治療結束后并發癥、腫瘤復發等情況。

5 小 結

PBMT作為一種安全、無痛的非藥物治療手段,因其有效的抗炎鎮痛促愈合作用,在口腔臨床醫學領域被推薦使用。但PBMT與其他療法聯合的最佳組合、PBMT是否可長期應用等細節問題尚沒有明確統一的答案。其次PBMT對RTOM作用機制研究主要在于其抑制炎癥因子分泌、促進組織愈合和緩解疼痛。雖然多項研究表明PBMT對細菌生長存在抑制作用,但其作用機制,抑制靶點尚未完全明了,此外除了研究對體外培養單一菌群變化的作用外,PBMT對口內多種菌種混合形成生物膜的作用以及不同能量和波長對菌群是否存在抑制作用仍需進一步驗證。