非相干窄谱可见光（LEDs光源）在皮肤科的应用

赵欣研　综述，田　燕　刘　玮　审校

（中国人民解放军空军总医院皮肤病科北京100142）

非相干窄谱可见光（LEDs光源）在皮肤科的应用

赵欣研综述，田燕刘玮审校

（中国人民解放军空军总医院皮肤病科北京100142）

近年来，人们越来越关注利用窄谱低能量非相干可见光照射皮肤以期产生有益的光生物调节作用，而非激光的热效应、剥脱效应来达到辅助治疗皮肤病及美容目的的治疗手段。LED的多种特性使其成为是产生这种低能量、特定脉冲、窄波段光的理想光源。本文就近年来这种可见光在皮肤科领域中的研究应用现状及可能的机制综述如下。

1　LED光源

光疗作为一种最古老的疗法，应用于多种健康问题的治疗，在几千年前古埃及、印度、中国人们已发现可以用日光来治疗皮肤病。在20世纪60年代后期Endre Mester一位匈牙利医生，开始了一系列研究激光的潜在致癌性，对老鼠使用一种低功率的红宝石激光（694nm）。出人意料的是，激光不但没有导致癌症反而促进了为进行实验而被剃掉的小鼠背部的毛发的生长。这是第一个论证低强度激光疗法（LLLT）的光生物调节作用的范例，从而为医学科学开辟了一条新的途径。这个偶然的发现推进了非相干光源（LEDs）像相干光源（激光）一样在医疗领域的应用［1］。

近年来，人们越来越关注利用一种低能量、特定脉冲、窄波段光对细胞产生温和的光生物调节作用，以调节细胞生物活性，而非热作用或剥脱作用，简称为光调作用，或光生物刺激作用［2］。美国国家航天航空局（NASA）对此进行了初步研究，发现特定波长的LEDs光可加速植物生长；宇航员在零重力环境下、海豹突击队员在潜水艇的高气压环境下，伤口易迁延不愈，NASA发现LED光可以有效促进这类情况下伤口愈合。

LEDs是一种可将电流转换成非相干窄谱光的复杂半导体，出现于20世纪60年代，因技术限制只能产生红、绿、黄三色光，无法产生白光，基本沦为在闹钟上显示时间或显示视频摄像机的电池含量的光源，近些年来才被作为照明光源。现在LED光波长可覆盖247～1 300nm，可产生紫外线到可见近红外波长的全部光［1］。

LED与激光的显著区别是低能量输出，LED峰值功率为毫瓦级，而激光是瓦特，是冷光源。作为一种非热效应光源，低能量输出避免了组织损伤的风险，在皮肤医学应用时不易对皮肤造成损伤，因而具有很高的安全性［3］；另一个优点是LED可灵活地组合不同波长阵列的光源，且有更大的照射面积。与普通宽光谱光源相比，目前LED的发射光谱可以控制在约3nm的范围内，可以使用治疗效果最佳的波段而无须担心杂光造成的影响，且指向性好，可用于靶向治疗［4］。

正是LED光源本身的诸多优点决定了LED成为这种低能量窄谱光调疗法的理想光源，现在关于LED光的多项研究不断革新，美容及用光动力疗法（PDT）治疗皮肤癌，LED光疗设备越来越多的应用于皮肤科领域。

2　皮肤的生理特性与光学特性

皮肤是人体中最薄的器官，也是身体最重要的器官之一，分为三层结构，即表皮、真皮、皮下组织，从光学来说皮肤典型的混浊介质，真皮层不均匀的结构限制了光在皮肤中的穿透深度［5-6］。一般而言，波长决定了光源穿透深度，波长越长，光源穿透皮肤的深度越深，可见光中红光的组织穿透力最强，在人体穿透深度为1.0～1.5cm，可穿透真皮达浅筋膜，但大部分在真皮层被吸收［7］。根据生物组织中各吸收成分在不同波长下的吸收性质，光学方法通常采用600～1 300nm波长范围对生物组织进行诊断与治疗，这一范围被称为生物组织的光学诊断窗口［8］。

皮肤对可见及近红外波长光的吸收主要来自于黑色素、血液与水分［9］。黑色素存在于人体表皮层中，是决定皮肤在紫外与可见波长吸收性质的主要成分。黑色素在紫外、可见及近红外波段有较宽的吸收光谱，对较短波长的光吸收更强［10］。血液对光的吸收主要来自于血红蛋白，血红蛋白在400～600nm有较强的吸收能力［10］，其中含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白具有不同的吸收光谱，这使得血红蛋白的吸收成为光学方法的内源标记物，使利用光学方法检测组织氧代谢能力成为可能。相比较黑色素和血液、水在可见波长的吸收非常低，几乎可以忽略不计，但随着波长的增大，尤其在1 300nm以上水成为皮肤中最主要的吸收介质。由于水的吸收峰分布在近红外波长区域，对于皮肤组织水分含量的检测常常需要采用近红外光光谱分析。

人体皮肤系统存在类似于视网膜的接收可见光的传感器及效应蛋白，视杆细胞和视锥细胞光受体样蛋白，如：视紫质等均在皮肤表达［11］。光子必须被线粒体或细胞膜上的一些光受体（photoacceptors）如发色团-卟啉、核黄素或其他感光物质吸收，进而影响细胞内的二级相关蛋白，从而将光信号转变成细胞内的分子信号，才能在一个活的生物系统产生可能的影响。像与植物可以利用叶绿素将阳光转化到植物组织内一样，人体细胞也能被一定波长能级的光触发细胞内天然的光生物化学反应机制［12］。

光调作用的主要靶目标是细胞，其作用机制被认为是发生在线粒体水平上能量开关机制的活化，吸收的能量能活化细胞功能，促进细胞增殖和迁移，调控细胞因子和炎症介质水平。这一过程与植物光合作用中在叶绿体上发生电子传递类似。现有研究认为红光和近红外光的光受体可能是位于呼吸链末端的一种关键调控酶—细胞色素氧化酶，可以通过线粒体逆行传导（mitochondrial retrograde signaling）信号通路发挥光生物学效应［13-14］。

3　LEDs光源在皮肤科中的研究应用现状

3.1改善皮肤光老化

近年来，关于利用LED光源达到光子嫩肤效果的光调节疗法已成为皮肤美容领域的新热点之一。研究表明，皮肤老化与胶原合成下调及金属基质蛋白酶（MMP）表达增高有关，而MMPs表达增高又会加速真皮胶原的裂解。因此，改善皮肤衰老的有效方式为促进胶原合成，减少MMP的产生以减少胶原的降解［15］。此外，QL等［16］研究发现低能量激光疗法通过下调p21的表达抑制由UV接到的ERK/FOXM1通路的细胞衰老机制。Barolet通过在组织工程人工皮肤模型上比较LED处理组与对照组的组织学和生物化学改变，发现连续脉冲方式660nmLED照射后I型胶原蛋白合成增加，MMP-1表达减少；同时对皮肤光老化受试者进行随机单盲研究，半边脸予以660nm LED光照射，结果显示临床上＞90%的患者皱纹深度和皮肤粗糙得以改善。LEDs660nm光的嫩肤作用可能通过逆转胶原合成下降、金属基质蛋白酶表达升高实现［17］。王秀丽等［18］通过对14例光老化受试者前臂伸侧皮肤进行不同波长530nm、630nm、850nm的LED光照射发现，630nm、850nm的LED光对皮肤光老化有较好的改善作用，皮肤外观、屏障功能均有所改善。组织学结构上630nm LED光照射后基底层色素颗粒减少，乳头层胶原纤维细小致密，染色加深，真皮上部胶原排列更加整齐紧密，胶原纤维断裂、排列紊乱和聚集成团现象得到明显改善；出现较多细长弹性纤维并重新排列，趋于整齐；而在850nm LEDs光组胶原纤维的这种则以改变以真皮中下部更为明显；530nm的LED光虽然也能能刺激胶原纤维和弹性纤维增生和重排，但对皮肤屏障功能的改善不明显，且会引起基底层黑素颗粒增加，使皮肤黑素指数升高，纹理加深、肤色变暗。提示LEDs治疗光老化时，需选择合适波长等光学参数以达到获益目的。Weiss等［19］临床试验中发现，93例光老化患者应用590nm LED进行治疗，结果显示90%的患者光老化症状改善，大部分患者眶周皱纹改善，皮肤整体质地和皮肤潮红、色素斑等显著改善。但PR等［20］研究应用LED光源（588±10）nm对一组皮肤光老化受试者予以每次40s，每周1次，连续8周的照射，结果表明受试者的皮肤光老化未见明显改善，只起到了安慰剂的作用。以上研究提示我们不同的波长、能量密度等参数的选择在光生物调节作用中十分重要。

3.2促进创面愈合

LED红光能对创伤愈合有促进作用已获得广泛的认可。有研究［21］应用波长633nm，剂量2.2J/cm2，分别使用相干偏振、相干非偏振、非相干偏振、非相干非偏振等四种光波辐照兔实验性伤口。观察指标包括愈合天数、单核细胞浸润、粒细胞浸润、淋巴细胞和浆细胞浸润、单核细胞酯酶含量、覆盖上皮再生、新生毛细血管及其内皮细胞DNA含量、附件再生、附件及上皮细胞核DNA等，结果表明均可促进伤口内巨噬细胞胞浆酯酶含量增加，促进上皮、附属器、成纤维细胞的再生以及相应的各类细胞核内DNA含量的增加，促进伤口的愈合。四种633nm光波的光生物作用无差异，提示在光生物调节/光生物刺激作用，光源的光谱范围及剂量是关键因素，相干性并不重要，红光的疗效基本属于He-Ne激光范畴，另外尤其独特的生物效应及临床应用价值。

3.3 UV防护

一项研究［22］LEDs 660nm波长红光对皮肤提高抵抗UV能力的临床试验中，分别对13例健康受试者和2例多形性日光疹患者在UV照射前给予660 nm LED照射，结果显示LED照射组在UV照射后红斑产生明显减少，对UVB的防护等同于SPFl5的效果，此外炎症后色素沉着也显著减轻。本人在另一项临床试验中亦发现类似结果，在UVB照射24h后给予630nm LED红光照射，然后间隔24h一次，一次20min，能量密度126mJ/cm2，可以降低红斑EI指数，在Fitzpatrick皮肤光分型II型皮肤上更明显，提示630nm LEDs红光光生物调节作用可减轻UVB引起的急性损伤反应。

3.4痤疮的治疗

利用波长为415nm左右的LED蓝光照射痤疮丙酸杆菌可以使厌氧性痤疮丙酸杆菌内源性的卟啉产生单线态氧，促进原卟啉IV和粪卟啉发生光化学反应，产生单线态氧，起到灭菌效果，有辅助治疗痤疮的作用，且没有传统治疗的耐药性和副作用，目前国内应用较多。

3.5炎症

多项研究发现光生物调节作用能通过抑制PEG-2和花生四烯酸的产生起到抗炎作用［23-25］，有治疗激素依赖性皮炎、修复激光损伤等潜力。

3.6脱发

Pinar Avci等［26］研究发现LLLT弱激光疗法对化学因素所致小鼠脱毛有促进毛发生长的作用，可能机理是LLLT刺激了毛囊干细胞向生长期的分化，且有助于斑秃的毛发生长。

综上所述，这种低能量、窄波段的可见光在皮肤科有着广泛的应用前景，但光调作用产生各种生物效应的亚细胞分子机制有待进一步阐明；LEDs由于其优良的发光特性，是窄谱低能量可见光疗法理想光源；但光调作用产生的生物学活性因光源照射参数的不同而存在差异，应用于临床时光治疗参数的选择十分重要。因此，为确定达到某种治疗目的需要精确的参数选择包括波长、能量密度、功率密度、照射时间、连续/脉冲模式、治疗频率、治疗间隔时间和累积治疗次数，这有待于更多的临床研究积累。

［1］DB.Light-emitting diodes（LEDs）in dermatology［J］.Semin Cutan Med Surg，2008，27（4）：227-238.

［2］WeissRA，McdanielDH，GeronemusRG，etal.Clinical experience with light-emitting diode（LED）photomodulation.［J］.Dermatologic surgery：official publication for American Society for Dermatologic Surgery，2005，31（Supplement s3）：1199-1205.

［3］SteinbauerJM，SchremlS，KohlEA，etal.Photodynamic therapyindermatology［J］.JDerDeutschenDermatologischen Gesellschaft，2010，8（6）：454-464.

［4］PogueBW，LilgeL，PattersonMS，etal.Absorbed photodynamic dose from pulsed versus continuous wave light examined with tissue-simulating dosimeters［J］.Appl Opt，1997，36：7257-7269.

［5］YoonJ，Son T，Choi E，et al.Enhancement of optical skin clearingefficacyusingamicroneedleroller［J］.JofBiomedical Optics，2008，13：021103.

［6］Anderson RR.The optics of human skin［J］.J of Investigative Dermatology，1981，77（1）：13-19.

［7］TrommerH，NeubertRHH.OvercomingtheStratum Corneum：TheModulationofSkinPenetration［J］.Skin Pharmacology&Physiology，2006，19（2）：106-121.

［8］Tuchin，Valery V.Tissue Optics Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis［M］.Spie Optical Engineering，2000：106-108.

［9］闻翔.皮肤光透明的物理机制与生理机制研究［D］.武汉：华中科技大学，2012.

［10］Jacques，StevenL，McAuliffe.Themelanosome：threshold temperatureforexplosivevaporizationandinternal absorptioncoefficientduringpulsedlaserirradiation. Photochemistry&Photobiology［J］.Photochemistryand Photobiology，1991，53（6）：769-775.

［11］Tsutsumi M，Ikeyama K，Denda S，et al.Expressions of rod and cone photoreceptor-like proteins in human epidermis［J］.Experimental Dermatology，2009，18（6）：567-570.

［12］Mathger LM，Roberts SB，Hanlon RT，et al.Evidence for distributed light sensing in the skin of cuttlefish，Sepia officinalis［J］.Biol Lett，2010，6（5）：600-603.

［13］Singh KK，Kulawiec M，Still I，et al.Inter-genomic cross talk between mitochondria and the nucleus plays an important role in tumorigenesis［J］.Gene，2005，18：140-146.

［14］Schroeder P，Pohl C，Calles C，et al.Cellular response to infraredradiationinvolvesretrogrademitochondrial signaling［J］.Free Radic Biol Med，2007，1：128-135.

［15］Barolet D，Roberge CJ，Auger FA，et al.Regulation of skin collagen metabolism in vitro using a pulsed 660 nm LED light source：clinical correlation with a single-blinded study［J］.JofInvestigativeDermatology，2009，129（12）：2751-2759.

［16］Ling Q，Meng C，Chen Q，et al.Activated ERK/FOXM1 pathway by low-power laser irradiation inhibits UVB-inducedsenescencethroughdown-regulatingp21expression［J］.JofCellularPhysiology，2014，229（1）：108-116.

［17］Barolet D，Roberge CJ，Auger FA，et al.Regulation of skin collagen metabolism in vitro using a pulsed 660 nm LED light source：clinical correlation with a single-blinded study［J］.JofInvestigativeDermatology，2009，129（12）：2751-2759.

［18］吉杰，丁蕙琳，王晓鑫，等.三种波长发光二极管光对光老化皮肤的作用研究［J］.中华皮肤科杂志，2014，47（3）：412-430.

［19］Weiss R A，Weiss M A，Geronemus RG，et al.A novel nonthermal non-ablative full panel LED photomodulation device for reversal of photoaging：digital microscopic and clinical results in various skin types［J］.J Drugs Dermatol，2004，3（6）：605-610.

［20］Boulos PR，Kelley JM，Falc00o MF，et al.In the Eye of the Beholder-Skin Rejuvenation Using a Light-Emitting Diode Photomodulation Device［J］.Dermatologic Surgery，2009，35（2）：229-239.

［21］顾恒，常宝珠，陈崑.光皮肤病学［M］.北京：人民军医出版社，2009：132-133.

［22］BaroletD，BoucherA.LEDphotoprevention：Reduced MED response following multiple LED exposures［J］. Lasers in Surgery&Medicine，2008，40（2）：106-112.

［23］Pereira M C，de Pinho CB，Medrado A R，et al.Influence of 670 nm low-level laser therapy on mast cells and vascular response of cutaneous injuries［J］.J of Photochemistry& Photobiology B Biology，2010，98（3）：188-192.

［24］LimW，LeeS，KimI，etal.Theanti-inflammatory mechanism of 635nm light-emitting-diode irradiation compared with existing COX inhibitors［J］.Lasers Surg Med，2007，39：614-621.

［25］Khoury JG，Goldman MP.Use of light-emitting diode photomodulation to reduce erythema and discomfort after intense pulsed light treatment of photodamage［J］.J Cosmet Dermatol 2008，7：30-34.

［26］MD PA，Gaurav K，Gupta MDP，et al.Low-level laser（light）therapy（LLLT）fortreatmentofhairloss［J］.Lasersin Surgery and Medicine，2013，46（2）：144-151.

编辑/李阳利

Incoherent light（LEDs）with narrow spectrum applications in dermatology

2015中华医学会-欧莱雅中国人健康皮肤研究项目（红光光调作用对角质形成细胞合成神经酰胺的影响，编号：S2015121426）

刘玮，空军总医院皮肤病医院院长、主任医师、博士研究生导师；研究方向：皮肤美容、性病、银屑病等治疗与研究；E-mail:lwei5811@126.com

2015-06-03

2015-07-15