低能量激光疗法的应用和机制研究进展

余进海，徐柒华，吴玮琪，廖洪斐*

(1.江西省眼科学重点实验室，南昌 330006； 2.南昌大学附属眼科医院 眼外伤、眼眶病科，南昌 330006)

早在上世纪六十年代，人类就发明了基于受激辐射光放大原理所产生的相干辐射光，并将它之称为激光。根据工作物质的不同激光可以分为不同种类，其在军事、科技和医疗卫生等不同领域都发挥了独特的作用。激光在医疗领域的应用，最早于1965年进入眼科领域。其用于治疗眼底视网膜病变、青光眼房水通路开放、膜性白内障、眼部肿瘤光动力抑制、鼻腔泪囊吻合成形以及角膜屈光等方面显示出不可或缺的作用。此后，鉴于激光烧灼、切割、汽化和凝固的特性，激光疗法又在五官科、口腔科和外科治疗中得到广泛应用。激光作为刺激源可在分子水平上调控核酸和蛋白质的合成，改变各种信号传导分子活性与功能[1]。低能量激光是将激光扩束后使其能量密度降低至不会对机体产生损伤的低能量密度激光[2]。随着激光疗法的广泛应用，学者们发现低能量激光在减轻炎症反应、促进伤口愈合、营养神经、保护肌肉和改善体型等方面有积极的疗效。本文就低能量激光疗法的应用和机制研究进展一介绍，以期深入了解低能激光激疗法的光生物调节作用机理，为进一步提高疗效和拓宽应用范围提供思路。

1 减轻炎症反应

低能量激光疗法(low level laser therapy, LLLT)具有抗炎作用，已应用于治疗各种类型的炎症反应。它可以明显改善口腔粘膜溃疡引起的炎症反应[3]。此外，有报道运用能量密度为8 J/cm2，波长为660 nm的镓-铝-砷化物(GaAlAs)激光来治疗牙周炎也可获得很好的疗效[4]。进一步研究发现，激光照射牙周炎部位能抑制牙周膜细胞内肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-1β(IL-1β)、IL-6和IL-8表达并上调细胞内环腺苷一磷酸(cAMP)的浓度[4]。双荧光素酶报告基因检测显示激光处理后细胞内核因子-κB(NF-κB)转录活性提高[4]。这些结果提示cAMP/NF-κB信号通路参与了LLLT减轻炎症反应的调控过程[4]。有趣的是，研究人员用牙龈卟啉单胞菌脂多糖诱导牙龈成纤维细胞来构建牙周炎的体外模型，检测发现经诱导的细胞中前列腺素E-2(PGE-2))和环氧合酶-2(COX-2)蛋白表达增加，当运用635 nm的激光照射后可以显著抑制这两种炎症因子表达[5]。由此可见，LLLT抗炎机制主要是通过激活相关信号通路来下调炎症因子表达，从而减轻炎症反应。

另一方面，有学者发现当用低能量激光针灸足三里穴时可以减轻由缓激肽、组胺和PGE-2引起的小鼠足爪炎性水肿。深入研究显示，低能量激光针炙能降低小鼠肢体水肿模型中的活性氧(ROS)和脂质氢过氧化物(LOOH)水平[6]。该研究暗示LLLT也能够通过抑制氧化应激效应来改善炎症反应。炎症反应不仅能导致疼痛、水肿还能够诱导细胞发生凋亡。LLLT抗炎机制中也存在着对促凋亡和抗凋亡蛋白平衡的调控作用[7]。研究人员用LLLT处理被诱导凋亡的人内皮细胞时，发现凋亡相关蛋白显著下调[8]。这项研究表明LLLT在抵抗细胞凋亡的过程中也能扮演重要角色。总而言之，LLLT在减轻炎症反应过程中有良好的表现得益于其在炎症因子表达、氧化应激效应和抗细胞凋亡等方面的调控作用。

2 促进伤口愈合

影响伤口愈合的因素包括炎症因子表达、细胞增殖活性以及毛细血管量等诸多方面[9]。研究人员发现LLLT能够显著提高糖尿病大鼠背部切口的张力和切口愈合的速度[10]。一般来说，成纤维细胞在伤口愈合过程中扮演了重要角色。Solmaz等[11]将小鼠成纤维细胞用波长为635 nm的低能量激光照射后，发现细胞增殖活性显著增加。体内试验也表明切口处机械拉伸强度较对照组明显提升。最近，有学者检测发现该细胞在接受波长为660 nm的LLLT处理时细胞内血管内皮生长因子(VEGF)基因表达显著增加，而IL-6基因则显著下调[12]。由此看来，LLLT在减轻炎症反应过程中便具有促进伤口愈合作用，而其在促进细胞增殖和血管增生方面的作用则可进一步加速组织损伤的修复。

2.1 促增殖

研究发现CO2激光照射皮肤成纤维细胞后可使细胞发生增殖和迁移，蛋白印迹显示CO2激光的LLLT可以显著提高丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(Akt)、ERK和应激活化蛋白激酶(JNK)蛋白表达。提示在细胞增殖和迁移过程中用Akt、ERK和JNK等信号通路参与其中[13]。此外，有报道Er:YAG激光的LLLT能够促进牙龈成纤维细胞增殖，质谱分析显示半乳糖凝集素-7蛋白表达显著增加[14]。从这些研究来看，LLLT在使细胞增殖过程中，往往伴随相关信号分子参与介导和调控。除了成纤维细胞外，也有报道LLLT可通过上调细胞周期蛋白从而使肌腱细胞发生增殖[15]。另外，有学者发现LLLT还可以增加处于细胞增殖中DNA复制期成骨细胞的含量。同时，Hedgehog信号传导分子的基因和蛋白均呈高水平表达，而运用其抑制剂作用细胞时，可使细胞增殖活性显著下降[16]。总之，LLLT对多种细胞类型都具有促进增殖作用，在此过程中存在多种信号通路参与调控。这种促进细胞增殖的作用或许可以在机体不同类型器官和组织损伤时都能起到很好的修复作用。

2.2 内皮细胞迁移和血管形成

内皮细胞迁移和新血管形成是伤口愈合的关键步骤。有研究表明He-Ne激光的LLLT作用于人脐静脉血管内皮细胞(HUVEC)时，可激活磷脂酰肌醇3-激酶 / Akt(PI3K / Akt)信号通路使内皮细胞一氧化氮合酶(eNOS)蛋白表达增强，进一步提高细胞增殖和迁移的活性[17]。与之类似地，此激光的LLLT也可增加人表皮细胞的ERK磷酸化水平，进而促进表皮细胞增殖和迁移[18]。有报道LLLT可通过激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的信号传导途径来促使口腔上皮细胞迁移，从而加速口腔粘膜的愈合速度[19]。这些研究显示，LLLT能够通过激活多种信号通路来促进细胞迁移。另一方面，有研究发现波长为800 nm的半导体激光在LLLT中可通过NF-κB通路参与基质金属蛋白酶(MMP)基因转录进而增加胶原蛋白合成[20]。一般来说，胶原蛋白可以改善伤口愈合并减少疤痕的产生。此外，有报道MMP在表皮中高表达可促使表皮血管的生成数量增加并且LLLT本身也可以使伤口的血管数量显著提高[21]。从这些研究来看，LLLT促细胞增殖、迁移和血管形成的作用过程涉及多条信号通路的参与。这些信号通路的相互联系也使细胞增殖、迁移和血管形成的作用呈现出相辅相成的状态。

3 营养神经

Abdel等[22]通过水迷宫测试发现LLLT可以改善糖尿病大鼠周围神经病变的空间记忆。这似乎暗示LLLT对影响记忆的神经元细胞具有一定的修复或营养作用。此外，有研究表明LLLT能够减少绝望测试中抑郁小鼠模型的持续静止时间从而改善抑郁样行为，进一步研究发现，LLLT可导致抑郁小鼠的前额皮质中ATP和线粒体复合体表达水平显著上升[23]。这个研究说明LLLT能够增加特定区域神经元的能量供应。脑源性神经营养因子(Bdnf)在神经元分化过程中起重要作用。有学者发现LLLT可诱导背根神经节细胞(DRGNs)中Bdnf的mRNA转录。在此过程中cAMP反应元件结合蛋白(CREB)磷酸化和ERK磷酸化水平显著升高[24]。cAMP主要是由机体能源物质三磷酸腺苷(ATP)脱掉两个磷酸缩合而成。因此，从这些研究来看LLLT对神经元的营养作用与其改善神经元细胞能量代谢密切相关。

神经损伤常导致机体对疼痛敏感性增加，LLLT不仅对神经有营养作用还能减轻机体对疼痛的敏感性。Hagiwara等[25]检测到经过LLLT预处理的血液中β-内啡肽表达量明显升高。β-内啡肽具有较好的疼痛缓解作用，属于一种外周内源性阿片类镇痛模式[26]。此种阿片类物质分泌量主要取决于LLLT的能量密度、波长和作用时间等多种因素[27]。有学者发现紧张性头痛患者经LLLT可获得临床上缓解，进一步研究发现LLLT可降低照射区域血液流速并能够显著升高血液中血清素(5-HT)的水平[28]。此外，有报道LLLT可有效抑制损伤组织处炎性蛋白的表达从而降低机体对疼痛的敏感性[29]。总的来看，LLLT对神经营养和镇痛的作用使其在疾病康复治疗具有较大的应用价值和发展空间。

4 保护肌肉

LLLT在缓解肌肉疲劳方面具有一定疗效。研究人员通过对自行车运动员体能耗尽的测试发现，运用LLLT照射大腿肌肉的运动员可以显著增加体能耗尽所需要的时间[30]。这个研究表明LLLT可以抵抗肌肉疲劳。有报道经LLLT照射大腿肌肉时可以在不影响肌肉纤维传导速度的情况下，降低肌肉肌电图信号的整体幅度[31]。暗示LLLT抗疲劳的作用机制可能来源于LLLT对运动神经的调节。此外，Ferraresi等[32]观察到经LLLT照射后的肌肉中，肌肉生长抑制素表达下调。说明LLLT照射肌肉后还具有防止肌肉萎缩的功效。与之类似的，有学者将LLLT用于处理老年性肌营养不良小鼠模型，发现LLLT可呈能量依赖性调节小鼠中肌营养不良的基因和蛋白表达，从而改善模型小鼠的肌肉形态和功能[33]。从这些研究来看，LLLT能够改善肌肉多方面的性能。

有研究发现LLLT能够通过调节肌肉细胞中肌管线粒体的膜电位并促进ATP增加进而提高肌肉的运动能力[34]。有学者进行了LLLT照射对运动影响的随机双盲交叉试验，通过等速测力计换算出肌肉的肌电疲劳指数，结果显示LLLT处理后可显著提高肌肉抗疲劳能力[35]。研究人员还发现运动前后LLLT照射可使血液中乳酸和肌酸激酶的水平显著降低[36]。这似乎也可以解释LLLT具有缓解肌肉疲劳作用的原因。此外，运动后的骨骼肌处于疲劳状态，可导致ROS、超氧阴离子和超氧化物歧化酶(SOD)等氧化应激的指标活性增加进而引起肌肉损伤[37]。而LLLT可提高细胞色素C氧化酶活性，使骨骼肌在疲劳中损伤更小[38]。LLLT通过调节细胞因子表达、降低代谢产物水平和改善氧化应激损伤等作用来实现对肌肉细胞的保护。

5 改善体型

研究人员对40名健康受试者腹部进行LLLT照射来观察体型改变的情况，4周后发现LLLT组的腰围平均减少2.15 cm，盲法评价治疗前后的照片显示有美观改善。而体外试验表明LLLT照射脂肪细胞后可释放甘油三酯从而使脂肪细胞含量减少[39]。然而，Jankowski等[40]研究表明，LLLT照射后未发现腹部皮下脂肪的减少有统计学意义。这两项研究中LLLT的波长和能量密度没有明显差异，后者治疗周期较短，或许后者是由于能量累积不足而未能达到明显疗效。另一方面，有学者发现LLLT照射后能够显著提高体内脂联素浓度，使得LLLT照射联合体育锻炼比单独体育锻炼更能改善体重指数[41]。最近，研究人员观察了49名肥胖受试者进行LLLT联合体育锻炼对体内脂肪组织转分化生物标志物的影响，结果显示在运动后进行LLLT照射可使胰岛素、成纤维细胞生长因子和心房利钠肽水平发生较大幅度变化，并能显著上调分泌型糖蛋白(WNT)信号传导分子表达[42]。该研究暗示WNT信号通路参与了LLLT介导的体内脂肪褐变过程。总的来说，LLLT可通过影响脂肪细胞代谢从而达到改变体型的作用。但LLLT的激光类型、波长、能量密度和作用时间等相关参数以及是否存在相关副作用还需要更多的研究来摸索。

6 结论

LLLT在减轻炎症反应和促进伤口愈合的作用过程中涉及多条信号通路介导对炎症因子表达、氧化应激效应和抗细胞凋亡的调控。这些信号通路的相互联系使得细胞在增殖、迁移和血管形成的作用也呈现出相互促进的状态。而这些相互联系通路之间的枢纽蛋白分子或许是今后的研究热点。LLLT通过改善神经元细胞的能量代谢和促进神经递质的分泌实现了营养神经和缓解疼痛的作用。其对肌肉的保护主要体现在对抗肌肉运动产生的氧化应激损伤。而对体型的改变作用主要通过影响脂肪细胞代谢来实现。LLLT的这些作用具有应用到其它疾病治疗的巨大潜力[43-44]，但还需要对激光的类型、能量密度、波长、作用时间和作用部位与疗效的关系进行深入研究。