低能量激光治疗在骨科领域的研究进展

陈景涛 王新涛

低能量激光治疗(LLLT)又称光生物调节治疗(PBMT)，是指使用红色或近红外区域(波长通常为600～1 100 nm)的单波长相干性激光作用于细胞和组织，以产生各种有益的生理效应及临床疗效。其所使用的能量密度通常为1～20 J/cm2，输出功率为10～500 mW，功率密度(功率/面积，单位W/cm2)可根据实际光源和光斑尺寸而变化[1]。LLLT不产生热量，不会造成不可逆性损伤，故也称“冷激光”。1960年，Maiman[2]最早发明了可产生低能量激光的红宝石激光器，但其生物安全性受到质疑。Mester等[3]为探索低能量激光是否具有潜在的致癌风险进行研究，结果发现波长为694 nm的低功率红宝石激光照射未导致癌症，且改善了实验小鼠毛发的生长，并将该作用称为“光生物刺激”。后续实验发现，红宝石激光(波长694 nm，0.5～10 J/cm2，伤口每周接受2次激光照射，共6次)可加速动物伤口的愈合[4]。

1 LLLT在骨科基础研究中的进展

研究发现，LLLT可促进多种细胞如成骨细胞、成纤维细胞、骨髓间充质干细胞(BMSC)、脂肪间充质干细胞(ADSC)、口腔间充质干细胞、淋巴细胞和角质形成细胞等的增殖和分化，但产生该效应的具体机制一直存在许多争议[5]。目前较为公认的机制是：当光量子被细胞吸收后，通过电信号作用于细胞线粒体的呼吸链，增强细胞色素c氧化酶(CCO)的活性，从而将光量子转变为代谢能量，提高细胞内三磷酸腺苷(ATP)水平[6]。

1.1 LLLT对BMSC的影响

BMSC是一种具有多向分化潜能的细胞，在骨科临床中应用较广。Fallahnezhad等[7]研究LLLT对骨质疏松大鼠BMSC的影响，发现LLLT[氦(He)氖(Ne)激光, 632.8 nm, 3 mW，1.2 J/cm2]可明显改善其细胞活力和成骨潜能，并增加转化生长因子(TGF)-β、胰岛素样生长因子(IGF)-1和碱性磷酸酶(ALP)的活性。Soleimani等[8]研究发现，LLLT对BMSC增殖和分化为成骨细胞、神经元细胞的影响具有剂量依赖性，能量密度为3 J/cm2的LLLT可促进BMSC增殖和向神经元细胞分化，能量密度为6 J/cm2的LLLT可促进BMSC向神经元细胞分化，能量密度为2 J/cm2和4 J/cm2的LLLT可促进BMSC增殖及向成骨细胞分化。Zhang等[9]研究发现，LLLT能通过脂联素(APN)途径和Wnt途径促进β-连环蛋白(catenin)进入细胞核，从而促进BMSC向成骨细胞分化，抑制其向脂肪细胞分化,促进骨形成。

1.2 LLLT对ADSC的影响

ADSC具有较高的分化潜能，可分化为成骨细胞、软骨细胞、肌细胞和脂肪细胞等。Liao等[10]研究发现，连续5 d使用GaAlAs激光器(650 nm，523 mW,4 J/cm2,单次照射时间600 s)照射可促进ADSC增殖和分化，且促进生长因子分泌。de Oliveira等[11]应用镓(Ga)铟(In)铝(Al)砷 (As)激光 (660 nm,30 mW)分别照射人和大鼠ADSC，照射时间分别为25 s、50 s、100 s、300 s，对应能量密度分别为0.75 J/cm2、1.5 J/cm2、3 J/cm2、9 J/cm2，结果发现人、大鼠ADSC的血管内皮生长因子(VEGF)和VEGF 2型受体的基因表达均升高，认为LLLT可能是通过上调VEGF的mRNA表达，促进人、大鼠ADSC的增殖和分化。

1.3 LLLT对成骨细胞的影响

Stein等[12]使用HeNe激光(632 nm，10 mW, 0.43 J/cm2,单次照射3 s)照射人成骨细胞，发现经LLLT照射后，其ALP、骨桥蛋白(OP)及骨唾液蛋白(BSP)的表达比未经LLLT照射的同种细胞高出2倍，同时促进了成骨细胞的增殖和分化。Pires等[13]应用GaAlAs激光器(830 nm，50 mW，3 J/cm2)研究LLLT对小鼠成骨细胞OFCOL Ⅱ的影响，结果发现经LLLT照射后，OFCOL Ⅱ细胞在增殖过程中线粒体形态发生改变。研究发现，与未经过照射的成骨细胞相比，短期应用LLLT能促进体外培养的人成骨细胞增殖和分化。Oliveira等[14]分别使用半导体激光器和发光二极管发出能量密度为10 J/cm2和50 J/cm2的红外光，并研究对比这两种红外光对人成骨细胞增殖和分化的影响，结果显示两种能量密度的红外光均能诱导细胞外调节蛋白激酶(ERK)1/2的激活，应用ERK抑制剂后，半导体激光诱导的增殖明显被抑制，表明不同类别的激光可能通过不同机制产生效应。Bolukbasi等[15]应用波长分别为635 nm和809 nm、输出功率50 mW的LLLT对成骨细胞进行照射，结果显示激光照射后48 h内，能量密度为0.5 J/cm2、1 J/cm2和2 J/cm2的LLLT对成骨细胞存活和增殖有短暂影响，但LLLT却对ALP活性无任何影响。而近期有研究发现，波长为635 nm的LLLT可促进成骨细胞及人BMSC的增殖、黏附和成骨分化，证明其对成骨细胞的作用是通过分泌蛋白激酶B(Akt)途径介导[16]。

1.4 LLLT对成纤维细胞的影响

Szezerbaty等[17]使用波长660 nm、能量密度为5 J/cm2的GaInAlAs激光照射成纤维细胞，结果表明经过72 h照射的成纤维细胞蛋白质合成有所增加，VEGF基因表达量显著增加，白细胞介素(IL)-6基因转录显著减少。Coskun等[18]使用LLLT(能量密度分别为4 J/cm2、8 J/cm2、16 J/cm2，功率分别为50 mW、100 mW、200 mW、300 mW、400 mW和500 mW)照射成纤维细胞及成骨细胞，结果显示能量密度为4 J、8 J和16 J的激光可以诱导成纤维细胞和成骨细胞增殖，50～500 mW功率范围内的LLLT均可诱导细胞增殖，但200～400 mW范围内的LLLT细胞增殖效果最好。

2 LLLT在骨科中的临床应用价值

2.1 促进骨愈合及骨修复

多研究证明，LLLT能刺激骨组织代谢，加速骨折愈合及修复[19-21]。Medalha等[22]研究发现，LLLT可通过加速新生骨沉积及激活成骨因子(如RUNX 2)改善大鼠胫骨缺损的骨愈合过程。Tim等[23]使用GaAlAs激光器(830 nm,30 mW)对胫骨缺损大鼠进行5次激光照射(光斑面积0.028 cm2，每次照射94 s，能量密度100 J/cm2)，结果表明LLLT能吸引骨原细胞并诱导其分化为成纤维细胞和成骨细胞，且通过上调COL-Ⅰ基因的表达，在骨修复早期促进胶原沉积，从而改善骨修复过程。

2.2 改善骨质疏松

Sohn等[24]研究表明，LLLT可通过降低活性氧(ROS)的产生抑制破骨，认为LLLT可能是治疗骨质疏松症的新型保守方法。Scalize等[25]使用波长为780 nm的GaAlAs激光器 (输出功率40 mW, 光斑面积0.04 cm2, 能量密度分别为20 J/cm2和30 J/cm2)对骨质疏松颅骨缺损大鼠进行治疗，发现治疗后7 d、13 d、25 d新骨形成明显增多。Zhu等[26]研究发现，LLLT能有效改善老年大鼠骨质疏松症，增加骨密度，改善骨结构和骨生物力学性能，同时能提高血清中的ALP和骨钙素(OCN)水平以及骨髓中成骨细胞数量。综上，LLLT 不仅可以有效促进骨质疏松情况下的骨愈合，甚至还可以替代药物治疗骨质疏松症。

2.3 抑制炎症及缓解疼痛

LLLT被广泛应用于各种肌肉骨骼疾病及术后疼痛。Tomazoni等[27]研究发现，LLLT(830 nm，100 mW)对肌肉挫伤后炎症反应有抑制作用，与局部应用非甾体类抗炎药相比具有更好的疗效，可有效降低肿瘤坏死因子(TNF)-α、IL-1β和IL-6的水平。Langella等[28]对18例髋关节置换术后患者进行研究，发现LLLT照射后患者疼痛视觉模拟评分(VAS)、血清TNF-α和IL-8水平均下降。

2.4 促进创面愈合

Braverman等[29]在新西兰大白兔背部的对称位置作2条长1.5 cm的伤口，不进行缝合，单独或联合应用HeNe激光 (632.8 nm)与脉冲红外激光 (904 nm)照射其中一侧伤口，结果发现双侧伤口在愈合过程中的抗张强度均增加，认为可能由于组织因子释放到体循环中，从而增加了非激光照射侧伤口的抗张强度。有学者[30]指出，Janus激酶/信号转导与转录激活子(JAK/STAT)信号转导通路在慢性创面愈合中起重要作用，是生长因子和细胞因子的主要信号转导通路之一。LLLT可能通过激活包括JAK/STAT信号转导通路来影响衰老细胞的增殖和迁移。Ahmed等[31]研究发现，槲皮素联合LLLT对糖尿病大鼠和非糖尿病大鼠的创面愈合均有较好的改善，且LLLT是达成疗效的关键。Ruh等[32]对9例伴有压力性溃疡的糖尿病患者进行LLLT(InGaAlP激光器，100 mW，660 nm，2 J/cm2，单次照射12 s)，治疗12次后创口外观明显改善，实时荧光定量聚合酶链反应(qRT-PCR)分析显示治疗前后IL-6含量无明显差异，治疗后TNF基因表达降低，VEGF和TGF-β基因表达增加。这与Helrigle等[33]、Szezerbaty等[17]的实验结果一致。综上，LLLT可抑制炎症，刺激新生血管形成，促进创面愈合。

2.5 治疗腕管综合征

Naeser等[34]研究发现，与神经电刺激治疗相比，LLLT治疗腕管综合征后疼痛明显减轻，Phalen试验结果及Tinel’s征改善，感觉潜伏期明显较短。然而，也有研究[35-36]表明，应用LLLT对腕管综合征的治疗效果与安慰剂无明显差异，可能与选用激光照射参数的差异有关。Fusakul等[37]对66例轻、中度腕管综合征患者进行LLLT照射(GaAlAs激光器，波长810 nm，功率50 mW，每周3次，共15次)，发现治疗5周及12周后，患者手部握力及神经电生理参数较治疗前均提高，VAS评分改善，认为LLLT是轻、中度腕管综合征的新型保守治疗方法。

2.6 修复脊髓损伤及周围神经损伤

多研究表明，LLLT对改善脊髓损伤[38-39]、周围神经再生有明显的促进作用。Song等[40]将LLLT作用于脊髓损伤大鼠模型,发现LLLT (810 nm，150 mW，光斑面积0.3 cm2,每次照射50 min,每日1次，连续治疗14 d)具有减轻炎症，调节巨噬细胞、小胶质细胞极化，促进神经元存活的作用，并可促进大鼠轴突再生及其运动功能恢复，认为LLLT是治疗脊髓损伤的有效方法。有学者[41]研究LLLT对损伤坐骨神经再生和重建的影响，认为早期应用LLLT(780 nm)可促进周围神经再生。有学者[42]使用拉曼光谱研究对比波长660 nm与808 nm的LLLT(100 mW, 每次30 s, 133 J/cm2)对受损大鼠坐骨神经的疗效，发现660 nm波长的LLLT在神经细胞增殖和修复方面比808 nm波长的LLLT更加有效。

3 结语

尽管LLLT具有促进细胞增殖与分化、加速组织修复与重建、改善骨质疏松、抗炎和缓解疼痛、促进慢性创面愈合等作用，且具有便捷、有效、安全等诸多优点，但目前LLLT的应用尚无统一标准，激光器种类及照射参数(波长、功率、能量密度、功率密度、光束类型、照射面积和照射时间等)的差异导致不同的光生物刺激效应。同时，LLLT的作用机制也存在争议。未来需针对不同用途，制定统一化、规范化的LLLT类别及照射参数标准，这样LLLT在骨科领域的应用范围及前景将会更加广阔。