发光二极管光源疗法在生物医学中的应用Word格式文档下载.docx
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临床;
光动力治疗;
生物刺激效应;
动物
中圈分类号:
11318.51空献标识码:
A
Thedevelopmentoffightemittingdiodetherapyinbiologyandme~cine
CU/Hong-zhong,Zk,FANXiao一|Il0
(MedicalLaboratory,InstituteofLaserTechnologyandEngineering,Huaz~ongUniversityofScienceandTechnology,
Wuhan430074,China)
Abstract.Theapplicationoffightemittingdiode(LED)therapyinbiologyandmedicineissummarized,whichfocuseson
theexperimentsinanimalmadd.animalce1]sandclinicalresearch.TheadvantagesanddisadvantagesofLEDtherapya
comparedwiththoseoftheotherlight8ouree8intheviewofsafety.reliabilityandlowcast.ItCanbes哪thatLEDtherapymust
haveawideforegroundinbiology,medicineandcommercialproducts.
Keywords:
medicalopticsandbiotechnology;
lightemittingdiodetherapy;
lightemittingdiode;
clinical;
photodynamie
therapy,bimtimnlation;
animal
引言
从1903年FINSEN医生因光疗法的研究而获得
诺贝尔奖后,直到上个世纪3O年代抗生素的发现,各
种光疗法一度在西方国家备受欢迎.近年来,由于抗
生紊的滥用,不少医务工作者正寻找另一种治疗方法,
光治疗因而再次成为热门的研究课题,尤其是低能量
激光治疗的研究.KARU为了揭开低强度激光和可见
光的生物刺激之迷,在6年时间里,从动物细胞分子水
平上,系统地研究了细菌,酵母菌和哺乳动物细胞在低
强度激光与可见光作用下的行为,发现光刺激效应主
要与波长,照射剂量和照射方式有关,而相干光的条件
不是必须的….RUBINOV通过理论分析和细胞水平
的试验研究得出,在光生物刺激效应中,相干光和偏振
光都不是必须的;
YOUNG,DYSON等在对巨噬细胞对
光疗法的反应程度研究中得出在光疗中相干光不是必
须的J…….这些学者的研究给发光二极管(1ight
emittingdiode,LED)光源应用于生物医学奠定了实验
作者简介:
崔鸿忠(1981-),男,硕士研究生,现从事激光
医学,光机电一体化方面的研究工作.
?
通讯联系人.E-mail:
~hjli@
收稿日期:
2005?
11-01;
收到修改稿日期:
2006.01.26
基础和理论基础,美国国家航天航空总局首创将LED
应用于太空农业上,其后亦将LED应用于治疗恶性肿
瘤的光动力疗法上取代传统使用的激光J.这给
LED应用于生物医疗上一个很好的刺激作用,同时随
着LED芯片的进一步开发,LED的光强度不断变强,
LED的波长范围从紫外到红外,不同波长的LED越来
越多地被开发出来,这些都为LED光疗法在生物医学
中应用得到推动,加上国内外的商家出于商业的目的
进行的炒作,近些年,LED光疗法在生物医学上的研
究和应用越来越广.
1LED光疗法在动物体上的试验研究
WHELAN等在SpragueDawley正常鼠上进行动物
实验,鼠皮上创造1lmm直径的创伤,用小硅片植入皮
肤肌肉下面来阻碍血管生长以形成慢性创伤,在14d
时间里,分为4组,每组l5只鼠,分别进行对照(无
LED和HBO),高压氧疗(hyperbaricoxygentherapy,
HBO),LED(880nm),LED和HBO结合,来进行创伤
愈合实验,创伤的大小由计算机扫描测量,实验的同时
对动物体进行解剖取样,用酶联免疫吸附(enzyme—
linkedimmunosorbentassay,ELtSA)测定其成纤维生长
因子(fribmblastgrowthfactor口,FGF-~)和血管内皮生
第3O卷第6期崔鸿忠发光二极管光源疗法在生物医学中的应用
长因子(vascularendothdialgrowthfactor,VEGF)的质
量分数.其实验数据表明,只有用LED和HBO结合,
小鼠皮肤创伤才可以在规定时间内愈合得最快,其
VEGF和FGF.p质量分数与其它组比较也是最高的.
这几组实验中的VEGF和FGF—p都是在创伤中期,约
第7天左右浓度达到最高,以后随创伤的进一步愈合
而浓度逐渐降低J.
在光动力治疗(photodynamictherapy,PDT)肿瘤
方面,体外细胞实验已经证明photofrin,BPD和lutex
这几种光敏剂有杀灭肿瘤细胞的功能.在进一步的动
物模型实验中,用犬类动物对这几种光敏剂的毒性进
行了研究,得出了在一定LED照射剂量下正常蒙古犬
(约20kg)所能忍受的最大药物剂量(maximumtolera.
teddose,MTD).用photofrin,当照射LED剂量为
363J/cm时,MTD为1.6mg/kg.用BPD,当照射LED
剂量为100J/cm时,MTD为0.75mg/kg.当LED保
持100J/cm剂量,BPD剂量增加到1.0mg/kg时,会
在动物上观察到皮肤损伤和神经中毒现象.当BPD
剂量保持0.75mg/kg,而LED增加到125J/cm~,
150J/cm和175J/cm时,也会在动物身上观察到皮肤
损伤,严重神经中毒和死亡结果.6J.
2LED光疗法在动物细胞上的试验研究
WHELAN等用不同波长和照射剂量的LED对体
外培养的细胞进行照射,如对人的正常上皮细胞用
688nm的LED,以4J/cm剂量进行照射后,测其细胞
繁殖比对照组增长55%~71%¨
.从SpragueDawley
小鼠皮中提取的成纤维细胞,用670nm的LED以
4J/cm的剂量进行照射,在照射后第2天开始测定其
DNA合成比对照组增加的百分率,第2天为43%,第
3天为28%,第4天为10%.从小鼠骨中提取成骨细
胞(MC3T3一E1),分别用670nm,728nm和88Onto的
LED以4J/cm的剂量进行照射,同样在照射后第2天
开始测定其DNA合成比对照组增加的百分率,第2天
为119%,第3天为33%,第4天为17%(以880nm组
为例).
u等利用细胞计数的手段研究LED对人皮肤成
纤维细胞的作用,采用650nm4-17nm波长的LED,分
为实验组(LED照射)和对照组(不照射),照射48h之
后进行细胞计数,进行统计分析.照射组分为3组,第
1组:
89J/cm照射时问150s;
第2组:
213.9J/cm照射
时间300s;
第3组:
427.8J/era照射时问600s.前两
组与对照组相比细胞总数没有明显差异,第3组
427.8J/em照射时间600s细胞总数与对照组相比有
明显差异,细胞总数比对照组多很多J.
DUAN等研究了LED光源在抑止A13(B一淀粉样
蛋白肽)引起的Pel2细胞(大鼠嗜铬细胞瘤细胞)凋
亡的作用,使用630nm波长的LED,没有给出明显的
剂量段.经过实验对比分析:
用LED光照射24h和没
有使用LED光照射.得出LED光照射能够降低A13
引起的Pel2细胞核的分裂和浓缩,LED照射还降低了
由Ap引起的内核间DNA的分裂,LED照射之后会增
加Afftm.得出某种剂量的630nmLED光照射可以抑
止A13引起的Pel2细胞凋亡J.
YOUNG等在进行巨噬细胞对光疗法的反应程度
试验中,使用波长:
66onm,870nm,880nm,平均能量输
出为15mW,能量密度为120mW/em的LED,直接照
射培养基中的巨噬菌状细胞(U-937)照射12h后,移
除巨噬细胞上层液并置于3"
I3纤维组织母细胞培养菌
上,经过5d照射,对纤维组织母细胞的增殖加以评估.
结果显示经过66Ohm和870rim波长LED光照射后会
促进巨噬细胞释放出因子刺激纤维组织母细胞增殖高
于控制水准,而880rim波长会抑止这些因子的释放和
促进某些纤维组织母细胞增殖的抑止因子L2J.
3LED光疗法的临床研究与相关应用
3.1生物钟的调节治疗
光线进入眼睛提供了视觉与非视觉功能,前者到
视网膜,后者到脑中的下视丘,脑下垂体与松果腺,其
中松果腺与生物钟直接相关.松果腺针对眼睛进入的
光信息,协调整个人体运作以及和外界的一致变化.
它藉由运用来自下视丘的生物钟相关信息,决定何时
释放功能强大的退黑色素.退黑色素是重要的神经内
分泌调节器,可调节身体的分泌节律,并对大部分人体
器官的自律,荷尔蒙及行为功能等有着深远的影响.
由于退黑激素可穿透任何体内血管壁的特性,使得它
在生理功能中扮演中枢的角色.
视网膜接受光源的刺激可以经由神经传至松果
腺,进而改变血清素转变为退黑激素的数量.澳洲已
有治疗时差的接近商品化的眼镜问世,其为在眼镜内
侧安装LED,建议使用者在上飞机之前数天,每天佩
戴数小时,即可免除下飞机后的时差问题.目前,已有
应用LED治疗生物钟失调光照疗法的专利被申
请….
3.2季节忧郁症的治疗
根据美国国家心智健康研究院(nationalinstitute
formentalhealth,NIMH)的统计,目前约有10%的美国
人患有季节性忧郁症(8ealalaffeetivedisorder,SAD)
及相关衍生的健康问题.SAD发生在秋天,冬天,而
春天,夏天就会消失,罹患者是受到阳光不足的影响,
心情通常都会随着季节而改变.这表示日照长短在这
段季节里作为生物时钟的时间暗示或是赋予者.因其
激光技术2006年12月
长度或强度不足所造成的结果,是重要的致病原
因-l¨
.现代精神医学也已相信,使用人工照光方式是
改善病情的有效生理疗法.有季节性忧郁症的患者,
其褪黑激素的分泌量会升高.由于完整光谱光线可以
减少褪黑激素分泌,因此以光线治疗sAD病患非常有
效.绿色光(540nm)是抑制褪黑激素分泌最明显的光
谱,这与人类视紫质的吸收光谱相同.1991年,
LIBERMAN提到LEWY认为每13起床后以强度10hx
的白光照射30min可抑制褪黑激素的分泌,可抒解季
节性忧郁.这项观察结果不