王德田，陈图南，，朱礼国，彭其先，李泽仁，冯　华，刘仓理，赵剑衡（.中国工程物理研究院流体物理研究所物理与生物医学交叉实验室，四川绵阳6900；.重庆市第三军医大学西南医院神经外科，重庆400038）

低照度光疗法在脑损伤疾病治疗方面的研究进展

王德田1，陈图南1，2，朱礼国1，彭其先1，李泽仁1，冯华2，刘仓理1，赵剑衡1
（1.中国工程物理研究院流体物理研究所物理与生物医学交叉实验室，四川绵阳621900；2.重庆市第三军医大学西南医院神经外科，重庆400038）

由于传统方法在脑疾病治疗方面的局限性，低照度光疗法越来越受到重视。低照度光疗法利用波长在600 nm-1 100 nm的低功率激光或者准单色光以非破坏和非热行为来调制生物过程，用于促进伤口愈合，抑制感染、水肿以及减轻疼痛等。近来，研究者进行了大量低照度光治疗脑损伤疾病方面的实验，研究对象从细胞、动物模型到人类，病症从卒中，急性脑创伤到慢性脑损伤以及神经退行性病变等。研究结果表明，低照度光疗法有可能应用于脑部损伤疾病的治疗。介绍了低照度光疗法的机理、应用，并对低照度光疗法的治疗参数，包括治疗窗口、波长以及剂量等进行了回顾。

低照度光疗法；卒中；脑创伤；神经退行性病变

0 前言

脑损伤疾病例如卒中，脑创伤以及神经退行性病变等疾病导致极大的个人健康以及社会经济负担问题。在发达国家中，卒中是导致成年人丧失行动能力和死亡的第三大原因［1］。由于人类人口的增加、交通事故以及战争等造成的脑创伤正在不断增加，世界卫生组织预测2020年交通事故导致的脑创伤疾病将升至全球疾病负担的第三位，仅次于缺血性心脏病和单极抑郁症［2］。另外，全世界将普遍迎来老龄化社会，与年龄相关的脑功能衰退疾病也将给社会带来沉重的经济负担，因此即使这方面的微小技术进步对于人类的健康和社会的发展都具有非常重要的意义。

传统方法对于脑疾病的治疗非常有限，对于急性缺血性卒中患者，目前美国食品药物管理局唯一批准的用于治疗急性卒中的药物组织纤溶酶原激活物（tPA）的治疗窗口仅为卒中发生后的3小时到4.5小时，因此不足4%的病人能够得到及时的溶栓治疗［1，3］，而错过窗口期后卒中患者治疗效果和神经功能康复效果十分有限。对于脑外伤，虽然神经影像学方法，颅内压检测技术以及重症监护水平的提高使得脑外伤治疗效果获得了长足的进步，但是由于缺乏有效的神经功能保护和康复方法，脑创伤的致死率以及致残率仍居高不下。

低照度光疗法（Low level light therapy，LLLT）利用600 nm-1 100 nm波长的低功率单色激光或者准单色光以非破坏和非热行为来调制生物过程，从而达到治疗疾病的效果［4-6］。在激光器发明不久的1967年，匈牙利科学家Mester E等注意到He-Ne激光器能够促进鼠头发的生长［7］和伤口的愈合［8］，随后Mester E等用激光来治疗病人的皮肤溃烂［9］。LLLT已经被成功的应用于减少感染，水肿，疼痛，促进伤口的愈合，以及治疗神经功能失调等［10-15］。现在，LLLT的应用范围正在向治疗脑疾病方向发展，研究者开展了大量机理实验，动物模型实验，并进行了人类的临床实验［4-6］。研究结果表明，低照度光疗法的作用对象为细胞的线粒体，能够促进细胞的呼吸作用，并激发代谢相关分子通路，进而提高能量的新陈代谢，增强细胞的生存能力，阻止缺血半暗带细胞的凋亡，增强神经恢复，因此可能应用于能量高度依赖的大脑的损伤疾病治疗。

1　LLLT机理

1.1红光和近红外光在颅脑组织结构中的传播特性

红光和近红外光在生物组织中传输会经历低吸收和强散射作用，此过程可视为光子在生物组织中随机行走。假设头部为半无限结构，连续的笔直细光束入射，利用基于光子随机行走模型的蒙特卡洛方法可以模拟光在组织中的传输［16］。假设头部的光学参数［17］如表1。

表1　头部光学参数Tab.1 the optical parameters of head

从图1中可以看出，大量光被漫反射重新返回自由空间，被头部吸收的能量为36%，其中进入脑部（脑灰质）的能量为2%，这和通过解剖学得到的光学透过率是相当的。据估计，大约3%的光能量能够从前额入射到1 cm，到达大脑皮层［18］。如果光从剃光的头皮入射到大脑皮层，透过率下降到1.2%［19］。由于红外或近红外能够穿透颅骨，进入脑组织，因此使低照度光疗法治疗脑部损伤疾病成为可能。

1.2低照度光疗法的作用机理

最初的低照度光疗法假设机理是热效应。但是研究表明低照度光产生的热量太小，难以产生明显的生物效应［20］。也有研究者认为低照度激光在生物组织中传输形成散斑，散斑产生的强烈梯度差的热分布促进了生物过程［21，22］，但是LEDs同样被证明能够促进生物过程［6］。目前，低照度光疗法最主要的假设是LLLT能够加快细胞的呼吸作用。通过光谱学方法，Karu T等指出低照度光作用于线粒体的细胞色素（CCO）［23，24］。CCO与低照度光的作用途径有三种：CCO吸收光能后跃迁到受激状态，从而加快了电子传递，更多的电子传递促进ATP产量的增加。LLLT促进CCO酶的活动［25］，增加电子传递［26］以及增加ATP产量［24］等均被实验证实；线粒体在受激细胞中产生NO，NO会抑制CCO的活动从而导致细胞呼吸作用下降，ATP产量减小。CCO吸收光能后促使NO的解离［27］，从而提高呼吸作用；另外由于LLLT促进了细胞呼吸作用，因此会产生更多的活性氧（ROS）［28］，ROS会激活对氧化还原反应敏感的转录因子NF-kB［29］和蛋白激酶1，这些促使各种刺激以及保护基因上调［30］。从而促进蛋白质的合成，从而增加细胞的整形和迁移，调制细胞因子的水平，增加组织的氧化作用。

脑损伤通常包括原发损伤和半暗带继发损伤。直接损伤导致炎症，氧化应激反应，粒子失衡，线粒体功能丧失，兴奋毒性损伤等。这些过程造成脑水肿，颅内压增加，脑灌注不足。继而增加半暗带神经细胞的死亡，扩大梗死面积，造成更严重的神经功能缺失，包括行动以及认知损伤［31］。由于LLLT能够增加细胞的耗氧量和呼吸作用［32］，所以能够增加ATP的产量［33］，减小应激反应［34］，减少兴奋性氨基酸的产生［35］，因此能够阻止神经细胞由于缺氧，创伤以及兴奋毒性侵害导致的凋亡［36］。另外LLLT可能会促进神经再生或者神经干细胞的迁移［37］，最后，LLLT的抗感染以及有利于伤口愈合等作用也有利于脑损伤疾病的治疗。

图1　近红外光在脑部传输的能量分布Fig.1 Energy distribution of near infrared light through head

2　LLLT在脑损伤疾病中的应用以及辐射参数

2.1LLLT在脑损伤疾病中的应用

随着LLLT在受损外周神经治疗的应用［38］，研究者逐渐把LLLT的应用扩展到脑损伤疾病方面，加州大学圣地亚哥分校，以色列Assaf Harofeh医学中心，哈弗医学院等研究机构开展了大量临床前以及临床应用研究。Lapchak PA等和Oron A等分别利用兔和鼠动物模型对LLLT进行研究，结果显示LLLT提高了动物的行动能力［39］；减少了卒中后的长期性神经功能缺失［37］。在动物模型成功的基础上，研究者在2007年进行了NEST-1的临床实验［19］，结果验证了LLLT治疗卒中患者的安全性和有效性。随后，在2009年又开展了第二轮的临床实验［40］，结果表明LLLT对于中度以及中危度卒中患者有明显疗效，而不是对于危重的卒中患者。在卒中方面的成功使研究者开始把LLLT应用到脑创伤动物模型。Oron A等研究表明LLLT降低了脑创伤鼠的神经功能缺损评分，减小了损伤范围［41］。Naeser MA等发表了LLLT对两位慢性脑创伤病人的治疗效果，患者的注意力明显提高，执行能力和记忆力得到提升［18］。除了卒中和脑创伤外，研究者同样一直努力把LLLT的应用扩展到其他的脑疾病治疗，例如治疗帕金森［42，43］、老年痴呆［44，45］以及家族性肌萎缩侧索硬化疾病［46］，改善抑郁和焦虑［47］，提高记忆力和认知能力等［48，49］。

2.2LLLT光疗法的关键参数

在LLLT光疗法中有一些非常重要的参数，包括治疗窗口以及光辐射参数等，光辐射参数包括波长、强度、剂量以及光脉冲形式等。这些参数直接与LLLT的应用以及作用机理相关，例如治疗窗口太短，则会严重限制LLLT的应用。研究者在这方面做了大量工作。2004年，Lapchak PA等利用小凝珠阻塞模型（RSCEM）研究了LLLT对卒中兔的治疗效果［39］，研究表明在卒中的6小时内，LLLT均能明显提高卒中的行为能力。2006年，Oron A等利用脑中动脉闭塞模型（MCAO）研究了对卒中鼠的治疗效果［37］，研究结果表明只有在卒中的24小时之后进行LLLT治疗才有效果而不是4小时。2007年，Lapchak PA等研究表明在兔卒中发生的6个小时之内，LLLT显著的提高了临床表现［50］。2007年，Oron A等利用封闭脑创伤（CHI）模型研究了LLLT对脑创伤鼠的治疗效果［41］，研究结果表明在脑创伤的4个小时之内进行光照能够提高行为恢复能力和减少脑组织损伤。2007年，研究者开展了Nest-1的临床实验［19］，结果表明在卒中的24小时内进行低光照治疗卒中是有效的。2012年，Khuman J等利用控制性皮质撞击模型（CCI）研究了LLLT对鼠脑创伤的治疗效果［51］，研究表明LLLT在CCI后的60分钟以及80分钟内具有疗效，而不是CCI后的4个小时。由于对象不同，脑损伤的方式不同以及评估参数的不同，造成脑损伤疾病的治疗窗口并不统一，只有对LLLT的机理进行更深入的研究，以及更多的LLLT实验的开展，才能在这方面取得突破。

对于波长，2012年，Wu等研究不同波长的LLLT对封闭脑创伤鼠的治疗效果［52］。封闭损伤由重物下落造成。研究结果表明665 nm和810 nm提高了神经功能损伤程度评分，而730 nm和980 nm则没有治疗效果。研究者认为由于细胞色素对730 nm的吸收很弱，因此造成730 nm波长的治疗效果不好。而980 nm波长没有治疗效果的原因可能与错误的参数选择有关。由于CCO的吸收峰为665 nm和810 nm，根据光疗法的机理，宜选用这两个波长。

辐射剂量，强度以及时间对于LLLT非常重要，是LLLT治疗效果引起争议的最主要因素。研究者认为只有最优化的剂量才能达到最佳的治疗效果。Sharma SK等利用810 nm波长的激光，功率为25 mW/cm2，剂量为0.03 J/cm2，0.3 J/cm2，3 J/ cm2，10 J/cm2以及30 J/cm2照射神经细胞［53］。研究表明ROS，线粒体膜势能，钙含量以及ATP含量的水平均在3 J/cm2是到达峰值，NO的含量在0.3 J/ cm2是达到峰值，这对于剂量的选择具有重要的参考意义。2010年，Lapchak P A等研究了卒中兔在不同辐射剂量下ATP的产量［33］，在5 J/cm2以下，ATP产量随着辐射剂量线性增加，大于5 J/cm2时，ATP的产量减少。由于有些文献给出的是激光的出射功率以及辐射量，有些给出的是直接照射到脑组织的功率以及辐射量，按照人类前额的脑部透过率为3%［18］，人类头皮的脑部透过率为1%［19］，鼠的脑部透过率为6%［54］，对本文引用文献中研究者进行脑部细胞，动物以及人类进行光照实验的辐射剂量进行了统计，结果见图1和图2，横坐标表示辐射时间，纵坐标表示辐射功率，曲线表示辐射剂量，为辐射功率与辐射时间的乘积。

图2　脑组织的辐射剂量统计Fig.2 Statistics of irradiance dose of cortex

脉冲结构同样影响治疗效果。2007年，Lapchak PA等利用连续（CW），1 kHz，100 Hz的激光来治疗急性卒中兔，研究表明脉冲模式比连续模式更有疗效［50］。2011年，Ando T等利用CW，10 Hz和100 Hz的激光治疗脑创伤鼠，研究结果表明10 Hz的治疗效果要好于CW和100 Hz［54］。2012年，Oron A等研究表明100 Hz的效果要优于CW和600 Hz。总的来说，脉冲模式的治疗效果要优于连续模式，其中10 Hz的治疗效果最好。研究者认为可能是脉冲光与脑波的共振效应，其中脑波的共振频率在4 Hz到10 Hz［55］。

3　总结

LLLT在脑部损伤疾病的从临床前正在走向临床，所治疗的脑疾病也从急性脑疾病发展到慢性脑疾病以及脑认知方面。由于LLLT的作用机理并没有完全弄清楚，因此研究工作主要集中在疗效优化以及作用机理方面。但是，越来越多的研究显示LLLT有可能成为治疗脑损伤疾病的一种新的非侵入式治疗方法。

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Progress of Low Level Light Therapy to Treat Brain Damage Diseases

WANG Detian1，CHEN Tunan1，2，ZHU Liguo1，PENG Qixian1，LI Zheren1，FENG Hua2，LIU Cangli1，ZHAO Jianheng1
（1.Interdiscip linary Laboratory of Physics and Biomedicine，Institute of Fluid Physics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，Sichuan，China；2.Department of Neurosurgery，Southwest Hospital，Third Military Medical University，Chongqing 400038，China）

Low level light therapy is a steady developing therapeutic approach to treat brain damage diseases due to the limits of traditionalmethod.It is using low power laser or quasi-monochromatic lightwith the wavelength from 600nm to 1100nm tomodulate biological function in a nondestructive and non-thermalmanner.It has been used forwound healing，pain relief，treatment of inflammation and swelling.And recently，it has been exp lored for treatment of brain damage dis-eases.Themechanism，applications and therapeutic parameters of low level lightwere reviewed.

low level light therapy；stroke；traumatic brain injury；neurodegeneration

TN248.1

A

1007-7146（2015）03-0220-06

10.3969/j.issn.1007-7146.2015.03.002

2014-08-20；

2014-09-22

国家自然基金委与中国工程物理研究院联合基金（U1230128）

王德田（1984-），男，湖北老河口人，助研，博士研究生，主要从事生物医学光学方面的研究。（电子邮箱）wdt_abcd@163.com