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摘要：随着近年来发光二极管（LED）在生物医学邻域的应用与发展以及国内外对远红光/近红外光疗法在全身各系统疾病的研究进展，本文以LED为光源的远红光/近红外光疗在医学方面的研究和应用进行综述，主要包括：一、简述远红光/近红外光疗法的作用机制；二、远红光/近红外LED光疗的临床应用：减轻疼痛，加快伤口愈合，包括外伤及难治性溃疡，增强细胞在毒性环境的存活及修复能力，增加脑组织血流量，改善焦虑抑郁状态，治疗帕金森，视网膜疾病，肿瘤光动力学疗法（Photo Dynamic Therapy，PDT）等；三、远红光/近红外LED光疗在医学方面应用所存在的问题、前景与展望。
关键词：远红/近红外光（far-red/near-infrared，FR/NIR）；发光二极管（Light Emitting Diode，LED）；光生物学效应（photobiomodulation，PBM）；光疗
本文引用格式：赵辉.远红光/近红外光LED光疗的临床研究进展[J].世界最新医学信息文摘,2019,19(76):59-61.
The Development of Far-red/near-infrared Light Emitting Diode Therapy in Clinical
ZHAO Hui
(Hospital of China Civil Aviation Flight Academy,Guanghan Sichuan)
ABSTRACT:With the development of Light Emiting Diode（LED）in recent years,It was applied in biomedical and clinical fields，especially far-red/near-infrared Light Emitting Diode(FR/NIR-LED)phototherapy,such as pain releasing，wound healin（g trauma or ulcers included），promoting cell proliferation，increasing the blood flow in brain，Improving anxiety and depression symptom,treating Parkinson,retinal diseases and using in Photo Dynamic Therapy of cancers etc.This reviews will summary the mechanism of far-red/near-infrared therapy briefly；presents current research on the use of far-red（FR）to near-infrared(NIR)light treatment in various in vitro and in vivo models and discuss the challenge and prospect of NIR-LED phototherapy in clinical application.
KEY WORDS:Far-red/near-infrared;Light Emitting Diode;Photobiomodulation(PBM);Phototherapy
1远红/近红外光（FR/NIR）
远红/近红外光（FR/NIR）是波长范围在630 nm-1000 nm之间的电磁波，可由低能量激光和发光二极管（LED）产生，该范围内的光线在体内及体外可以产生光生物学效应（Photobiomodulation，PBM)，最早由国外的一名外科医生用红宝石激光照射小鼠时，偶然发现低能量激光能加快小鼠伤口及毛发再生偶然间发现。随着研究的深入，发现PBM不仅仅局限于伤口愈合及减轻疼痛，更多的研究涉及到全身各器官系统，包括皮肤，粘膜，心，脑，眼等相关疾病并取得一定成果。而FR/NIR的光生物学效应的机理仍在研究中，众多研究均赞同的作用机制是在细胞水平上归因于细胞线粒体有氧呼吸链上的细胞色素C氧化酶（cytochrome C oxidase COX）对FR/NIR的吸收，为有氧呼吸提供电子，生成更多的ATP,从而增强细胞活性，同时，诸多数据显示：PBM还能增加活性氧簇（reactive oxygen species,ROS）的产量以及提升细胞氧化还原活性，激活部分转录因子，这些转录因子可抑制细胞凋亡，促进细胞增殖、迁移和粘附[1]，促进胶原纤维蛋白合成，促进神经血管再生[2]等等。基于以上机制，且FR/NIR不易被组织吸收，甚至能穿透皮肤及颅骨到达脑组织[3,4]的物理特性而被用于医学邻域。
而传统医疗设备的光源多为激光光源，随着LED的出现，许多研究者用LED替代激光。其原因在于：激光光源的光束辐照面积窄且只能产生单一波长光线，价格较贵，具有一定局限性；LED则具有寿命长能节省费用，体积小以便于携带，产热少且安全性高，波长范围广，辐照面积宽，甚至对视网膜亦无害，还能做出多波长LED阵列等众多优势[5,6]。且众多学者通过理论分析及实验研究发现，激光和LED能产生相似的光生物学效应[7]，这些研究为LED运用于生物医学领域奠定了坚实基础，FDA已批准NIR-LED用于人类临床研究。下面我们将概述LED作为远红光及近红外光光源的众多实验研究成果。
2远红光/近红外LED光疗的临床应用疗效
2.1促进细胞生长，减轻疼痛，加快伤口愈合。
Whelan[8]等人用670 nm,728 nm，880 nm近红外LED（NIR-LED）对体外培养的小鼠成纤维细胞及大鼠成骨细胞、骨骼肌细胞进行一定剂量（8 J/cm2,50 mW/cm2）的照射,测得细胞生长与DNA合成率比未经照射的空白对照组的快140%-200%；用于照射人上皮细胞，其细胞生长率比对照组增加155-171%。由于细胞增殖阶段主要在细胞培养的第2-3天（细胞生长相），到了第4天，细胞处于稳定相，观察其生长率没有明显变化，所以说明LED照射在加快细胞增殖的同时不会引起细胞过度生长及新生物形成。在这基础上，他们又进行了动物实验，将健康SD大鼠背部全层皮肤切除后，用NIR-LED光疗后（880 nm,4 J/cm2,50 mW/cm2），发现其能加快大鼠皮肤伤口愈合，尤其是早期（第3、7、12天）伤口愈合面积明显大于未治疗组；在糖尿病小鼠模型上人为制造皮肤伤口，用680 nm,730 nm,880 nmLED阵列（4 J/cm2）进行照射，治疗后伤口平均面积为0.8548 cm2，对照组为手术治疗组，治疗后伤口面积为1.0121 cm2。随后他们将其用于治疗糖尿病性溃疡和白血病放化疗后口腔溃疡等难治性溃疡的治疗中，76岁男性糖尿病患者，因烧伤右脚踝内侧，前后行两次植皮手术后，脚踝处仍可见两个开放性溃疡伴大量渗出液，面积约2×3cm，在19次光疗后，溃疡面积缩小到1.5×2.8 cm.经皮氧饱和度测试仪显示组织血氧分压提高了两倍。对32名白血病患儿骨髓移植术后进行LED（670 nm,4 J/cm2,50 mW/cm2）左侧面颊部外侧照射，右侧安慰剂对照，治疗14天后，发现溃疡性口腔黏膜炎（UOM）的发生率为53%，明显低于既往研究所得的UOM发生率：70%-90%，从而减轻了疼痛，改善了患儿生活质量[9]。其他研究者的结论中也得到相似疗效结果[10]。
在2016年关于光生物学效应促进创伤愈合的综述[11,12]中，较为全面地概括了关于FR/NIR在治疗压疮，烧伤，缺血性伤口，糖尿病性溃疡，癌症放疗后相关溃疡以及肌肉拉伤，骨折修复等多种创伤愈合的研究进展。
2.2增强细胞在毒性环境的存活及修复能力，抑制基因突变。
二恶英具有能够导致胚胎死亡及畸形的毒性，Yeager[13]等人在鸡胚孵化之前注射致死剂量的二恶英，再用近红外LED（670 nm，50 mw,4 J/cm2）每天照射一次直至孵化，发现鸡胚的死亡率减少了40%。Wong-Riley[14]等人将小鼠大脑视皮质的初级神经元细胞用低剂量细胞色素酶不可逆抑制剂氰化钾（KCN）处理后，在经LED（670nm，50mw,4J/cm2），每天照射两次，持续照射5天后，将神经元细胞死亡率从83.6%降到43.5%。该团队也将神经元暴露于钠通道阻滞剂河豚毒素（TTX）6天后，用不同波长的LED（670 nm,728 nm,770 nm,830 nm,880 nm,50 mw,4 J/cm2），每天一次，从持续5天照射后，均能不同程度地使失活的酶复活，复活率从27.5%到111.7%。随后多名研究者均用实验证明NIR-LED能够复活细胞酶活性，减少细胞凋亡。
2.3增加脑组织血流量，改善情感及认知功能障碍
Quirk[15]等人在对脑外伤SD大鼠模型研究中发现，对脑外伤大鼠进行LED光疗（670 nm,50 mw/cm2）每天一次，一次5 min，在第3天及第10天进行检查相关指标，3天后发现其脑组织切片中介导细胞凋亡因子（MAX）减少，抗凋亡因子（bal-2）及谷胱甘肽增多。在第1,3,5,7,10天的恢复过程中分别对其行为（包括移动和挠鼻子动作）进行观察，发现所有经NIR-LED治疗的老鼠运动明显较未治疗组活跃。Naeser[16]的个案报道中提到两例脑外伤患者行NIR-LED治疗（633 nm及870 nm混合LED，22 mw/cm2），第一例患者是在闭合性脑外伤后第七年开始进行LED颅外照射，在LED光疗前她的注意力集中时间为20min，经过8周的治疗，注意力集中的时间延长到3小时，该患者一直连续五年每晚在家治疗，自诉如果停止治疗超过两周，病情就会反复。第二例患者也是闭合性脑外伤，MRI显示前颅部脑萎缩，因创伤后精神压力症导致其不能参加工作，经过每晚在家光疗4月后，她再次回归到日常工作当，同时，治疗后她的创伤后精神压力症候群（如睡眠障碍等）也得以改善。
Nawashiro[17]也曾报道一名40岁男性因脑外伤行左前额颅骨切开取出急性硬膜下血肿，格拉斯哥昏迷评分5分，外伤后8个月（227天）一直保持植物状态，CT显示右前额叶有低密度影，无颅内压增高的症状和表现。在接受从NIR-LED（850 nm，11 mw/cm2）每次30 min，每天两次照射治疗后，第5天（第10次NIR-LED光疗）开始出现自主运动，而在这之前从来没出现过。LED治疗2月后依然有自主运动。IMP-spect显示，局部脑血流量比治疗前增加20%。Schiffer[18]等对十例抑郁症患者进行前颅部NIR-LED（810 nm，250 mw/cm2）每天一次，每次4 min，治疗两周后，实验组患者较治疗前的焦虑量表（HAM-A）和抑郁量表（HAM-D）评分显著降低，光疗区局部脑组织血流量也明显增加。
在近年Morries[19，20]对FR/NIR治疗脑外伤的综述中，对经颅脑近红外光治疗进行了较为详细的阐述。
3帕金森
帕金森是一类神经细胞功能紊乱的疾病，而NIR的治疗原理及对细胞修复的能力，使众多研究者将其运用于帕金森治疗的研究中。
1-甲基-4-苯基吡啶离子（MPP+）的最终代谢产物MPTP能够导致动物产生帕金森类似症状，鱼藤酮能够降低神经细胞中ATP代谢能力，这两种物质均会导致神经细胞代谢紊乱，刺激细胞氧化应激反应，并最终导致细胞死亡，由于NIR-LED能如上所述，抑制KCN等药物对细胞的损伤，研究者Liang[21]和Ying[22]便着手研究NIR-LED对在MPP+及鱼藤酮中培养的神经元细胞的作用，在对纹状体细胞和视神经皮质细胞的培养中加入毒性物质的前两天，对细胞进行每天两次的670 nmLED照射，再向培养皿中加入一定浓度的MPP+和鱼藤酮，培养48 h后，发现两种神经细胞的死亡率较未提前做LED照射的细胞死亡率分别减少24.33%,22.75%.同时监测细胞ATP水平，未提前照射的细胞ATP含量下降至48%，而经近红外照射的细胞ATP增加至70%。
Quirk[23]等人在对帕金森小鼠模型的研究中发现，未治疗的小鼠平均发病年龄为455天，经NIR-LED治疗组（670 nm,7.5 J/cm2,3次/周）小鼠平均发病年龄为535天。用疾病评分量表分别对疾病的严重程度打分，未治疗组平均分为2分，治疗组平均分为1分，从而说明NIR-LED光疗能延迟帕金森病程的进展和降低疾病表型的严重性。
Purushothuman[24]等人也对帕金森转基因小鼠K3模型进行相关研究，该小鼠能释放多巴胺的神经细胞较野生型小鼠明显减少。实验将小鼠分为3小组（均为5月大），野生小鼠组、未经照射的转基因小鼠组和经NIR-LED照射的转基因小鼠（670 nm，4 J/cm2每天一次，每周5天，共4周），然后对其脑组织切片，发现NIR-LED能够防止多巴胺能细胞减少，通过免疫组化发现LED照射组中各种氧化应激因子及络氨酸羟化酶均比其他两组少。该篇文章认为，近红外能够通过恢复脑内多巴胺水平以控制并改善帕金森相关症状。
4治疗多种视网膜病变
随着远红/近红外（FR/NIR）光疗研究的扩展与深入，研究者便将其作为一种非侵入性治疗眼部疾病的新方法引进了眼科学领域并取得相当多的成效。在国内外综述均中有较为详细的概述[25,26]，包括甲醇中毒性视网膜病变，视网膜光损伤，年龄相关性黄斑病变，遗传性视网膜病变如视网膜色素变性及Leber氏遗传性视神经病变，糖尿病视网膜病变，新生儿视网膜病变，中心性浆液性脉络膜视网膜病变，原发性开角型青光眼，弱视等,其疗效在于能够促进视网膜色素上皮细胞、光感受器细胞及神经节细胞的修复，减少其死亡率，减少新生血管生成，从而起到促进视力恢复，减缓视野缺损等疗效。且有大量研究表明，大部分视网膜疾病治疗对于光的来源和性质并没有特殊要求，即并非一定需要激光作为光源，LED可替代之，国外学者已研究出治疗眼部疾病的便携式LED-NIR设备，并申请了专利[27]。
5肿瘤的光动力疗法
由于介导脑肿瘤光动力疗法（Photo Dynamic Therapy PDT）的光敏剂Lutex和BPD的光吸收峰为730nm和680nm。所以研究者用680±10 nm的LED作为光源介导光敏剂性PDT治疗（LED-PDF治疗）。Schmidt等人[28]用近红外LED及激光作对比进行犬脑胶质细胞瘤切除术中的PDT辅助治疗，结果显示LED能有效替代激光且有较大的优势与应用前景，于是进行了如下实验研究[29]。
体外实验：将在暗室放置3h的犬脑胶质瘤细胞和人U373胶质瘤细胞暴露于100 J/cm2的688 nmLED中，照射完毕后24 h测量DNA合成率，在BDP剂量10ng/mL时，犬胶质瘤细胞DNA合成降低50%，在BDP剂量4ng/mL时人脑胶质瘤细DNA合成率降低75%。体内实验：将有后颅窝肿瘤的犬提前3-5小时给予BPD，麻醉后行Y型硬脑膜切开，用直径为2 cm的690 nm球形LED阵列置于后颅窝进行照射，监测BDP在肿瘤与正常脑组织中的比例，在注射后3-7 h的浓度比值持续在12:1-10:1之间，说明LED能有效穿透脑组织并被BDP有效吸收产生作用。同时也发现了LED的安全的能量密度，在以100 J/CM2的能量密度且BDP为0.75 mg/kg治疗后，动物无一例死亡，且均无皮肤损伤及神经损伤，MRI也显示正常。
研究者Whelan等人也做了类似实验，用732 nm LED作为光源介导光敏剂对人和犬脑胶质细胞瘤细胞体外行光动力疗法，结果显示超过50%的肿瘤细胞死亡[30]，他们在对体内实验中证明用LED为光源介导光敏剂（Lutex）的光动力疗法能有效提高犬脑胶质细胞瘤的疗效，且不会增加光敏剂对周围组织的毒性作用。
该团队还对2名脑肿瘤患者进行了LED-PDT治疗。其中1名为室管膜细胞瘤患者，在进行了2次激光介导的PDT治疗后肿瘤复发，复发的位置与原发肿瘤位置不同，基于先前实验研究，研究者认为LED较激光辐射面积宽，能更好地对散在的肿瘤细胞进行照射，从而使光敏剂发挥作用，于是对该患者进行了第三次PDT治疗，将激光光源换为LED光源。术后患者随访并未发现肿瘤复发。另外1名为神经胶质母细胞瘤患者，在接受LED-PDT治疗后，复查影像学也未发现残余肿瘤。
越来越多有关LED-PDT研究[31]，如肺癌、食管癌、皮肤癌等均显示了LED的有效性，根据各大团队前期临床研究成果，美国FDA早已批准将LED-PDT用于儿童及成人脑肿瘤的治疗[32]。
6促进神经修复与再生、心肌保护、美容等
Ishiguro[33]等人将大鼠双侧坐骨神经离断后将左侧坐骨神经近心端2 mm残端与右侧坐骨神经远心端2 mm残端的神经纤维留置在14 mm长的硅胶管的两端，并将其埋于老鼠背部皮下组织，用LED光疗（660 nm，7.5 mw/cm2）每天一次，持续3周，在第7天时就发现硅胶管中的神经断端由再生的纤维组织连接上了，该实验证明了NIR-LED能促进神经再生，提高受损神经的抗氧化能力。Quirk[34]等对心肌再灌注损伤老鼠模型进行NIR-LED光疗（670 nm，30 mw/cm2）的体内及体外实验，该研究表明，NIR-LED对大鼠离体心脏的血流动力学不仅不会造成影响，而且对心机保护作用安全且有效，也能减少因心脏左前降支阻塞引起的心肌损伤面积。
Russell[35]等人将NIR-LED联合红蓝光疗法用以改善皮肤光老化，治疗后12周评估患者皮肤状况，52%的患者面部皮肤改善25~50%，81%的患者觉得眶周细纹得到明显改善。
7近红外LED光疗在医学方面的前景与展望
通过以上对近红外LED治疗的临床研究中不难看出，近年来，国外对近红外LED设备的研究与应用呈现出良好的发展态势，而国内的应用于研究还较少，虽然目前国内也有不少近红外LED医疗设备的专利申请，如手持式冷光源近红外光细胞修复仪，用于治疗脑疾病的近红外光治疗仪，一种眼近红外光治疗仪等[36-38]，但在临床应用中并未得到广泛推广，究其原因在于各个疾病的治疗中，近红外光的参数设置如波长，能量，照射时间等均没有统一标准，以及近红外LED光在各组织中的吸收及穿透力不一样，所以还存在一定的不足，无法做出很好的推广。但如果能有更多相关研究来对参数设置做出相关规范，再科学合理地利用LED的特殊性能与优势，结合近红外光的医学疗效，将两者与现代技术相结合，研制出各种适用于临床治疗的安全有效、简易便携、价格低廉的非侵入性近红外LED医疗设备，这无疑能更好的服务于医疗领域。
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