非相干窄譜可見光（LEDs光源）在皮膚科的應(yīng)用

趙欣研　綜述，田　燕　劉　瑋　審校

（中國人民解放軍空軍總醫(yī)院皮膚病科北京100142）

非相干窄譜可見光（LEDs光源）在皮膚科的應(yīng)用

趙欣研綜述，田燕劉瑋審校

（中國人民解放軍空軍總醫(yī)院皮膚病科北京100142）

近年來，人們越來越關(guān)注利用窄譜低能量非相干可見光照射皮膚以期產(chǎn)生有益的光生物調(diào)節(jié)作用，而非激光的熱效應(yīng)、剝脫效應(yīng)來達(dá)到輔助治療皮膚病及美容目的的治療手段。LED的多種特性使其成為是產(chǎn)生這種低能量、特定脈沖、窄波段光的理想光源。本文就近年來這種可見光在皮膚科領(lǐng)域中的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及可能的機(jī)制綜述如下。

1　LED光源

光療作為一種最古老的療法，應(yīng)用于多種健康問題的治療，在幾千年前古埃及、印度、中國人們已發(fā)現(xiàn)可以用日光來治療皮膚病。在20世紀(jì)60年代后期Endre Mester一位匈牙利醫(yī)生，開始了一系列研究激光的潛在致癌性，對老鼠使用一種低功率的紅寶石激光（694nm）。出人意料的是，激光不但沒有導(dǎo)致癌癥反而促進(jìn)了為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而被剃掉的小鼠背部的毛發(fā)的生長。這是第一個論證低強(qiáng)度激光療法（LLLT）的光生物調(diào)節(jié)作用的范例，從而為醫(yī)學(xué)科學(xué)開辟了一條新的途徑。這個偶然的發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了非相干光源（LEDs）像相干光源（激光）一樣在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用［1］。

近年來，人們越來越關(guān)注利用一種低能量、特定脈沖、窄波段光對細(xì)胞產(chǎn)生溫和的光生物調(diào)節(jié)作用，以調(diào)節(jié)細(xì)胞生物活性，而非熱作用或剝脫作用，簡稱為光調(diào)作用，或光生物刺激作用［2］。美國國家航天航空局（NASA）對此進(jìn)行了初步研究，發(fā)現(xiàn)特定波長的LEDs光可加速植物生長；宇航員在零重力環(huán)境下、海豹突擊隊(duì)員在潛水艇的高氣壓環(huán)境下，傷口易遷延不愈，NASA發(fā)現(xiàn)LED光可以有效促進(jìn)這類情況下傷口愈合。

LEDs是一種可將電流轉(zhuǎn)換成非相干窄譜光的復(fù)雜半導(dǎo)體，出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，因技術(shù)限制只能產(chǎn)生紅、綠、黃三色光，無法產(chǎn)生白光，基本淪為在鬧鐘上顯示時(shí)間或顯示視頻攝像機(jī)的電池含量的光源，近些年來才被作為照明光源?，F(xiàn)在LED光波長可覆蓋247～1 300nm，可產(chǎn)生紫外線到可見近紅外波長的全部光［1］。

LED與激光的顯著區(qū)別是低能量輸出，LED峰值功率為毫瓦級，而激光是瓦特，是冷光源。作為一種非熱效應(yīng)光源，低能量輸出避免了組織損傷的風(fēng)險(xiǎn)，在皮膚醫(yī)學(xué)應(yīng)用時(shí)不易對皮膚造成損傷，因而具有很高的安全性［3］；另一個優(yōu)點(diǎn)是LED可靈活地組合不同波長陣列的光源，且有更大的照射面積。與普通寬光譜光源相比，目前LED的發(fā)射光譜可以控制在約3nm的范圍內(nèi)，可以使用治療效果最佳的波段而無須擔(dān)心雜光造成的影響，且指向性好，可用于靶向治療［4］。

正是LED光源本身的諸多優(yōu)點(diǎn)決定了LED成為這種低能量窄譜光調(diào)療法的理想光源，現(xiàn)在關(guān)于LED光的多項(xiàng)研究不斷革新，美容及用光動力療法（PDT）治療皮膚癌，LED光療設(shè)備越來越多的應(yīng)用于皮膚科領(lǐng)域。

2　皮膚的生理特性與光學(xué)特性

皮膚是人體中最薄的器官，也是身體最重要的器官之一，分為三層結(jié)構(gòu)，即表皮、真皮、皮下組織，從光學(xué)來說皮膚典型的混濁介質(zhì)，真皮層不均勻的結(jié)構(gòu)限制了光在皮膚中的穿透深度［5-6］。一般而言，波長決定了光源穿透深度，波長越長，光源穿透皮膚的深度越深，可見光中紅光的組織穿透力最強(qiáng)，在人體穿透深度為1.0～1.5cm，可穿透真皮達(dá)淺筋膜，但大部分在真皮層被吸收［7］。根據(jù)生物組織中各吸收成分在不同波長下的吸收性質(zhì)，光學(xué)方法通常采用600～1 300nm波長范圍對生物組織進(jìn)行診斷與治療，這一范圍被稱為生物組織的光學(xué)診斷窗口［8］。

皮膚對可見及近紅外波長光的吸收主要來自于黑色素、血液與水分［9］。黑色素存在于人體表皮層中，是決定皮膚在紫外與可見波長吸收性質(zhì)的主要成分。黑色素在紫外、可見及近紅外波段有較寬的吸收光譜，對較短波長的光吸收更強(qiáng)［10］。血液對光的吸收主要來自于血紅蛋白，血紅蛋白在400～600nm有較強(qiáng)的吸收能力［10］，其中含氧血紅蛋白與脫氧血紅蛋白具有不同的吸收光譜，這使得血紅蛋白的吸收成為光學(xué)方法的內(nèi)源標(biāo)記物，使利用光學(xué)方法檢測組織氧代謝能力成為可能。相比較黑色素和血液、水在可見波長的吸收非常低，幾乎可以忽略不計(jì)，但隨著波長的增大，尤其在1 300nm以上水成為皮膚中最主要的吸收介質(zhì)。由于水的吸收峰分布在近紅外波長區(qū)域，對于皮膚組織水分含量的檢測常常需要采用近紅外光光譜分析。

人體皮膚系統(tǒng)存在類似于視網(wǎng)膜的接收可見光的傳感器及效應(yīng)蛋白，視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞光受體樣蛋白，如：視紫質(zhì)等均在皮膚表達(dá)［11］。光子必須被線粒體或細(xì)胞膜上的一些光受體（photoacceptors）如發(fā)色團(tuán)-卟啉、核黃素或其他感光物質(zhì)吸收，進(jìn)而影響細(xì)胞內(nèi)的二級相關(guān)蛋白，從而將光信號轉(zhuǎn)變成細(xì)胞內(nèi)的分子信號，才能在一個活的生物系統(tǒng)產(chǎn)生可能的影響。像與植物可以利用葉綠素將陽光轉(zhuǎn)化到植物組織內(nèi)一樣，人體細(xì)胞也能被一定波長能級的光觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)天然的光生物化學(xué)反應(yīng)機(jī)制［12］。

光調(diào)作用的主要靶目標(biāo)是細(xì)胞，其作用機(jī)制被認(rèn)為是發(fā)生在線粒體水平上能量開關(guān)機(jī)制的活化，吸收的能量能活化細(xì)胞功能，促進(jìn)細(xì)胞增殖和遷移，調(diào)控細(xì)胞因子和炎癥介質(zhì)水平。這一過程與植物光合作用中在葉綠體上發(fā)生電子傳遞類似。現(xiàn)有研究認(rèn)為紅光和近紅外光的光受體可能是位于呼吸鏈末端的一種關(guān)鍵調(diào)控酶—細(xì)胞色素氧化酶，可以通過線粒體逆行傳導(dǎo)（mitochondrial retrograde signaling）信號通路發(fā)揮光生物學(xué)效應(yīng)［13-14］。

3　LEDs光源在皮膚科中的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1改善皮膚光老化

近年來，關(guān)于利用LED光源達(dá)到光子嫩膚效果的光調(diào)節(jié)療法已成為皮膚美容領(lǐng)域的新熱點(diǎn)之一。研究表明，皮膚老化與膠原合成下調(diào)及金屬基質(zhì)蛋白酶（MMP）表達(dá)增高有關(guān)，而MMPs表達(dá)增高又會加速真皮膠原的裂解。因此，改善皮膚衰老的有效方式為促進(jìn)膠原合成，減少M(fèi)MP的產(chǎn)生以減少膠原的降解［15］。此外，QL等［16］研究發(fā)現(xiàn)低能量激光療法通過下調(diào)p21的表達(dá)抑制由UV接到的ERK/FOXM1通路的細(xì)胞衰老機(jī)制。Barolet通過在組織工程人工皮膚模型上比較LED處理組與對照組的組織學(xué)和生物化學(xué)改變，發(fā)現(xiàn)連續(xù)脈沖方式660nmLED照射后I型膠原蛋白合成增加，MMP-1表達(dá)減少；同時(shí)對皮膚光老化受試者進(jìn)行隨機(jī)單盲研究，半邊臉予以660nm LED光照射，結(jié)果顯示臨床上＞90%的患者皺紋深度和皮膚粗糙得以改善。LEDs660nm光的嫩膚作用可能通過逆轉(zhuǎn)膠原合成下降、金屬基質(zhì)蛋白酶表達(dá)升高實(shí)現(xiàn)［17］。王秀麗等［18］通過對14例光老化受試者前臂伸側(cè)皮膚進(jìn)行不同波長530nm、630nm、850nm的LED光照射發(fā)現(xiàn)，630nm、850nm的LED光對皮膚光老化有較好的改善作用，皮膚外觀、屏障功能均有所改善。組織學(xué)結(jié)構(gòu)上630nm LED光照射后基底層色素顆粒減少，乳頭層膠原纖維細(xì)小致密，染色加深，真皮上部膠原排列更加整齊緊密，膠原纖維斷裂、排列紊亂和聚集成團(tuán)現(xiàn)象得到明顯改善；出現(xiàn)較多細(xì)長彈性纖維并重新排列，趨于整齊；而在850nm LEDs光組膠原纖維的這種則以改變以真皮中下部更為明顯；530nm的LED光雖然也能能刺激膠原纖維和彈性纖維增生和重排，但對皮膚屏障功能的改善不明顯，且會引起基底層黑素顆粒增加，使皮膚黑素指數(shù)升高，紋理加深、膚色變暗。提示LEDs治療光老化時(shí)，需選擇合適波長等光學(xué)參數(shù)以達(dá)到獲益目的。Weiss等［19］臨床試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，93例光老化患者應(yīng)用590nm LED進(jìn)行治療，結(jié)果顯示90%的患者光老化癥狀改善，大部分患者眶周皺紋改善，皮膚整體質(zhì)地和皮膚潮紅、色素斑等顯著改善。但PR等［20］研究應(yīng)用LED光源（588±10）nm對一組皮膚光老化受試者予以每次40s，每周1次，連續(xù)8周的照射，結(jié)果表明受試者的皮膚光老化未見明顯改善，只起到了安慰劑的作用。以上研究提示我們不同的波長、能量密度等參數(shù)的選擇在光生物調(diào)節(jié)作用中十分重要。

3.2促進(jìn)創(chuàng)面愈合

LED紅光能對創(chuàng)傷愈合有促進(jìn)作用已獲得廣泛的認(rèn)可。有研究［21］應(yīng)用波長633nm，劑量2.2J/cm2，分別使用相干偏振、相干非偏振、非相干偏振、非相干非偏振等四種光波輻照兔實(shí)驗(yàn)性傷口。觀察指標(biāo)包括愈合天數(shù)、單核細(xì)胞浸潤、粒細(xì)胞浸潤、淋巴細(xì)胞和漿細(xì)胞浸潤、單核細(xì)胞酯酶含量、覆蓋上皮再生、新生毛細(xì)血管及其內(nèi)皮細(xì)胞DNA含量、附件再生、附件及上皮細(xì)胞核DNA等，結(jié)果表明均可促進(jìn)傷口內(nèi)巨噬細(xì)胞胞漿酯酶含量增加，促進(jìn)上皮、附屬器、成纖維細(xì)胞的再生以及相應(yīng)的各類細(xì)胞核內(nèi)DNA含量的增加，促進(jìn)傷口的愈合。四種633nm光波的光生物作用無差異，提示在光生物調(diào)節(jié)/光生物刺激作用，光源的光譜范圍及劑量是關(guān)鍵因素，相干性并不重要，紅光的療效基本屬于He-Ne激光范疇，另外尤其獨(dú)特的生物效應(yīng)及臨床應(yīng)用價(jià)值。

3.3 UV防護(hù)

一項(xiàng)研究［22］LEDs 660nm波長紅光對皮膚提高抵抗UV能力的臨床試驗(yàn)中，分別對13例健康受試者和2例多形性日光疹患者在UV照射前給予660 nm LED照射，結(jié)果顯示LED照射組在UV照射后紅斑產(chǎn)生明顯減少，對UVB的防護(hù)等同于SPFl5的效果，此外炎癥后色素沉著也顯著減輕。本人在另一項(xiàng)臨床試驗(yàn)中亦發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果，在UVB照射24h后給予630nm LED紅光照射，然后間隔24h一次，一次20min，能量密度126mJ/cm2，可以降低紅斑EI指數(shù)，在Fitzpatrick皮膚光分型II型皮膚上更明顯，提示630nm LEDs紅光光生物調(diào)節(jié)作用可減輕UVB引起的急性損傷反應(yīng)。

3.4痤瘡的治療

利用波長為415nm左右的LED藍(lán)光照射痤瘡丙酸桿菌可以使厭氧性痤瘡丙酸桿菌內(nèi)源性的卟啉產(chǎn)生單線態(tài)氧，促進(jìn)原卟啉IV和糞卟啉發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生單線態(tài)氧，起到滅菌效果，有輔助治療痤瘡的作用，且沒有傳統(tǒng)治療的耐藥性和副作用，目前國內(nèi)應(yīng)用較多。

3.5炎癥

多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)光生物調(diào)節(jié)作用能通過抑制PEG-2和花生四烯酸的產(chǎn)生起到抗炎作用［23-25］，有治療激素依賴性皮炎、修復(fù)激光損傷等潛力。

3.6脫發(fā)

Pinar Avci等［26］研究發(fā)現(xiàn)LLLT弱激光療法對化學(xué)因素所致小鼠脫毛有促進(jìn)毛發(fā)生長的作用，可能機(jī)理是LLLT刺激了毛囊干細(xì)胞向生長期的分化，且有助于斑禿的毛發(fā)生長。

綜上所述，這種低能量、窄波段的可見光在皮膚科有著廣泛的應(yīng)用前景，但光調(diào)作用產(chǎn)生各種生物效應(yīng)的亞細(xì)胞分子機(jī)制有待進(jìn)一步闡明；LEDs由于其優(yōu)良的發(fā)光特性，是窄譜低能量可見光療法理想光源；但光調(diào)作用產(chǎn)生的生物學(xué)活性因光源照射參數(shù)的不同而存在差異，應(yīng)用于臨床時(shí)光治療參數(shù)的選擇十分重要。因此，為確定達(dá)到某種治療目的需要精確的參數(shù)選擇包括波長、能量密度、功率密度、照射時(shí)間、連續(xù)/脈沖模式、治療頻率、治療間隔時(shí)間和累積治療次數(shù)，這有待于更多的臨床研究積累。

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編輯/李陽利

Incoherent light（LEDs）with narrow spectrum applications in dermatology

2015中華醫(yī)學(xué)會-歐萊雅中國人健康皮膚研究項(xiàng)目（紅光光調(diào)作用對角質(zhì)形成細(xì)胞合成神經(jīng)酰胺的影響，編號：S2015121426）

劉瑋，空軍總醫(yī)院皮膚病醫(yī)院院長、主任醫(yī)師、博士研究生導(dǎo)師；研究方向：皮膚美容、性病、銀屑病等治療與研究；E-mail:lwei5811@126.com

2015-06-03

2015-07-15