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LED在医疗领域中的应用

来源::《中外健康文摘》2009年第21期供稿文/周小茜1 王鸿龙2 发布时间:2013-1-19 14:46:12

LED在医疗领域中的应用
 

(1西安铁路中心医院烧伤整形外科 陕西西安 710054)
(2宁波中科集成电路有限公司 浙江宁波 315040)
【中图分类号】R197.39【文献标识码】A【文章编号】1672-5085(2009)21-0263-03
【摘要】本文综述了近年来发光二极管(LED)在动物模型及临床医学方面的研究和应用,包括LED应用在动物细胞和人体组织细胞的研究、LED应用在动物模型的研究以及LED在临床治疗方面的实验研究。展望LED在临床治疗方面应用的前景。
【关键词】LED 光疗 细胞 动物 临床
发光二极管(1ight emitting diode,LED)驱动电路易于控制,使用寿命长,价格低廉。随着半导体技术的不断发展, LED在发光强度、峰值波长、半波带宽等参数性能上有很大提高。现阶段单个LED的光效果已经超过1001mW;峰值波长越来越稳定,半波带宽更窄,单色性能好;方向性好;覆盖波长从紫外到红外,几乎可以找到任意波长的单色LED。这些特性为LED应用于医疗领域提供了技术基础。本文对LED在医疗领域已做的工作进行总结,展望LED在生物医疗领域中的应用前景。
1 LED对动物组织细胞影响的研究
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/cm2 剂量进行照射后,测其细胞繁殖比对照组增长55%~71%。Whelan从Sprague Dawley小鼠皮中提取的成纤维细胞,用670nm 的LED以4J/cm2 的剂量进行照射,从小鼠骨中提取成骨细胞(MC3T3-E1),分别用670nm、728nm和880nm的LED以4J/cm2 的剂量进行照射,在照射后第2天开始分别测定成纤维细胞及成骨细胞中的DNA合成比对照组增加的百分率,发现LED照射后的细胞中DNA合成增加的百分率明显提高,并且以第2天的百分率增加为著。
刘江等采用不同浓度的辛伐他汀培养小鼠骨骼肌C2C12细胞,然后用强度不等的红色LED[波长(640±15)nm]照射2d,15 min/d。用甲基噻唑基四唑比色法评价细胞增殖。结果发现辛伐他汀浓度为2.0×10-5mol/L的实验组C2C12细胞的增殖作用受抑制,而这种抑制作用可以被红色LED的光生物调节作用所拮抗[1]。进一步证实了光生物调节作用只调节功能不正常的细胞或组织,对功能正常的组织或细胞没有任何影响。
对在体外培养的犬神经瘤细胞(2A9)和人成胶质瘤细胞(U373),用Lutetium Texaphyrin (Lutex,吸收峰740nm )和Benzoporphyrin Derivative(BPD,吸收峰值690nm )做光敏剂,用PDT方法进行杀死肿瘤细胞实验,分别用发射峰在728nm和680nm 的LED做光源时,二种细胞系中50%~86%的癌细胞被杀死。
2 LED在动物体上治疗的研究
Whelan在对创伤的高血糖老鼠进行LED康复光疗中,进行了基因表达改变的研究。将药物植入老鼠背部皮下,每天进行LED光疗,最后切开皮肤去除药物海绵提取RNA,随后使用eDNA阵列进行分析。结果表明:相对没有光疗的样本,光疗后的样本组织中基因再生很明显。LED光疗能加速自然伤口的愈合进程,使病患更快地恢复到病前的活动能力水平。
李凤敏等在实验中用波长为380~460nm,峰值为410 nm,输出功率40 mW的蓝紫光照射烧伤及创伤大鼠模型,照射距离8 cm,光斑直径65 mm,每次照射剂量0.72 J/cm2、10 min,术后第1天开始照射,每天1次,连续12 d。实验显示该波长段的蓝紫光可显著提高大鼠烧伤创面皮肤组织羟脯氨酸含量,从而促进肉芽组织生长及创面愈合,并提高愈合伤口的抗拉强度。蓝紫光照射可提高烧伤大鼠腹腔吞噬细胞的吞噬率及吞噬指数,即提高大鼠腹腔吞噬细胞的吞噬能力,来提高机体免疫力,从而促进创面的愈合[2]。
3 LED在临床医学实验方面的研究
3.1 痤疮的治疗
痤疮是一种常见的皮脂腺疾病,在青少年中发病率高达80%,皮脂分泌旺盛和痤疮丙酸杆菌增殖是其致病主因。目前局部和系统治疗以抗生素和异维A酸类药物治疗为主,但使用抗生素会引起痤疮丙酸杆菌的抗药性,异维A酸类药物则会产生明显副作用,致使临床应用受到限制。波长为415 nm左右的LED蓝光照射痤疮丙酸杆菌可以使厌氧性痤疮丙酸杆菌内源性的卟啉(主要是原卟啉IV和粪卟啉III)发生光化学反应,产生单线态氧,从而杀灭细菌,达到治疗痤疮的作用。LED蓝光治疗安全有效,且没有传统治疗的耐药性和副作用。
3.2 新生儿黄疸的治疗
LED蓝光光疗的典型应用是新生儿黄疸的治疗。胆红素能吸收的光线以波长450~460nm最佳,而LED蓝光波长主峰在425~475nm 之间,至今仍是光疗最好的光源。
赵新春等在实验中将120例临床诊断为高胆红素血症的新生儿随机分为LED光疗组和鲁米那组,实验观察结果:LED蓝光光疗组临床有效率为83.3%,鲁米那组临床有效率为33.3%。显然LED蓝光照射治疗新生儿黄疸更安全有效。
3.3 创伤愈合的治疗
根据低能量激光对伤口愈合的研究成果,很多公司推出了利用LED促进伤口愈合及组织愈合的产品,并做了大量的临床研究,得到了满意的效果。Whelan等对动物体研究和细胞研究认为,LED照射能使人类肌肉和皮肤细胞以5倍正常的速度生长。研究由Wisconsin-Madison医学院之中西部运动员对抗儿童癌症(MACC)基金会研究中心所进行。FDA已经核准WHELAN领导的团队对LED的实验性疗法进行临床实验,结果伤口恢复效果满意。同时Whelan的研究也用在了无重力环境下的组织愈合,将这项技术应用在长途及长时间的太空旅行上,用来治疗太空人发生受伤的情形。另外,此项技术也被用于一艘美国潜水艇装有一组LED阵列来医治潜在的训练伤害。
3.4 增加机体的耐力和抗疲劳能力
贾丹兵等采用LED波长为600nm-1200nm的红光照射后,检测心肌酶谱、凝血系列和血常规相关分子的含量,研究红光照射对人体抗疲劳能力和耐力的影响。结果与对照组相比,经红光照射后实验组的HB、IBC和Ca 含量明显增高,其他指标未见明显改变,而HB、Rt3C在组织供氧中起着重要作用。在机体运动过程中,通过提高组织的耐缺氧能力,减少组织无氧代谢的同时减少运动时乳酸的生成均可使同等强度运动下机体酸痛感及疲劳感明显减轻,提高机体的耐力及抗疲劳能力。该实验通过自身对照及组间对照研究显示:经红光照射后HB、RBC的含量较照射前有明显增加,虽然本实验没有发现血小板的显著性改变,但HB、RBC含量的变化进一步证实红光照射后明显增加血液携氧能力,增加机体耐力及抗疲劳能力。
3.5 口腔溃疡炎症治疗
对于一些儿科患有白血病的病人,在植入与他们的细胞抗原相匹配的骨髓前,要接受最大剂量的放化治疗以杀死他们体内的瘤变骨髓,由于化疗药物和放射疗法会不加区别地杀死快速分裂的细胞,如口腔黏膜细胞和胃肠道细胞系,这些化疗病人经常会引发急性口腔溃疡,导致食咽困难,产生严重的胃肠反应。使用波长688nm 的LED,在最后一次化疗后,再接受4J/cm2的LED照射剂量,在30位受LED治疗的病人中,47% 的人口腔疼痛受到缓解,其口腔溃疡的治愈程度比预想的要好。
3.6 季节忧郁症的治疗
克服季节性忧郁症的最好办法之一,就是利用光线。光线可以刺激视网膜,并由视网膜把这个刺激信息传递给神经系统,进而传递到大脑中对光线敏感的褪黑素,褪黑素在调整身体生理节奏方面起着极为重要的作用。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(波长540nm)是抑制褪黑激素分泌最明显的光谱。1991年,IBERMAN提到LEWY认为每天起床后以强度10mW的白光照射30min可抑制褪黑激素的分泌,可缓解季节性忧郁。这项观察结果不仅对了解褪黑激素的生理结果非常重要,同时也有助于调节分泌节律,以治疗SAD及其他健康上的问题。目前已有应用LED的相关专利被申请,内容为用于多种生理精神失调的光照疗法,譬如SAD的光照疗法。
4 LED在医疗应用领域的展望
LED具有安全、可靠、体积小、光电转换效率高、光谱覆盖面广、易操作、价格低等优点。那么LED能否代替目前在生物医学中普遍使用的激光呢?这个问题可以从Karu 的工作中得出回答。Karu为了揭开低强度激光(LIL)和可见光的生物刺激之迷,在六年时间里,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。LED在低能量光疗领域将逐步替换半导体激光器。以往低能量激光治疗的经验成果也将为LED的应用提供参考。
在相干性、光强、波长、实用性和价格等方面,LED以它固有的优势,完全有可能在未来的生物医学领域代替目前的激光,并有希望形成一个专门服务于生物医学领域的新产业。
现有的资料中文献报道多集中在蓝光、红光、近红外等波段的LED疗效,而对其他波段LED的医疗研究较少。LED应用在这些领域还未见有相关报道,还需要生物医学领域的科学家大量的基础研究工作,掌握各种条件下光疗对人体细胞的作用规律及其参数、机理。随着LED技术的不断发展,LED应用于医疗领域的发展巨大,各种实用、新型、简便、安全易推广的LED系列医疗器械将更加广泛地服务于生物、医学领域。

参 考 文 献
[1]刘江,陈小莹,刘承宜,等.红色发光二极管照射对C2C12细胞增殖的光生物调节作用[J].中国临床康复,2006,l0(13):107-109.
[2]李凤敏,王伟,王铮,等.蓝紫光对大鼠皮肤伤口及烧伤愈合的影响.中华理疗杂志[J].2001,24(5):294-295.