非相幹窄譜可見光LEDs光源在皮膚科的應用
綜述
作者：趙欣研 田燕 劉瑋
近年來，人們越來越關注利用窄譜低能量非相幹可見光照射皮膚以期產生有益的光生物調節作用，而非激光的熱效應、剝脫效應來達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生這種低能量、特定脈衝、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域中的研究應用現狀及可能的機製綜述如下。
1 LED光源
光療作為一種最古老的療法，應用於多種健康問題的治療，在幾千年前古埃及、印度、中國人們已發現可以用日光來治療皮膚病。在20世紀60年代後期Endre Mester一位匈牙利醫生，開始了一係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，激光不但沒有導致癌症反而促進了為進行實驗而被剃掉的小鼠背部的毛發的生長。這是第一個論證低強度激光療法（LLLT）的光生物調節作用的範例，從而為醫學科學開辟了一條新的途徑。這個偶然的發現推進了非相幹光源（LEDs）像相幹光源（激光）一樣在醫療領域的應用[1]。
近年來，人們越來越關注利用一種低能量、特定脈衝、窄波段光對細胞產生溫和的光生物調節作用，以調節細胞生物活性，而非熱作用或剝脫作用，簡稱為光調作用，或光生物刺激作用[2]。美國國家航天航空局（NASA）對此進行了初步研究，發現特定波長的LEDs光可加速植物生長；宇航員在零重力環境下、海豹突擊隊員在潛水艇的高氣壓環境下，傷口易遷延不愈，NASA發現LED光可以有效促進這類情況下傷口愈合。
LEDs是一種可將電流轉換成非相幹窄譜光的複雜半導體，出現於20世紀60年代，因技術限製隻能產生紅、綠、黃三色光，無法產生白光，基本淪為在鬧鍾上顯示時間或顯示視頻攝像機的電池含量的光源，近些年來才被作為照明光源。現在LED光波長可覆蓋247～1 300nm，可產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。作為一種非熱效應光源， 低能量輸出避免了組織損傷的風險，在皮膚醫學應用時不易對皮膚造成損傷，因而具有很高的安全性[3]；另一個優點是LED可靈活地組合不同波長陣列的光源，且有更大的照射麵積。與普通寬光譜光源相比，目前LED 的發射光譜可以控製在約3nm的範圍內，可以使用治療效果最佳的波段而無須擔心雜光造成的影響，且指向性好，可用於靶向治療[4]。
正是LED光源本身的諸多優點決定了LED成為這種低能量窄譜光調療法的理想光源，現在關於LED光的多項研究不斷革新，美容及用光動力療法（PDT）治療皮膚癌，LED光療設備越來越多的應用於皮膚科領域。
2 皮膚的生理特性與光學特性
皮膚是人體中最薄的器官，也是身體最重要的器官之一，分為三層結構，即表皮、真皮、皮下組織，從光學來說皮膚典型的混濁介質，真皮層不均勻的結構限製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，在人體穿透深度為1.0～1.5cm，可穿透真皮達淺筋膜，但大部分在真皮層被吸收[7]。根據生物組織中各吸收成分在不同波長下的吸收性質，光學方法通常采用600～1 300nm波長範圍對生物組織進行診斷與治療，這一範圍被稱為生物組織的光學診斷窗口[8]。
皮膚對可見及近紅外波長光的吸收主要來自於黑色素、血液與水分[9]。黑色素存在於人體表皮層中，是決定皮膚在紫外與可見波長吸收性質的主要成分。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[10]。血液對光的吸收主要來自於血紅蛋白，血紅蛋白在400～600nm有較強的吸收能力[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方法的內源標記物，使利用光學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，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。由於水的吸收峰分布在近紅外波長區域，對於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。
人體皮膚係統存在類似於視網膜的接收可見光的傳感器及效應蛋白，視杆細胞和視錐細胞光受體樣蛋白，如：視紫質等均在皮膚表達[11]。光子必須被線粒體或細胞膜上的一些光受體（photoacceptors）如發色團-卟啉、核黃素或其他感光物質吸收，進而影響細胞內的二級相關蛋白，從而將光信號轉變成細胞內的分子信號，才能在一個活的生物係統產生可能的影響。像與植物可以利用葉綠素將陽光轉化到植物組織內一樣，人體細胞也能被一定波長能級的光觸發細胞內天然的光生物化學反應機製[12]。
光調作用的主要靶目標是細胞，其作用機製被認為是發生在線粒體水平上能量開關機製的活化，吸收的能量能活化細胞功能，促進細胞增殖和遷移，調控細胞因子和炎症介質水平。這一過程與植物光合作用中在葉綠體上發生電子傳遞類似。現有研究認為紅光和近紅外光的光受體可能是位於呼吸鏈末端的一種關鍵調控酶—細胞色素氧化酶， 可以通過線粒體逆行傳導（mitochondrial retrograde signaling）信號通路發揮光生物學效應[13-14]。
3 LEDs光源在皮膚科中的研究應用現狀
3.1 改善皮膚光老化
近年來，關於利用LED光源達到光子嫩膚效果的光調節療法已成為皮膚美容領域的新熱點之一。
研究表明，皮膚老化與膠原合成下調及金屬基質蛋白酶（MMP）表達增高有關，而MMPs表達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膠原合成，減少MMP的產生以減少膠原的降解[15]。此外，QL等[16]研究發現低能量激光療法通過下調p21的表達抑製由UV接到的ERK/FOXM1通路的細胞衰老機製。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和生物化學改變，發現連續脈衝方式660nmLED照射後I型膠原蛋白合成增加，MMP-1表達減少；同時對皮膚光老化受試者進行隨機單盲研究，半邊臉予以660nm LED光照射，結果顯示臨床上>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膠原合成下降、金屬基質蛋白酶表達升高實現[17]。王秀麗等[18]通過對14例光老化受試者前臂伸側皮膚進行不同波長530nm、630nm、850nm的LED光照射發現，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。組織學結構上630nm LED光照射後基底層色素顆粒減少，乳頭層膠原纖維細小致密，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現象得到明顯改善；出現較多細長彈性纖維並重新排列，趨於整齊；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，使皮膚黑素指數升高，紋理加深、膚色變暗。提示LEDs治療光老化時，需選擇合適波長等光學參數以達到獲益目的。Weiss等[19]臨床試驗中發現，93例光老化患者應用590nm LED進行治療，結果顯示90%的患者光老化症狀改善，大部分患者眶周皺紋改善，皮膚整體質地和皮膚潮紅、色素斑等顯著改善。但PR等[20]研究應用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8周的照射，結果表明受試者的皮膚光老化未見明顯改善，隻起到了安慰劑的作用。以上研究提示我們不同的波長、能量密度等參數的選擇在光生物調節作用中十分重要。