光学技术在创面治疗中的应用研究

摘要：光学在医学领域的应用, 主要有两大类:一类是将光学用于临床治疗中, 另一类将光学用于生物组织有关参量的检测中。本文从作用机制及临床应用角度, 对皮肤创面治疗中应用较为广泛的几项光学技术 (弱激光疗法、微波治疗技术、红外线疗法) 的国内外研究进展进行综述。

 现代理论已清楚的知晓光由基本粒子 (光子) 组成, 光具有粒子性与波动性, 称为波粒二象性。但人类认知到光的这条本质却历经了几千年, 早在2 300年前古中国战国初期, 墨学创始人墨子便发现了光的反射定律, 建立了世界上最早的光学体系之一[1], 但直到1864年苏格兰物理学家麦克斯韦提出“光本身是一种电磁干扰”, 光的奥秘才终被揭开[2]。光学技术在人类医疗领域中的应用, 改变了常规药物治疗及手术治疗的医疗现状, 为医学临床治疗提供了新方法和手段。光学在医学领域的应用, 主要有两大类:一类是将光学用于临床治疗中, 另一类将光学用于生物组织有关参量的检测中。本文对皮肤创面治疗中应用较为广泛的几项光学技术 (弱激光疗法、微波治疗技术、红外线疗法) 的国内外研究进展进行综述。
   
    1 弱激光治疗技术
   
    1.1 弱激光疗法概述
   
    弱激光疗法 (low level laser therapy, LLLT) 是指由波长600~1 000nm (红光至近红外光波长之间) 、辐照强度0.01~50.00mW·cm-2的光照射生物组织后产生的生物学效应, 最早于1968年由匈牙利科学家Mester等[3]在激光免疫实验基础上首先提出。此后众多学者对波长在600~670nm和近红外的低能量激光做了大量研究, 目前认为弱激光疗法能调节机体多种功能, 如神经冲动传递、血液功能、酶的活性、免疫、代谢等, 可通过促进或抑制细胞的增殖、增加或减少某些生物活性物质的释放等, 达到促进组织修复、抑制炎症反应、减轻疼痛等作用。应用较广泛的弱激光仪, 主要有氦氖激光治疗机、氦镉激光治疗机、半导体激光治疗机等。
   
    1.2 弱激光在创面治疗中的应用
   
    弱激光疗法目前被广泛应用于创伤、骨科、外科、烧伤等难愈性创面及各种溃疡、褥疮、糖尿病创面、瘘口等慢性创面等。Gupta等[4]研究表明, 低水平激光治疗可促进创面愈合, 减少疼痛和炎症, 防止组织死亡。在该研究中, 使用不同波长的光 (红光和近红外光, 波长区域635、730、810和980nm, 恒定能量传递4J·cm-2, 辐射强度10 mW·cm-2) 作用于局部皮肤擦伤的小鼠模型, 发现635和810nm是促进皮肤擦伤愈合的有效波长, 而730和980nm的波长没有刺激治疗愈合的迹象;愈合最大限度增强发生在810nm波长激光治疗的小鼠, 伤口面积显着减小。该实验表明, 伤口组织的生物学效应取决于波长, 可能与细胞色素C氧化酶吸收光谱有光。Kaviani等[5]将糖尿病足 (伤口至少3个月) 23例患者随机分为安慰剂治疗组 (n=10) 和LLLT治疗组 (n=13, 685nm, 能量10J·cm-2) , 随访20周, LLLT组8例完全愈合, 安慰剂组只有3例出现伤口完全愈合。该研究提供的证据表明LLLT可以加速慢性糖尿病足溃疡的愈合过程, 可以推测LLLT可以缩短糖尿病足溃疡愈合所需时间。Landau等[6]采用宽带光源 (400~800nm) 治疗糖尿病足溃疡或慢性下肢溃疡患者, 结果表明可见光 (400~800nm) 是治疗小腿或足部溃疡的有效方式。Anand等[7]采用940nm低水平激光治疗复发性口腔溃疡 (recurrent aphthous stomatitis, RAS) , 结果显示低水平激光可减少溃疡愈合时间、疼痛强度、溃疡面积。
   
    1.3 弱激光促进创面愈合作用机制
   
    弱激光促进创面愈合机制的研究目前主要集中在细胞色素C氧化酶-ATP途径、细胞色素C氧化酶-NO途径及细胞因子及生长因子途径。弱激光疗法通过光电磁效应、光化学效应、光压强效应、光刺激效应、光热效应, 作用于细胞线粒体, 诱发细胞色素C氧化酶-ATP途径及细胞色素C氧化酶-NO途径, 使细胞有氧呼吸功能增强、细胞糖原含量增加、促进ATP分解、改善血液循环、促进DNA/RNA及蛋白质合成, 进一步诱发级联反应, 促进细胞有丝分裂及肉芽组织生长, 增加白细胞吞噬作用而消炎, 降低5-HT的含量而镇痛, 从而促进创面愈合。需氧细胞在代谢过程中产生一系列活性氧簇 (reactive oxygen species, ROS) , 在启动和维持的再生反应中必不可少, 可激活转录因子以及促进细胞增殖、分化。Chen等[8]使用810nm激光 (高于0.003J·cm-2能量密度) 作用于小鼠胚胎成纤维细胞, 证实应用LLLT后ROS (活性氧簇) 合成增多、细胞氧化反应能力增强, 并引起整个细胞的氧化还原电位变化, 激活信号转导通路, 引发一系列级联反应, 包括NF-κB、活化蛋白1、活化转录因子-反应结合蛋白、p53、低氧诱导因子1的活化, 使细胞内ATP水平增加, 上调线粒体呼吸。LLLT不仅增强了线粒体呼吸, 也激活氧化还原敏感的核转录因子。Firat等[9]使用波长为940nm, 能量密度为10J·cm-2弱激光作用于链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠的腭黏骨膜伤口, 组织病理学检查结果显示炎症细胞数目减少, 有丝分裂活性增强, 成纤维细胞胶原合成增加, 总氧化状态明显降低。Aparecida Da Silva等[10]使用二极管激光器 (50mW·cm-2, 波长660nm, 4J·cm-2) 处理糖尿病大鼠伤口, 结果表明LLLT显着增加基质金属蛋白酶MMP-2和MMP-9的表达, 促进胶原蛋白Ⅰ和Ⅲ型胶原产生。
   
    2 微波治疗技术
   
    2.1 微波的“热效应”及“非热效应”
   
    波长在1 mm~1 m范围的电磁波称作微波。微波用于治疗疾病已经有近百年的历史。微波被应用于人体治疗, 主要在于微波具有的“热效应”和“非热效应”[11]。在微波电场的作用下, 生物体内存在的大量的离子和极性分子形成电场方向的振动, 振动时离子间互相摩擦以及和周围媒质间摩擦而生热, 引起一系列生理反应:膜渗透性增加, 膜物质转运加快, 促进细菌、毒素的清除, 促进细胞新陈代谢及加快微循环血流速度等。微波的“非热效应”是指生物体接受微波照射而温度未升高状态下所出现的病理生理反应。“非热效应”主要通过高频电磁场改变细胞膜脂质通透性及通过生物体蛋白质和核酸的半导电性而影响细胞的新陈代谢。在微波场照射下离子和极性分子通过振动或旋转运动产生热效应以及带电颗粒或离子通过电磁振荡而产生非热效应均可改变生物体的生化及生理反应而产生临床治疗效果。
   
    2.2 微波在创面中的应用及作用机制
   
    目前微波被广泛应用于皮肤溃烂、扁平疣、尖锐湿疣、带状疱疹、手术后伤口愈合等。微波将电磁波动力传递给各种生物大分子并使之高速振动, 产生强烈的机械和生物热效应, 以刺激神经、血管和组织细胞, 引起多种生物效应。炎症组织中水分子及多种电解质等极性分子含量较非炎症组织高数倍至数十倍。微波能直接在炎症组织中产生强大的生物热效应, 而不伤及病灶表面及周围正常组织。微波促进创面愈合的作用机制在于:1) 促进血液循环, 改善组织微循环及能量代谢, 促进毒素和炎症物质的吸收及清除;2) 增强免疫, 增强单核巨噬细胞系统的吞噬功能;3) 诱导变性细胞、异型细胞凋亡, 抑制肿瘤细胞的生长和转移;4) 降低神经末梢的兴奋性、松弛痉挛肌肉以解痉止痛;5) 改变细胞膜通透性, 调节病灶组织的pH值, 减轻炎症组织酸性环境, 促进水肿消除;6) 加速蛋白质的合成, 促进组织修复;7) 促进异常增生组织中胶原纤维的断裂、分解和吸收, 促进慢性炎症造成的硬化组织脱水、萎缩、软化。朱格非等[12]观察微波照射对腋纹切口皮瓣法腋臭术后伤口愈合的影响, 实验组 (10例) 采用微波照射腋纹切口皮瓣法腋臭术后伤口, 对照组 (10例) 仅常规换药护理, 结果实验组伤口平均愈合时间为7.3d, 低于对照组的10.4d, 且实验组的Ⅰ期愈合率达95.0%, 明显高于对照组的75.0%, 表明微波照射腋纹切口皮瓣法腋臭术后伤口, 可促进腋部皮瓣局部血液循环和皮瓣成活, 减少并发症, 利于切口愈合。赵超莉等[13]使用微波照射深Ⅱ度烫伤大鼠感染创面, 观察分泌物溶菌酶含量变化, 研究发现低强度微波照射后的烫伤大鼠创面分泌物中溶菌酶含量均有不同程度的升高, 证实低强度微波照射可以明显影响大鼠的非特异免疫功能, 改善机体免疫功能, 促进抗菌消炎。向英[14]采用微波治疗机治疗非坏疽性糖尿病足90例, 结果显示微波治疗能促进糖尿病足创面愈合, 减少住院时间。
   
    3 远红外辐射治疗机技术及特定电磁波治疗技术
   
    3.1 红外线疗法概述
   
    远红外辐射治疗机技术及特定电磁波治疗技术均是利用红外线疗法治疗疾病的方法。医学上根据生物学特征, 将红外线分为两部分:短波红外线 (近红外线) , 波长在760nm~1.5μm之间;长波红外线 (远红外线、中红外线) , 波长在1.5~400μm之间。600~1 000nm (红光至近红外光波长之间) 电磁波属于弱激光疗法范畴 (见前文) 。皮肤和皮下组织是人体吸收红外线的主要部分。红外线的穿透深度并不大, 在皮下2mm厚度内远红外线基本被吸收, 近红外线吸收率达89%。远红外线可达皮肤上层0.05~1mm, 近红外线穿透深度为1~10mm, 可穿透至皮下血管、神经末梢。红外线疗法主要原理在于利用红外线的热射线作用被生物体吸收后转化为热能从而引起生物学效应, 期间没有光化学效应, 这点与弱激光疗法恰好相反。根据热辐射吸收理论, 被辐射物质在辐射光谱与自身吸收光谱一致时可达到最大吸收效果, 人体吸收最佳的红外峰值波长为9.6μm, 属于远红外线波长范畴, 说明远红外比近、中红外线更易被人体吸收。目前临床应用较广的远红外治疗仪, 其光谱范围在2.5~13μm之间, 其波长峰值集中于9~10μm之间, 而特定电磁波治疗技术, 可产生波长范围2~25μm和强度范围25~35mW·cm-2内分布的特定电磁波。
   
    3.2 红外线疗法在创面中的应用及作用机制
   
    目前红外线疗法亦被广泛应用于褥疮、慢性溃疡、伤口愈合等。红外线疗法应用于创面治疗主要作用机制[15,16]在于:1) 改善血液循环:可使照射部位血管扩张, 血流加快, 血液循环得以改善;2) 镇痛:降低神经兴奋性, 缓解肌肉痉挛, 改善供血, 加速血液、淋巴液回流, 清除致痛物质;3) 消炎消肿:使血管扩张, 血液循环加速, 渗出物吸收, 炎性产物清除加快, 局部免疫物质增加, 抑制病原体, 促进浅表性炎症消散。Park等[17]使用远红外线照射冠心病小鼠, 发现远红外辐射通过增加内皮型一氧化氮合酶的丝氨酸磷酸化, 从而增加一氧化氮的产生而改善血管内皮功能。Tu等[18]使用远红外线照射睾丸缺血大鼠模型, 发现远红外线增加了血红素加氧酶-1的表达, 防止大鼠睾丸缺血/再灌注损伤。Kawaura等[19]观察红外线疗法对2型糖尿病患者腿部热疗效果, 发现红外线疗法对患者的血糖、糖化血红蛋白、游离脂肪酸、瘦素和脂联素的水平没有影响, 但TNF-α水平显着增加, 说明红外线热疗能减轻糖尿病患者腿部的氧化应激。Venkadalakshmi等[20]使用红外线治疗会阴疼痛和产后母亲的伤口, 发现红外线能显着减轻会阴疼痛, 并促进伤口愈合。
   
    4 小结
   
    无论是弱激光疗法, 还是微波治疗和红外线疗法, 均是利用光的生物特性, 采取不同波长、不同辐照强度作用于生物体创面, 均能促进血液循环、抗炎、镇痛等, 起到促进创面愈合的作用。但是具体作用机制及产生的生化反应又各有区别。弱激光属于“冷光”, 无“热效应”, 其最大生物效应波长在640nm (可能与细胞色素C氧化酶吸收光谱有关) , 其生物学效应涉及细胞色素C氧化酶-ATP途径、细胞色素C氧化酶-NO途径、细胞因子及生长因子途径等, 是目前光学技术研究热点之一。但其作用机制尚未完全明确, 特别是在创面技术参数研究, 比如弱激光的波长、能量密度、治疗间隔时间、辐照强度、照射时间等, 还需进一步细化深入。
   
    微波治疗和红外线疗法, 均属于“热光”, 均可产生“热效应”。微波治疗通过将电磁波动力传递给各种生物大分子并使之高速振动, 而产生强烈的机械和生物“热效应”。而炎症组织中水分子及多种电解质等极性分子含量较非炎症组织高数倍至数十倍, 微波能直接在炎症组织中产生强大的生物热效应, 而不伤及病灶表面及周围正常组织。红外线疗法主要波长集中在9.6μm, 穿透力相对较弱, 虽同样产生“热效应”, 但却依靠病灶表面或周围组织逐层传热可能造成的不必要的负损伤, 一方面炎性组织会凝固, 另一方面人体组织又会分泌大量组织液, 这些组织液与部分炎性组织混合在红外线辐射器表面形成结痴, 而深部病灶不易获得应有的热效应而影响疗效。而微波虽避免了病灶表面或周围组织逐层传热而致的负损伤, 却无法避免微波治疗过热导致患者深部组织损伤、坏死。提及此处, 特别需要注意糖尿病患者的微波使用, 糖尿病患者往往对热感预知能力差易发生烫伤。相比之下, 弱激光疗法的“冷光”体现出较大优势。目前“弱激光疗法”替代传统“微波治疗和红外线疗法”, 而被广泛应用于糖尿病足溃疡治疗。
   
    传统创面愈合多采用“干性愈合”法, 通过微波治疗或红外线疗法保持创面干燥, 频繁更换敷料。主要缺点在于:1) 创面局部脱水形成结痂, 阻碍上皮细胞的爬行;2) 频繁更换敷料使创面局部温度下降, 导致细胞分裂增殖速度减慢;3) 敷料与伤口新生肉芽组织粘连导致更换敷料时再次性损伤;4) 创面与外界无阻隔性屏障, 交叉感染的机会多。1962年Winter[21]首次提出“湿性愈合”法。“湿性愈合”指保持创面局部的湿润不形成结痂, 接近生理状态下的湿性愈合环境就有利于肉芽组织的生长, 利于皮肤细胞的分裂从而促使伤口的完整愈合。随着人们对这个观点的进一步认识和研究, 湿性愈合的优越性不断被证实, 成为创面治疗的主流方法。在这样的背景下, “弱激光疗法”的“冷光”作用显得更符合创面治疗技术的发展方向。
   
    参考文献
    [1]徐庆君.墨子的光学成就[J].科技资讯, 2007, 25 (2) :208-209.  
    [2]苏湛.被忽视的巨人-麦克斯韦[J].中国科技史杂志, 2012, 33 (3) :303-313.  
    [3]Mester E, Szende B, Tota J G.Effect of low intensity laser radiation, repeatedly administered over a long period, on the skin and inner organs of mice[J].Radiobiol Radiother (Berl) , 1969, 10 (3) :371-377.