ZELLULÄRE MECHANISMEN DER LOW-POWER-LASER-THERAPIE (FOTOBIOMODULATION)
Tina.I. KARU
Was ist Photobiomodulation (Lasertherapie mit niedriger Leistung?)
Vor mehr als 30 Jahren erschienen die ersten Publikationen über die Low-Power-Lasertherapie oder Photobiomodulation (damals noch Laser-Biostimulation genannt). Seither sind ca. 2000 Studien zu diesem Thema veröffentlicht worden (eine Analyse dieser Publikationen ist in [1] zu finden). Die medizinische Behandlung mit kohärenten Lichtquellen (Laser) oder nicht-kohärentem Licht (Light Emitting Diodes, LED's) hat ihre Kindheit und frühe Reife durchlaufen. Photobiomodulation wird von Physiotherapeuten (zur Behandlung einer Vielzahl von akuten und chronischen Muskelschmerzen), Zahnärzten (zur Behandlung von entzündeten Mundgeweben und zur Heilung verschiedener Ulzerationen), Dermatologen (zur Behandlung von Ödemen, indolenten Geschwüren, Verbrennungen, Dermatitis), Rheumatologen (zur Schmerzlinderung, Behandlung von chronischen Entzündungen und Autoimmunerkrankungen) und von anderen Spezialisten (z.B. zur Behandlung von Mittel- und Innenohrerkrankungen, Nervenregeneration) eingesetzt. Die Photobiomodulation wird auch in der Veterinärmedizin (vor allem in Trainingszentren für Rennpferde) und in der Sportmedizin und in Rehabilitationskliniken (zur Reduktion von Schwellungen und Hämatomen, Schmerzlinderung und Verbesserung der Beweglichkeit sowie zur Behandlung von akuten Weichteilverletzungen) eingesetzt. Laser und LED's werden direkt an den entsprechenden Stellen (z.B. Wunden, Verletzungsstellen) oder an verschiedenen Punkten am Körper (Akupunkturpunkte, Muskel-Triggerpunkte) eingesetzt. Für Einzelheiten über klinische Anwendungen und verwendete Techniken werden die Bücher [ 1-3] empfohlen.
Welche Lichtquellen (Laser, LED's) können verwendet werden?
Das Gebiet der Photobiomodulation ist durch eine Vielzahl von Methoden und den Einsatz verschiedener Lichtquellen (Laser, LED's) mit unterschiedlichen Parametern (Wellenlänge, Ausgangsleistung, kontinuierliche oder gepulste Betriebsarten, Pulsparameter) gekennzeichnet. Diese Parameter sind in der Regel in den Handbüchern der Hersteller angegeben.
Die GaAlAs-Dioden werden sowohl in Diodenlasern als auch in LED's verwendet, der Unterschied besteht darin, ob das Gerät den Resonator enthält (wie der Laser) oder nicht (LED). In den letzten Jahren werden in therapeutischen Geräten längere Wellenlängen (-800-900 nm) und höhere Ausgangsleistungen (bis 100 mW) bevorzugt.
Sollte ein Arzt einen Laser oder eine Diode verwenden? Die Antwort ist - es kommt darauf an, was man bestrahlt, also wie tiefe Gewebeschichten bestrahlt werden müssen. Durch die Lichtwechselwirkung mit einem Biotissue werden kohärente Eigenschaften des Laserlichts auf molekularer Ebene nicht manifestiert. Die Absorption von Laserlicht niedriger Intensität durch biologische Systeme ist rein nicht-kohärenter (d.h. photobiologischer) Natur. Auf zellulärer Ebene werden die biologischen Reaktionen durch Absorption von Licht mit Photoakzeptormolekülen bestimmt (siehe Abschnitt 3 unten). Die kohärenten Eigenschaften des Laserlichts sind nicht wichtig, wenn zelluläre Monolagen, dünne Schichten von Zellsuspensionen sowie dünne Schichten der Gewebeoberfläche bestrahlt werden (Abb. 1). In diesen Fällen liefert das kohärente und nicht-kohärente Licht (d.h. sowohl Laser als auch LEDs) mit der gleichen Wellenlänge, Intensität und Dosis die gleiche biologische Reaktion. Einige zusätzliche (therapeutische) Effekte der kohärenten und polarisierten Strahlung (Laser) können nur in tieferen Schichten von Bulk-Gewebe auftreten und sind mit einer zufälligen Interferenz von Lichtwellen verbunden. Ein interessierter Leser wird zum Ref. [4] für weitere Einzelheiten. Hier illustrieren wir diese Situation durch Abb. 1. Grosse Gewebevolumina können mit Laserquellen nur deshalb bestrahlt werden, weil die Länge der longitudinalen Kohärenz Lcoh für nicht kohärente Strahlungsquellen zu klein ist [4].
Steigerung des Zellstoffwechsels durch Aktivierung der Atmungskette: ein universeller photobiologischer Wirkmechanismus
Eine photobiologische Reaktion beinhaltet die Absorption einer bestimmten Wellenlänge von Licht durch das funktionierende Photoakzeptormolekül. Die photobiologische Natur der Photobiomodulation bedeutet, dass ein bestimmtes Molekül (Photoakzeptor) zunächst das für die Bestrahlung verwendete Licht absorbieren muss. Nach der Förderung von elektronisch angeregten Zuständen können primäre molekulare Prozesse aus diesen Zuständen zu einem messbaren biologischen Effekt (über eine sekundäre biochemische Reaktion oder Photosignaltransduktionskaskade oder zelluläre Signalübertragung) auf zellulärer Ebene führen. Die Frage ist, welches Molekül der Photoakzeptor ist.
Wenn man die zellulären Effekte betrachtet, kann diese Frage durch Aktionsspektren beantwortet werden. Jedes Diagramm, das eine Photoreaktion als Funktion der Wellenlänge, Wellenzahl, Frequenz oder Photonenenergie darstellt, wird als Aktionsspektrum bezeichnet. Aktionsspektren sind für die Identifizierung des Photoakzeptors insofern von größter Bedeutung, als das Aktionsspektrum einer biologischen Reaktion dem Absorptionsspektrum des Photoakzeptormoleküls ähnelt. Das Vorhandensein eines strukturierten Aktionsspektrums ist ein starker Beweis dafür, dass es sich bei dem untersuchten Phänomen um ein photobiologisches Phänomen handelt (d.h. es existieren primäre Photoakzeptoren und zelluläre Signalwege). Abb. 2 zeigt einige Beispiele von Aktionsspektren für eukaryotische Zellen: zwei davon (A, B) betrachten die im Zellkern ablaufenden Prozesse, und ein Spektrum (C) bezieht sich auf die Zellmembran. Abb. 2D zeigt das Absorptionsspektrum des Monolayers der gleichen Zellen.
Die Spektren in Abb. 2 repräsentieren nur den Rot-Nah-Infrarot-Bereich (IR), d.h. den Bereich, der für die Photobiomodulation am wichtigsten ist. Die Aktionsspektren für den gesamten sichtbaren bis nahen IR-Bereich sind in [5] zu finden. In [5] sind Aktionsspektren für verschiedene zelluläre Antworten auch für andere eukaryotische und prokaryotische Zellen zu finden.
Aus den Aktionsspektren in Abb. 2 können zwei Schlussfolgerungen gezogen werden. Erstens deutet die Ähnlichkeit der Aktionsspektren für verschiedene zelluläre Reaktionen darauf hin, dass der primäre Photoakzeptor für alle diese Reaktionen derselbe ist. Zweitens, die Existenz der Aktionsspektren für biochemische Prozesse, die in verschiedenen zellulären Organellen (Kern, Abb. 2A, B und Plasmamembran, Abb. 2C) ablaufen, setzt die Existenz zellulärer Signalwege innerhalb einer Zelle zwischen dem Photoakzeptor und dem Kern sowie zwischen Photoakzeptor und Zellmembran voraus. Aktionsspektren zeigen auch an, welche Wellenlängen für die Bestrahlung am besten geeignet sind: Maximale biologische Reaktionen treten auf, wenn bei 620, 680, 760 und 820-830 nm bestrahlt wird (Maxima der Spektren in Abb. 2). Überspringen wir die Geschichte der Identifizierung des Photoakzeptors (beschrieben in [5]), kommen wir zu dem Schluss, dass der Photoakzeptor für eukaryotische Zellen im rot-zu-nahen IR-Bereich vermutlich das terminale Enzym der Atmungskette Cytochrom-c-Oxidase (in den Zellmitochondrien) ist. Genauer gesagt handelt es sich um eine gemischtwertige (teilweise reduzierte) Form dieses Enzyms, die noch nicht identifiziert werden konnte. Im violett-blauen Spektralbereich zählen neben terminalen Oxidasen auch Flavoproteine (z.B. NADH-Dehydrogenase am Anfang der Atmungskette) zu den Photoakzeptoren.
Ein wichtiger Punkt ist hervorzuheben. Wenn die erregbaren Zellen (z.B. Neuronen, Kardiomyozyten) mit monochromatischem, sichtbarem Licht bestrahlt werden, werden auch die Photoakzeptoren als Bestandteile der Atmungskette vermutet. Einige der experimentellen Beweise bezüglich erregbarer Zellen sind in Abb. 3 kurz zusammengefasst. Aus den experimentellen Daten (überprüft in [4]) geht ganz klar hervor, dass die Bestrahlung physiologische und morphologische Veränderungen in nicht-pigmentalen erregbaren Zellen durch Absorption in Mitochondrien verursachen kann. Später wurden ähnliche Bestrahlungsexperimente mit Neuronen in Verbindung mit der Niederleistungs-Lasertherapie durchgeführt. In den 80er Jahren wurde gezeigt, dass die He-Ne-Laserstrahlung das Zündungsmuster von Nerven verändert; es wurde auch festgestellt, dass die transkutane Bestrahlung mit dem HeNe-Laser den Effekt der peripheren Stimulation eines Verhaltensreflexes nachahmt. Es zeigte sich, dass diese Befunde mit der Schmerztherapie in Zusammenhang stehen (Übersicht [4]).
Abb. 1. Tiefe (in der sich die Strahlkohärenz manifestiert, und Kohärenzlänge Lcoh in verschiedenen bestrahlten Systemen: (A) Monolayer von Zellen, (B) optisch dünne Suspension von Zellen, (C) Oberflächenschicht von Gewebe und Bulk-Gewebe. Lcoh, - Länge der zeitlichen (longitudinalen) Kohärenz des Laserlichts, hw) kennzeichnet die Strahlung.
Abb. 2. Wirkungsspektren von: (A) DNA- und (B) RNA-Syntheserate in HeLa-Zellen; (C) Plasmamembranadhäsion von HeLa-Zellen für rot-zu-naher IR-Strahlung; (D) Absorptionsspektrum der luftgetrockneten Monolayer von HeLa-Zellen für den gleichen Spektralbereich. Originaldaten finden Sie unter ref. [5].
Was passiert also, wenn das Molekül des Photoakzeptors Photonen absorbiert? Antwort - elektronische Anregung, gefolgt von photochemischen Reaktionen, die von niedrigeren Anregungszuständen aus auftreten (erstes Singulett und Triplett). Es ist auch bekannt, dass die elektronische Anregung der absorbierenden Zentren deren Redox-Eigenschaften verändert. Bis jetzt wurden in der Literatur fünf Primärreaktionen diskutiert (Abb. 4). Zwei davon sind mit einer Änderung der Redoxeigenschaften verbunden und zwei Mechanismen beinhalten die Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (ROE). Auch die Induktion einer lokalen transienten (sehr kurzzeitigen) Erwärmung von absorbierenden Chromophoren ist möglich. Einzelheiten zu diesen Mechanismen sind in [4, 5] zu finden.
Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass nur eine der in Abb. 4 gezeigten Reaktionen auftritt, wenn eine Zelle bestrahlt wird und angeregte elektronische Zustände gefördert werden. Die Frage ist, welcher Mechanismus entscheidend ist. Es ist nicht ausgeschlossen, dass alle in Abb. 4 gezeigten Mechanismen zu einem ähnlichen Ergebnis führen, nämlich zu einer Modulation des Redox-Zustandes der Mitochondrien (Verschiebung in eine stärker oxidierte Richtung). Abhängig von der verwendeten Lichtdosis und -intensität können jedoch einige Mechanismen signifikant überwiegen [5].
Die nächste Frage lautet: Wenn sich Photoakzeptoren in den Mitochondrien befinden, wie hängen dann die unter Bestrahlung auftretenden Primärreaktionen in der Atmungskette (Abb. 4) mit der DNA- und RNA-Synthese im Zellkern (die Aktionsspektren in Abb. 2A, B) oder mit Veränderungen der Plasmamembran (Abb. 2C) zusammen? Die Hauptantwort ist, dass es zwischen diesen Ereignissen sekundäre (dunkle) Reaktionen gibt (zelluläre Signalkaskaden oder Photosignaltransduktion und -verstärkung, Abb. 5).
Drei Regulationspfade werden in Abb. 4 vorgeschlagen. Der erste ist die Kontrolle des Photoakzeptors über das Niveau des intrazellulären ATP. Es ist bekannt, dass selbst kleine Veränderungen des ATP-Spiegels den zellulären Metabolismus signifikant verändern können. Dieser Regulationsweg ist besonders wichtig bei der Bestrahlung von hypoxischen, hungernden oder anderweitig gestressten Zellen. In vielen Fällen erweist sich jedoch die regulative Rolle der Redox-Homöostase als wichtiger als die des ATP. So ist z.B. bekannt, dass die Anfälligkeit von Zellen für hypoxische Schädigungen mehr von der Fähigkeit der Zellen abhängt, die Redox-Homöostase aufrechtzuerhalten, und weniger von ihrer Fähigkeit, den Energiestatus aufrechtzuerhalten.
Der zweite und dritte Regulationsweg wird durch den zellulären Redoxzustand vermittelt (Eh; Abb. 4). Dabei handelt es sich um redoxsensitive Transkriptionsfaktoren (NF-KB und AP1, Abb. 4) oder zelluläre homöostatische Signalkaskaden vom Zytoplasma über die Zellmembran zum Zellkern (Abb. 4). Insgesamt deutet das Schema in Abb. 4 auf eine Verschiebung des Überzell-Redoxpotentials in eine stärker oxidierte Richtung hin. Die Modulation des zellulären Redoxzustands beeinflusst die Genexpression insbesondere über Transkriptionsfaktoren. Es ist wichtig, dass trotz einiger ähnlicher oder sogar identischer Schritte in der zellulären Signalübertragung die endgültigen zellulären Reaktionen auf die Befeldung aufgrund der Existenz verschiedener Modi der Regulation der Transkriptionsfaktoren unterschiedlich sind. Die Mechanismen der Regulation sind noch nicht gut verstanden.
Das Ausmaß der zellulären Reaktionen hängt vom zellulären Redox-Potenzial (bzw. seinem physiologischen Status) zum Zeitpunkt der Befeldung ab. Die zelluläre Antwort ist stärker, wenn das Redox-Potential der Zielzelle anfänglich in einen stärker reduzierten Zustand verschoben wird (und der intrazelluläre pH-Wert, pH;, gesenkt wird, wie es normalerweise in geschädigten Zellen geschieht). Dies erklärt, warum sich die Grade der zellulären Reaktionen in verschiedenen Experimenten oder in verschiedenen klinischen Fällen deutlich unterscheiden können und warum die Effekte manchmal nicht vorhanden sind.
Man sollte betonen, dass es einige biologische Beschränkungen für Photobiomodulationseffekte gibt. Diese werden in [5] diskutiert.
Verbesserung des zellulären Metabolismus durch Aktivierung nichtmitochondrialer Photoakzeptoren. Indirekte Aktivierung/Unterdrückung
Der Redox-Regulationsmechanismus kann nicht allein über die Atmungskette erfolgen (Abschnitt 3). Andere Redoxketten, die Moleküle enthalten, die Licht in der sichtbaren bis nahen IR-Strahlung absorbieren und einige Schlüsselstrukturen darstellen, die einen Stoffwechselweg regulieren können, können ebenfalls Photoakzeptoren für die Photobiomodulation sein. Ein solches Beispiel ist die NADPH-Oxidase phagozytischer Zellen, die für den nichtmitochondrialen respiratorischen Burst verantwortlich ist. Dieses in der Plasmamembran befindliche Mehrkomponenten-Enzymsystem ist eine Redoxkette, die als Reaktion auf die mikrobizide oder andere Arten der Aktivierung reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugt. Die Bestrahlung mit He-Ne-Laser, Diodenlasern und LED's kann diese Kette in verschiedenen phagozytischen Zellen aktivieren. Viele Arbeitsbeispiele sind in [5] zu finden. In Phagozyten erfolgt die Aktivierung von Atmungsketten in Mitochondrien ebenso wie die Aktivierung der NADHP-Oxidase, aber letztere ist viel stärker.
ROS, deren Ausbruch durch direkte Bestrahlung von Phagozyten induziert wird, kann andere Zellen, die nicht direkt bestrahlt wurden, aktivieren oder inaktivieren. Auf diese Weise kommt es zu einer indirekten Aktivierung oder Unterdrückung von Stoffwechselwegen in nicht bestrahlten Zellen. Auch Lymphokine und Zytokine, die von bestrahlten Lymphozyten produziert werden, können den Stoffwechsel anderer Zellen beeinflussen. Diese Situation tritt häufig bei der Bestrahlung von Geweben auf.
Abschließende Bemerkungen
Der photobiologische Wirkmechanismus über die Aktivierung der Atmungskette ist ein universeller Arbeitsmechanismus für verschiedene Zellen. Entscheidende Ereignisse dieser Art der Aktivierung des Zellstoffwechsels treten aufgrund einer Verschiebung des zellulären Redoxpotentials in eine stärker oxidierte Richtung sowie aufgrund der ATP-Extrasynthese auf. Die Empfindlichkeit gegenüber der Bestrahlung und die Fähigkeit zur Aktivierung hängen vom physiologischen Zustand der bestrahlten Zellen ab: die Zellen, deren Gesamt-Redoxpotential in einen reduzierteren Zustand verschoben wird (Beispiel: einige pathologische Zustände), sind empfindlicher gegenüber der Bestrahlung. Die Spezifität der endgültigen photobiologischen Reaktion wird nicht auf der Ebene der primären Reaktionen in der Atmungskette bestimmt, sondern auf der Transkriptionsebene während zellulärer Signalkaskaden. In einigen Zellen erfolgt durch diesen Mechanismus nur eine partielle Aktivierung des Zellstoffwechsels (Beispiel: Redox-Priming von Lymphozyten).
Alle lichtinduzierten biologischen Wirkungen hängen von den Parametern der Bestrahlung ab (Wellenlänge, Dosis, Intensität, Bestrahlungszeit und kontinuierliche Welle oder gepulster Modus, Pulsparameter). Laut Aktionsspektren sind die optimalen Wellenlängen 820-830, 760, 680 und 620 nn. Grosse Volumen und tiefere Gewebeschichten können nur mit dem Laser erfolgreich bestrahlt werden (z.B. Innen- und Mittelohrerkrankungen, verletzte siatische oder optische Nerven, tiefe Entzündungen usw.). Die LED's eignen sich hervorragend zur Bestrahlung von Oberflächenverletzungen.
Zitierte Literatur
Stimmer, J. und Hode, L. (1999). Low-Level-Laser-Therapie. Klinische Praxis und wissenschaftlicher Hintergrund. Prima Books, Grangesberg (Schweden).
Baxter, G.D. (1994). Therapeutische Laser. Theorie und Praxis. Churchill Livingstone, London.
Simunovic, Z., Herausgeber (2000). Laser in Medizin und Zahnmedizin, Band I. Vitgraf, Rijeka (Kroatien).
Karu, T.I. (2002). Lasertherapie mit niedriger Leistung. In: CRC Biomedical Photonics Handbook, T. Vo-Dinh, Chefredakteur, CRC Press, Boca Raton (USA).
Karu, T.I. (1998). Die Wissenschaft der Niederleistungslaser-Therapie. Gordon und Breach Sci. veröffentlicht, London.
Tina.I. KARU
Was ist Photobiomodulation (Lasertherapie mit niedriger Leistung?)
Vor mehr als 30 Jahren erschienen die ersten Publikationen über die Low-Power-Lasertherapie oder Photobiomodulation (damals noch Laser-Biostimulation genannt). Seither sind ca. 2000 Studien zu diesem Thema veröffentlicht worden (eine Analyse dieser Publikationen ist in [1] zu finden). Die medizinische Behandlung mit kohärenten Lichtquellen (Laser) oder nicht-kohärentem Licht (Light Emitting Diodes, LED's) hat ihre Kindheit und frühe Reife durchlaufen. Photobiomodulation wird von Physiotherapeuten (zur Behandlung einer Vielzahl von akuten und chronischen Muskelschmerzen), Zahnärzten (zur Behandlung von entzündeten Mundgeweben und zur Heilung verschiedener Ulzerationen), Dermatologen (zur Behandlung von Ödemen, indolenten Geschwüren, Verbrennungen, Dermatitis), Rheumatologen (zur Schmerzlinderung, Behandlung von chronischen Entzündungen und Autoimmunerkrankungen) und von anderen Spezialisten (z.B. zur Behandlung von Mittel- und Innenohrerkrankungen, Nervenregeneration) eingesetzt. Die Photobiomodulation wird auch in der Veterinärmedizin (vor allem in Trainingszentren für Rennpferde) und in der Sportmedizin und in Rehabilitationskliniken (zur Reduktion von Schwellungen und Hämatomen, Schmerzlinderung und Verbesserung der Beweglichkeit sowie zur Behandlung von akuten Weichteilverletzungen) eingesetzt. Laser und LED's werden direkt an den entsprechenden Stellen (z.B. Wunden, Verletzungsstellen) oder an verschiedenen Punkten am Körper (Akupunkturpunkte, Muskel-Triggerpunkte) eingesetzt. Für Einzelheiten über klinische Anwendungen und verwendete Techniken werden die Bücher [ 1-3] empfohlen.
Welche Lichtquellen (Laser, LED's) können verwendet werden?
Das Gebiet der Photobiomodulation ist durch eine Vielzahl von Methoden und den Einsatz verschiedener Lichtquellen (Laser, LED's) mit unterschiedlichen Parametern (Wellenlänge, Ausgangsleistung, kontinuierliche oder gepulste Betriebsarten, Pulsparameter) gekennzeichnet. Diese Parameter sind in der Regel in den Handbüchern der Hersteller angegeben.
Die GaAlAs-Dioden werden sowohl in Diodenlasern als auch in LED's verwendet, der Unterschied besteht darin, ob das Gerät den Resonator enthält (wie der Laser) oder nicht (LED). In den letzten Jahren werden in therapeutischen Geräten längere Wellenlängen (-800-900 nm) und höhere Ausgangsleistungen (bis 100 mW) bevorzugt.
Sollte ein Arzt einen Laser oder eine Diode verwenden? Die Antwort ist - es kommt darauf an, was man bestrahlt, also wie tiefe Gewebeschichten bestrahlt werden müssen. Durch die Lichtwechselwirkung mit einem Biotissue werden kohärente Eigenschaften des Laserlichts auf molekularer Ebene nicht manifestiert. Die Absorption von Laserlicht niedriger Intensität durch biologische Systeme ist rein nicht-kohärenter (d.h. photobiologischer) Natur. Auf zellulärer Ebene werden die biologischen Reaktionen durch Absorption von Licht mit Photoakzeptormolekülen bestimmt (siehe Abschnitt 3 unten). Die kohärenten Eigenschaften des Laserlichts sind nicht wichtig, wenn zelluläre Monolagen, dünne Schichten von Zellsuspensionen sowie dünne Schichten der Gewebeoberfläche bestrahlt werden (Abb. 1). In diesen Fällen liefert das kohärente und nicht-kohärente Licht (d.h. sowohl Laser als auch LEDs) mit der gleichen Wellenlänge, Intensität und Dosis die gleiche biologische Reaktion. Einige zusätzliche (therapeutische) Effekte der kohärenten und polarisierten Strahlung (Laser) können nur in tieferen Schichten von Bulk-Gewebe auftreten und sind mit einer zufälligen Interferenz von Lichtwellen verbunden. Ein interessierter Leser wird zum Ref. [4] für weitere Einzelheiten. Hier illustrieren wir diese Situation durch Abb. 1. Grosse Gewebevolumina können mit Laserquellen nur deshalb bestrahlt werden, weil die Länge der longitudinalen Kohärenz Lcoh für nicht kohärente Strahlungsquellen zu klein ist [4].
Steigerung des Zellstoffwechsels durch Aktivierung der Atmungskette: ein universeller photobiologischer Wirkmechanismus
Eine photobiologische Reaktion beinhaltet die Absorption einer bestimmten Wellenlänge von Licht durch das funktionierende Photoakzeptormolekül. Die photobiologische Natur der Photobiomodulation bedeutet, dass ein bestimmtes Molekül (Photoakzeptor) zunächst das für die Bestrahlung verwendete Licht absorbieren muss. Nach der Förderung von elektronisch angeregten Zuständen können primäre molekulare Prozesse aus diesen Zuständen zu einem messbaren biologischen Effekt (über eine sekundäre biochemische Reaktion oder Photosignaltransduktionskaskade oder zelluläre Signalübertragung) auf zellulärer Ebene führen. Die Frage ist, welches Molekül der Photoakzeptor ist.
Wenn man die zellulären Effekte betrachtet, kann diese Frage durch Aktionsspektren beantwortet werden. Jedes Diagramm, das eine Photoreaktion als Funktion der Wellenlänge, Wellenzahl, Frequenz oder Photonenenergie darstellt, wird als Aktionsspektrum bezeichnet. Aktionsspektren sind für die Identifizierung des Photoakzeptors insofern von größter Bedeutung, als das Aktionsspektrum einer biologischen Reaktion dem Absorptionsspektrum des Photoakzeptormoleküls ähnelt. Das Vorhandensein eines strukturierten Aktionsspektrums ist ein starker Beweis dafür, dass es sich bei dem untersuchten Phänomen um ein photobiologisches Phänomen handelt (d.h. es existieren primäre Photoakzeptoren und zelluläre Signalwege). Abb. 2 zeigt einige Beispiele von Aktionsspektren für eukaryotische Zellen: zwei davon (A, B) betrachten die im Zellkern ablaufenden Prozesse, und ein Spektrum (C) bezieht sich auf die Zellmembran. Abb. 2D zeigt das Absorptionsspektrum des Monolayers der gleichen Zellen.
Die Spektren in Abb. 2 repräsentieren nur den Rot-Nah-Infrarot-Bereich (IR), d.h. den Bereich, der für die Photobiomodulation am wichtigsten ist. Die Aktionsspektren für den gesamten sichtbaren bis nahen IR-Bereich sind in [5] zu finden. In [5] sind Aktionsspektren für verschiedene zelluläre Antworten auch für andere eukaryotische und prokaryotische Zellen zu finden.
Aus den Aktionsspektren in Abb. 2 können zwei Schlussfolgerungen gezogen werden. Erstens deutet die Ähnlichkeit der Aktionsspektren für verschiedene zelluläre Reaktionen darauf hin, dass der primäre Photoakzeptor für alle diese Reaktionen derselbe ist. Zweitens, die Existenz der Aktionsspektren für biochemische Prozesse, die in verschiedenen zellulären Organellen (Kern, Abb. 2A, B und Plasmamembran, Abb. 2C) ablaufen, setzt die Existenz zellulärer Signalwege innerhalb einer Zelle zwischen dem Photoakzeptor und dem Kern sowie zwischen Photoakzeptor und Zellmembran voraus. Aktionsspektren zeigen auch an, welche Wellenlängen für die Bestrahlung am besten geeignet sind: Maximale biologische Reaktionen treten auf, wenn bei 620, 680, 760 und 820-830 nm bestrahlt wird (Maxima der Spektren in Abb. 2). Überspringen wir die Geschichte der Identifizierung des Photoakzeptors (beschrieben in [5]), kommen wir zu dem Schluss, dass der Photoakzeptor für eukaryotische Zellen im rot-zu-nahen IR-Bereich vermutlich das terminale Enzym der Atmungskette Cytochrom-c-Oxidase (in den Zellmitochondrien) ist. Genauer gesagt handelt es sich um eine gemischtwertige (teilweise reduzierte) Form dieses Enzyms, die noch nicht identifiziert werden konnte. Im violett-blauen Spektralbereich zählen neben terminalen Oxidasen auch Flavoproteine (z.B. NADH-Dehydrogenase am Anfang der Atmungskette) zu den Photoakzeptoren.
Ein wichtiger Punkt ist hervorzuheben. Wenn die erregbaren Zellen (z.B. Neuronen, Kardiomyozyten) mit monochromatischem, sichtbarem Licht bestrahlt werden, werden auch die Photoakzeptoren als Bestandteile der Atmungskette vermutet. Einige der experimentellen Beweise bezüglich erregbarer Zellen sind in Abb. 3 kurz zusammengefasst. Aus den experimentellen Daten (überprüft in [4]) geht ganz klar hervor, dass die Bestrahlung physiologische und morphologische Veränderungen in nicht-pigmentalen erregbaren Zellen durch Absorption in Mitochondrien verursachen kann. Später wurden ähnliche Bestrahlungsexperimente mit Neuronen in Verbindung mit der Niederleistungs-Lasertherapie durchgeführt. In den 80er Jahren wurde gezeigt, dass die He-Ne-Laserstrahlung das Zündungsmuster von Nerven verändert; es wurde auch festgestellt, dass die transkutane Bestrahlung mit dem HeNe-Laser den Effekt der peripheren Stimulation eines Verhaltensreflexes nachahmt. Es zeigte sich, dass diese Befunde mit der Schmerztherapie in Zusammenhang stehen (Übersicht [4]).
Abb. 1. Tiefe (in der sich die Strahlkohärenz manifestiert, und Kohärenzlänge Lcoh in verschiedenen bestrahlten Systemen: (A) Monolayer von Zellen, (B) optisch dünne Suspension von Zellen, (C) Oberflächenschicht von Gewebe und Bulk-Gewebe. Lcoh, - Länge der zeitlichen (longitudinalen) Kohärenz des Laserlichts, hw) kennzeichnet die Strahlung.
Abb. 2. Wirkungsspektren von: (A) DNA- und (B) RNA-Syntheserate in HeLa-Zellen; (C) Plasmamembranadhäsion von HeLa-Zellen für rot-zu-naher IR-Strahlung; (D) Absorptionsspektrum der luftgetrockneten Monolayer von HeLa-Zellen für den gleichen Spektralbereich. Originaldaten finden Sie unter ref. [5].
Was passiert also, wenn das Molekül des Photoakzeptors Photonen absorbiert? Antwort - elektronische Anregung, gefolgt von photochemischen Reaktionen, die von niedrigeren Anregungszuständen aus auftreten (erstes Singulett und Triplett). Es ist auch bekannt, dass die elektronische Anregung der absorbierenden Zentren deren Redox-Eigenschaften verändert. Bis jetzt wurden in der Literatur fünf Primärreaktionen diskutiert (Abb. 4). Zwei davon sind mit einer Änderung der Redoxeigenschaften verbunden und zwei Mechanismen beinhalten die Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (ROE). Auch die Induktion einer lokalen transienten (sehr kurzzeitigen) Erwärmung von absorbierenden Chromophoren ist möglich. Einzelheiten zu diesen Mechanismen sind in [4, 5] zu finden.
Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass nur eine der in Abb. 4 gezeigten Reaktionen auftritt, wenn eine Zelle bestrahlt wird und angeregte elektronische Zustände gefördert werden. Die Frage ist, welcher Mechanismus entscheidend ist. Es ist nicht ausgeschlossen, dass alle in Abb. 4 gezeigten Mechanismen zu einem ähnlichen Ergebnis führen, nämlich zu einer Modulation des Redox-Zustandes der Mitochondrien (Verschiebung in eine stärker oxidierte Richtung). Abhängig von der verwendeten Lichtdosis und -intensität können jedoch einige Mechanismen signifikant überwiegen [5].
Die nächste Frage lautet: Wenn sich Photoakzeptoren in den Mitochondrien befinden, wie hängen dann die unter Bestrahlung auftretenden Primärreaktionen in der Atmungskette (Abb. 4) mit der DNA- und RNA-Synthese im Zellkern (die Aktionsspektren in Abb. 2A, B) oder mit Veränderungen der Plasmamembran (Abb. 2C) zusammen? Die Hauptantwort ist, dass es zwischen diesen Ereignissen sekundäre (dunkle) Reaktionen gibt (zelluläre Signalkaskaden oder Photosignaltransduktion und -verstärkung, Abb. 5).
Drei Regulationspfade werden in Abb. 4 vorgeschlagen. Der erste ist die Kontrolle des Photoakzeptors über das Niveau des intrazellulären ATP. Es ist bekannt, dass selbst kleine Veränderungen des ATP-Spiegels den zellulären Metabolismus signifikant verändern können. Dieser Regulationsweg ist besonders wichtig bei der Bestrahlung von hypoxischen, hungernden oder anderweitig gestressten Zellen. In vielen Fällen erweist sich jedoch die regulative Rolle der Redox-Homöostase als wichtiger als die des ATP. So ist z.B. bekannt, dass die Anfälligkeit von Zellen für hypoxische Schädigungen mehr von der Fähigkeit der Zellen abhängt, die Redox-Homöostase aufrechtzuerhalten, und weniger von ihrer Fähigkeit, den Energiestatus aufrechtzuerhalten.
Der zweite und dritte Regulationsweg wird durch den zellulären Redoxzustand vermittelt (Eh; Abb. 4). Dabei handelt es sich um redoxsensitive Transkriptionsfaktoren (NF-KB und AP1, Abb. 4) oder zelluläre homöostatische Signalkaskaden vom Zytoplasma über die Zellmembran zum Zellkern (Abb. 4). Insgesamt deutet das Schema in Abb. 4 auf eine Verschiebung des Überzell-Redoxpotentials in eine stärker oxidierte Richtung hin. Die Modulation des zellulären Redoxzustands beeinflusst die Genexpression insbesondere über Transkriptionsfaktoren. Es ist wichtig, dass trotz einiger ähnlicher oder sogar identischer Schritte in der zellulären Signalübertragung die endgültigen zellulären Reaktionen auf die Befeldung aufgrund der Existenz verschiedener Modi der Regulation der Transkriptionsfaktoren unterschiedlich sind. Die Mechanismen der Regulation sind noch nicht gut verstanden.
Das Ausmaß der zellulären Reaktionen hängt vom zellulären Redox-Potenzial (bzw. seinem physiologischen Status) zum Zeitpunkt der Befeldung ab. Die zelluläre Antwort ist stärker, wenn das Redox-Potential der Zielzelle anfänglich in einen stärker reduzierten Zustand verschoben wird (und der intrazelluläre pH-Wert, pH;, gesenkt wird, wie es normalerweise in geschädigten Zellen geschieht). Dies erklärt, warum sich die Grade der zellulären Reaktionen in verschiedenen Experimenten oder in verschiedenen klinischen Fällen deutlich unterscheiden können und warum die Effekte manchmal nicht vorhanden sind.
Man sollte betonen, dass es einige biologische Beschränkungen für Photobiomodulationseffekte gibt. Diese werden in [5] diskutiert.
Verbesserung des zellulären Metabolismus durch Aktivierung nichtmitochondrialer Photoakzeptoren. Indirekte Aktivierung/Unterdrückung
Der Redox-Regulationsmechanismus kann nicht allein über die Atmungskette erfolgen (Abschnitt 3). Andere Redoxketten, die Moleküle enthalten, die Licht in der sichtbaren bis nahen IR-Strahlung absorbieren und einige Schlüsselstrukturen darstellen, die einen Stoffwechselweg regulieren können, können ebenfalls Photoakzeptoren für die Photobiomodulation sein. Ein solches Beispiel ist die NADPH-Oxidase phagozytischer Zellen, die für den nichtmitochondrialen respiratorischen Burst verantwortlich ist. Dieses in der Plasmamembran befindliche Mehrkomponenten-Enzymsystem ist eine Redoxkette, die als Reaktion auf die mikrobizide oder andere Arten der Aktivierung reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugt. Die Bestrahlung mit He-Ne-Laser, Diodenlasern und LED's kann diese Kette in verschiedenen phagozytischen Zellen aktivieren. Viele Arbeitsbeispiele sind in [5] zu finden. In Phagozyten erfolgt die Aktivierung von Atmungsketten in Mitochondrien ebenso wie die Aktivierung der NADHP-Oxidase, aber letztere ist viel stärker.
ROS, deren Ausbruch durch direkte Bestrahlung von Phagozyten induziert wird, kann andere Zellen, die nicht direkt bestrahlt wurden, aktivieren oder inaktivieren. Auf diese Weise kommt es zu einer indirekten Aktivierung oder Unterdrückung von Stoffwechselwegen in nicht bestrahlten Zellen. Auch Lymphokine und Zytokine, die von bestrahlten Lymphozyten produziert werden, können den Stoffwechsel anderer Zellen beeinflussen. Diese Situation tritt häufig bei der Bestrahlung von Geweben auf.
Abschließende Bemerkungen
Der photobiologische Wirkmechanismus über die Aktivierung der Atmungskette ist ein universeller Arbeitsmechanismus für verschiedene Zellen. Entscheidende Ereignisse dieser Art der Aktivierung des Zellstoffwechsels treten aufgrund einer Verschiebung des zellulären Redoxpotentials in eine stärker oxidierte Richtung sowie aufgrund der ATP-Extrasynthese auf. Die Empfindlichkeit gegenüber der Bestrahlung und die Fähigkeit zur Aktivierung hängen vom physiologischen Zustand der bestrahlten Zellen ab: die Zellen, deren Gesamt-Redoxpotential in einen reduzierteren Zustand verschoben wird (Beispiel: einige pathologische Zustände), sind empfindlicher gegenüber der Bestrahlung. Die Spezifität der endgültigen photobiologischen Reaktion wird nicht auf der Ebene der primären Reaktionen in der Atmungskette bestimmt, sondern auf der Transkriptionsebene während zellulärer Signalkaskaden. In einigen Zellen erfolgt durch diesen Mechanismus nur eine partielle Aktivierung des Zellstoffwechsels (Beispiel: Redox-Priming von Lymphozyten).
Alle lichtinduzierten biologischen Wirkungen hängen von den Parametern der Bestrahlung ab (Wellenlänge, Dosis, Intensität, Bestrahlungszeit und kontinuierliche Welle oder gepulster Modus, Pulsparameter). Laut Aktionsspektren sind die optimalen Wellenlängen 820-830, 760, 680 und 620 nn. Grosse Volumen und tiefere Gewebeschichten können nur mit dem Laser erfolgreich bestrahlt werden (z.B. Innen- und Mittelohrerkrankungen, verletzte siatische oder optische Nerven, tiefe Entzündungen usw.). Die LED's eignen sich hervorragend zur Bestrahlung von Oberflächenverletzungen.
Zitierte Literatur
Stimmer, J. und Hode, L. (1999). Low-Level-Laser-Therapie. Klinische Praxis und wissenschaftlicher Hintergrund. Prima Books, Grangesberg (Schweden).
Baxter, G.D. (1994). Therapeutische Laser. Theorie und Praxis. Churchill Livingstone, London.
Simunovic, Z., Herausgeber (2000). Laser in Medizin und Zahnmedizin, Band I. Vitgraf, Rijeka (Kroatien).
Karu, T.I. (2002). Lasertherapie mit niedriger Leistung. In: CRC Biomedical Photonics Handbook, T. Vo-Dinh, Chefredakteur, CRC Press, Boca Raton (USA).
Karu, T.I. (1998). Die Wissenschaft der Niederleistungslaser-Therapie. Gordon und Breach Sci. veröffentlicht, London.
BIOPHYSIKALISCHE ASPEKTE DER LOW-LEVEL-LASERTHERAPIE
Herbert Klima Atominstitut der Österreichischen Universitäten, Wien, Österreich
Biophysikalische Aspekte der Low-Level-Lasertherapie werden aus zwei Blickwinkeln diskutiert: aus elektromagnetischer und thermodynamischer Sicht. Aus elektromagnetischer Sicht werden lebende Systeme hauptsächlich durch die elektromagnetische Wechselwirkung gesteuert, deren wechselwirkende Teilchen Photonen genannt werden. Jede Wechselwirkung zwischen Molekülen, Makromolekülen oder lebenden Zellen ist grundsätzlich elektromagnetisch und wird durch Photonen gesteuert. Aus diesem Grund müssen wir erwarten, dass elektromagnetische Einflüsse wie Laserlicht der richtigen Wellenlänge einen bemerkenswerten Einfluss auf die Regulation lebender Prozesse haben werden. Ein eindrückliches Beispiel für diese regulierende Funktion verschiedener Wellenlängen des Lichts findet sich im Bereich der Botanik, wo Photonen von 660 nm in der Lage sind, das Wachstum von Pflanzen auszulösen, was unter anderem zur Bildung von Knospen führt. Andererseits kann die Bestrahlung von Pflanzen mit Photonen der Wellenlänge 730 nm das Wachstum und die Blüte stoppen. Menschliche phagozytierende Zellen emittieren von Natur aus Licht, das mit Einzelphotonen-Zählmethoden nachgewiesen werden kann. Singulett-Sauerstoffmoleküle sind die Hauptquellen für dieses Licht, das bei 480, 570, 633, 760, 1060 und 1270 nm Wellenlänge emittiert wird. Auf der anderen Seite können menschliche Zellen (Leukozyten, Lymphozyten, Stammzellen, Fibroblasten usw.) durch Laserlicht niedriger Leistung genau dieser Wellenlängen stimuliert werden.
Aus thermodynamischer Sicht sind lebende Systeme - im Gegensatz zu toten Organismen - offene Systeme, die einen Stoffwechsel benötigen, um ihren geordneten Lebenszustand aufrechtzuerhalten. Solche Zustände können nur fernab des thermodynamischen Gleichgewichts existieren, so dass Wärme abgeführt werden muss, um ihre hohe Ordnung und Komplexität aufrechtzuerhalten. Solche Nichtgleichgewichtssysteme werden als dissipative Strukturen bezeichnet, die von dem Nobelpreisträger I. Prigogine vorgeschlagen wurden. Eines der Hauptmerkmale der dissipativen Strukturen ist ihre Fähigkeit, sehr sensibel auf schwache Einflüsse zu reagieren, d.h. sie sind in der Lage, selbst sehr kleine Reize zu verstärken. Daher müssen wir erwarten, dass selbst schwaches Laserlicht der richtigen Wellenlänge und der richtigen Bestrahlung in der Lage sein sollte, die Dynamik der Regulation in lebenden Systemen zu beeinflussen. So wird z.B. der Übergang von einer ruhenden zu einer sich teilenden Zelle während eines bereits durch kleinste Fluktuationen beeinflussten Phasenübergangs stattfinden. Äussere Reize können diese Phasenübergänge induzieren, die sonst gar nicht stattfinden würden. Diese durch Licht induzierten Phasenübergänge lassen sich durch verschiedene chemische und physiologische Reaktionen als spezielle Arten von dissipativen Systemen eindrucksvoll darstellen.
Eine der wichtigsten biochemischen Reaktionen, die in den Mitochondrien lokalisiert ist, ist die Oxidation von NADH in der Atmungskette der aeroben Zellen. Eine ähnliche Reaktion hat sich als ein dissipativer Prozess erwiesen, der ein oszillierendes und chaotisches Verhalten zeigt und in der Lage ist, Photonen der richtigen Wellenlänge zu absorbieren und zu verstärken. Eine Vielzahl von experimentellen und klinischen Ergebnissen auf dem Gebiet der Low-Level-Lasertherapie unterstützt diese beiden biophysikalischen Gesichtspunkte bezüglich der Wechselwirkung zwischen Leben und Laserlicht. Unsere früheren, aber auch unsere jüngsten experimentellen Ergebnisse über die Auswirkungen von Laserlicht niedriger Intensität auf menschliche Zellen sind Schritte in diese Richtung. Mit Hilfe zytometrischer, photometrischer und radiochemischer Methoden wird gezeigt, dass die Zunahme oder Abnahme des Zellwachstums von den verwendeten Wellenlängen (480, 570, 633, 700, 760, 904, 1060, 1270 nm), von der Bestrahlungsstärke (100 - 5000 J/m2), von der zu Laserstrahlen modulierten Pulsfolge (konstante, periodische, chaotische Pulse), von der Art der Zellen (Leukozyten, Lymphozyten, Fibroblasten, normale und Krebszellen) und von der Zelldichte in Gewebekulturen abhängt.
Unsere experimentellen Ergebnisse unterstützen unsere Hypothese, die besagt, dass Triplett-Sauerstoffmoleküle in der Lage sind, Laserlicht bei Wellenlängen von 480, 570, 633, 700, 760, 904, 1060, 1270 nm richtig zu absorbieren und so Singulett-Sauerstoffmoleküle zu erzeugen. Singulett-Sauerstoff nimmt an vielen Stoffwechselprozessen teil, z.B. an der katalytischen Oxidation von NADH, das sich als ein dissipatives System erwiesen hat, das weit vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt ist und selbst auf kleine Reize reagiert. Daher geht man davon aus, dass Laserlicht mit der richtigen Wellenlänge und Bestrahlungsstärke in der Low-Level-Lasertherapie in der Lage ist, Sauerstoffmoleküle auszustoßen und dadurch den Stoffwechsel zu beeinflussen oder zu verstärken und somit grundlegende Heilungsprozesse zu beeinflussen und zu unterstützen.