MECANISMOS CELULARES DE TERAPIA LÁSER DE BAJA POTENCIA (FOTOBIOMODULACIÓN)
Tina.I. KARU
¿Qué es la fotobiomodulación (terapia con láser de baja potencia)?
Hace más de 30 años aparecieron las primeras publicaciones sobre la terapia con láser de baja potencia o fotobiomodulación (en aquel entonces llamada bioestimulación con láser). Desde entonces se han publicado aproximadamente 2000 estudios sobre este tema (el análisis de estas publicaciones se puede encontrar en [1]). El tratamiento médico con fuentes de luz coherentes (láser) o no coherentes (diodos emisores de luz, LED) ha pasado a través de su infancia y madurez temprana. La fotobiomodulación está siendo utilizada por fisioterapeutas (para tratar una amplia variedad de dolores y molestias musculoesqueléticas agudas y crónicas), dentistas (para tratar tejidos orales inflamados y para curar diversas ulceraciones), dermatólogos (para tratar edemas, úlceras indolentes, quemaduras, dermatitis), reumatólogos (alivio del dolor, tratamiento de inflamaciones crónicas y enfermedades autoinmunes), y por otros especialistas (por ejemplo, para el tratamiento de enfermedades del oído medio e interno, regeneración de nervios). La fotobiomodulación también se utiliza en la medicina veterinaria (especialmente en los centros de entrenamiento de caballos de carreras) y en las clínicas de medicina deportiva y de rehabilitación (para reducir la hinchazón y los hematomas, aliviar el dolor y mejorar la movilidad y para el tratamiento de lesiones agudas de los tejidos blandos). Los láseres y los LED se aplican directamente en las zonas respectivas (por ejemplo, en las heridas, en los lugares de las lesiones) o en diversos puntos del cuerpo (puntos de acupuntura, puntos de activación muscular). Para conocer los detalles de las aplicaciones clínicas y las técnicas utilizadas, se recomiendan los libros [ 1-3].
¿Qué fuentes de luz (láser, LED) se pueden utilizar?
El campo de la fotobiomodulación se caracteriza por la variedad de metodologías y el uso de varias fuentes de luz (láser, LED's) con diferentes parámetros (longitud de onda, potencia de salida, modos de funcionamiento de onda continua o pulsada, parámetros de pulso). Estos parámetros suelen figurar en los manuales de los fabricantes.
Los diodos de GaAlAs se utilizan tanto en los láseres de diodo como en los LED, la diferencia estriba en que el dispositivo contiene el resonador (como el láser) o no (LED). En los últimos años, se prefieren longitudes de onda más largas (-800-900 nm) y potencias de salida más altas (hasta 100 mW) en los dispositivos terapéuticos.
¿Debe un médico utilizar un láser o un diodo? La respuesta es: depende de lo que se irradie, es decir, de la profundidad de las capas de tejido que se deban irradiar. Por la interacción de la luz con un biotejido, las propiedades coherentes de la luz del láser no se manifiestan a nivel molecular. La absorción de la luz láser de baja intensidad por los sistemas biológicos es de naturaleza puramente no coherente (es decir, fotobiológica). En el plano celular, las respuestas biológicas están determinadas por la absorción de luz con moléculas fotoaceptadoras (véase la sección 3 infra). Las propiedades coherentes de la luz láser no son importantes cuando se irradian monocapas celulares, capas delgadas de suspensión celular así como capas delgadas de la superficie de los tejidos (Fig. 1). En estos casos, la luz coherente y no coherente (es decir, tanto el láser como los LED) con la misma longitud de onda, intensidad y dosis proporciona la misma respuesta biológica. Algunos efectos adicionales (terapéuticos) de la radiación coherente y polarizada (láser) pueden producirse sólo en las capas más profundas del tejido grueso y están conectados con la interferencia aleatoria de las ondas de luz. El lector interesado será guiado a la ref. [4] para obtener más detalles. Aquí ilustramos esta situación con la Fig. 1. Grandes volúmenes de tejido pueden ser irradiados por fuentes de láser sólo porque la longitud de la coherencia longitudinal Lcoh es demasiado pequeña para las fuentes de radiación no coherentes [4].
Mejora del metabolismo celular a través de la activación de la cadena respiratoria: un mecanismo de acción fotobiológica universal
Una reacción fotobiológica implica la absorción de una longitud de onda específica de luz por la molécula fotoaceptora en funcionamiento. La naturaleza fotobiológica de la fotobiomodulación significa que alguna molécula (fotoaceptora) debe absorber primero la luz utilizada para la irradiación. Tras la promoción de los estados de excitación electrónica, los procesos moleculares primarios de estos estados pueden dar lugar a un efecto biológico mensurable (a través de una reacción bioquímica secundaria, o una cascada de transducción de fotoseñales, o una señalización celular) a nivel celular. La pregunta es, ¿qué molécula es el fotoaceptor.
Cuando se consideran los efectos celulares, esta pregunta puede ser respondida por los espectros de acción. Cualquier gráfico que represente una foto-respuesta en función de la longitud de onda, el número de onda, la frecuencia o la energía del fotón, se denomina espectro de acción. Los espectros de acción tienen una gran importancia para la identificación del fotoaceptor, ya que el espectro de acción de una respuesta biológica se asemeja al espectro de absorción de la molécula fotoaceptora. La existencia de un espectro de acción estructurado es una prueba fehaciente de que el fenómeno que se estudia es fotobiológico (es decir, que existen fotoaceptores primarios y vías de señalización celular). En la figura 2 se presentan algunos ejemplos de espectros de acción para las células eucarióticas: dos de ellos (A, B) consideran los procesos que tienen lugar en el núcleo de la célula, y un espectro (C) es para la membrana celular. La Fig. 2D muestra el espectro de absorción de la monocapa de las mismas células.
Los espectros de la Fig. 2 representan sólo la región del rojo al infrarrojo (IR), es decir, la región más importante para la fotobiomodulación. Los espectros de acción para la región IR completa de visible a cercano pueden encontrarse en [5]. En [5] se pueden encontrar los espectros de acción para varias respuestas celulares para otras células eucarióticas y procarióticas también.
De los espectros de acción de la Fig. 2 se pueden extraer dos conclusiones. Primero, la similitud de los espectros de acción para diferentes respuestas celulares sugiere que el fotoaceptor primario es el mismo para todas estas respuestas. En segundo lugar, la existencia de los espectros de acción para los procesos bioquímicos que tienen lugar en varios orgánulos celulares (núcleo, Fig. 2A, B y membrana plasmática, Fig. 2C) suponen la existencia de vías de señalización celular dentro de una célula entre el fotoaceptor y el núcleo, así como entre el fotoaceptor y la membrana celular. Los espectros de acción también indican cuáles son las mejores longitudes de onda para la irradiación: las respuestas biológicas máximas se producen cuando se irradia a 620, 680, 760 y 820-830 nm (los máximos de los espectros de la Fig. 2). Saltando la historia de la identificación del fotoaceptor (descrita en [5]) concluimos que se cree que el fotoaceptor para las células eucariotas en la región roja-cercana del IR es la enzima terminal de la cadena respiratoria citocromo coxidasa (localizada en la mitocondria de la célula). Para ser más exactos, se trata de una forma de valencia mixta (parcialmente reducida) de esta enzima, que aún no ha sido identificada. En la región espectral de violeta a azul, las flavoproteínas (por ejemplo, la NADHdehidrogenasa en el comienzo de la cadena respiratoria) también se encuentran entre los fotoaceptores, así como las oxidasas terminales.
Hay que destacar un punto importante. Cuando las células excitables (por ejemplo, neuronas, cardiomiocitos) son irradiadas con luz visible monocromática, se cree que los fotoaceptores son también componentes de la cadena respiratoria. Algunas de las pruebas experimentales relativas a las células excitables se resumen brevemente en la Fig. 3. De los datos experimentales (examinados en [4]) se desprende claramente que la irradiación puede causar cambios fisiológicos y morfológicos en las células excitables no pigmentarias mediante la absorción en las mitocondrias. Posteriormente, se realizaron experimentos de irradiación similares con neuronas en relación con la terapia con láser de baja potencia. En los años 80 se demostró que la radiación láser He-Ne altera el patrón de disparo de los nervios; también se descubrió que la irradiación transcutánea con láser HeNe imitaba el efecto de la estimulación periférica de un reflejo de comportamiento. Se encontró que estos hallazgos estaban relacionados con la terapia del dolor (revisión [4]).
Fig. 1. Profundidad (En la que se manifiesta la coherencia del haz y la longitud de la coherencia Lcoh en varios sistemas irradiados: (A) monocapa de células, (B) suspensión ópticamente fina de células, (C) capa superficial de tejido y tejido grueso. Lcoh, - longitud de la coherencia temporal (longitudinal) de la luz láser, hw) marca la radiación.
Fig. 2. Espectro de acción de: (A) tasa de síntesis de ADN y (B) ARN en las células HeLa; (C) adhesión de la membrana plasmática de las células HeLa para la radiación infrarroja de rojo a cercano; (D) espectro de absorción de la monocapa secada al aire de las células HeLa para la misma región espectral. Los datos originales pueden encontrarse en la ref. [5].
Entonces, ¿qué sucede cuando la molécula de fotoaceptores absorbe fotones? Respuesta: excitación electrónica seguida de reacciones fotoquímicas que ocurren en estados de excitación más bajos (primer singlete y triplete). También se sabe que la excitación electrónica de los centros de absorción altera sus propiedades redox. Hasta ahora, cinco reacciones primarias han sido discutidas en la literatura (Fig. 4). Dos de ellas están relacionadas con la alteración de las propiedades redox y dos mecanismos implican la generación de especies reactivas de oxígeno (ROE). También es posible la inducción de un calentamiento local transitorio (de muy corta duración) de los cromóforos absorbentes. Los detalles de estos mecanismos pueden encontrarse en [4, 5].
No hay motivos para creer que sólo una de las reacciones que se muestran en la Fig. 4 se produzca cuando una célula es irradiada y se promueven los estados electrónicos excitados. La cuestión es qué mecanismo es decisivo. No se excluye que todos los mecanismos mostrados en la Fig. 4 conduzcan a un resultado similar, a una modulación del estado redox de las mitocondrias (un cambio a una dirección más oxidada). Sin embargo, en función de la dosis e intensidad de luz utilizada, algunos mecanismos pueden prevalecer de manera significativa [5].
La siguiente pregunta es, si los fotoaceptores están localizados en las mitocondrias, ¿cómo se conectan las reacciones primarias que ocurren bajo la irradiación en la cadena respiratoria (Fig. 4) con la síntesis de ADN y ARN en el núcleo (los espectros de acción en la Fig. 2A, B) o con los cambios en la membrana plasmática (Fig. 2C)? La respuesta principal es que entre estos eventos hay reacciones secundarias (oscuras) (cascadas de señales celulares o transducción y amplificación de fotoseñales, Fig. 5).
En la Fig. 4 se sugieren tres vías de regulación. La primera es el control del fotoaceptor sobre el nivel de ATP intracelular. Se sabe que incluso pequeños cambios en el nivel de ATP pueden alterar significativamente el metabolismo celular. Esta forma de regulación es especialmente importante en la irradiación de células hipóxicas, hambrientas o estresadas. Sin embargo, en muchos casos el papel regulador de la homeostasis redox ha demostrado ser más importante que el del ATP. Por ejemplo, se sabe que la susceptibilidad de las células a sufrir lesiones hipóxicas depende más de la capacidad de las células para mantener la homeostasis redox y menos de su capacidad para mantener el estado de energía.
Las vías de regulación segunda y tercera están mediadas por el estado redox celular (Eh; Fig. 4). Esta vía implica factores de transcripción sensibles a la redox (NF-KB y AP1, Fig. 4) o cascadas homeostáticas de señalización celular desde el citoplasma a través de la membrana celular hasta el núcleo (Fig. 4). En conjunto, el esquema de la Fig. 4 sugiere un cambio en el potencial redox de las células hacia una dirección más oxidada. La modulación del estado redox celular afecta a la expresión de los genes, concretamente a través de los factores de transcripción. Es importante que a pesar de algunos pasos similares o incluso idénticos en la señalización celular, las respuestas celulares finales a la irradiación difieren debido a la existencia de diferentes modos de regulación de los factores de transcripción. Los mecanismos de regulación no se comprenden bien todavía.
La magnitud de las respuestas celulares depende del potencial redox celular (y su estado fisiológico, respectivamente) en el momento de la irradiación. La respuesta celular es más fuerte cuando el potencial redox de la célula blanco se desplaza inicialmente a un estado más reducido (y el pH intracelular, pH;, se reduce, como suele ocurrir en las células dañadas). Esto explica por qué los grados de respuesta celular pueden diferir notablemente en diferentes experimentos o en diferentes casos clínicos, y por qué los efectos son a veces inexistentes.
Cabe destacar que existen algunas limitaciones biológicas para los efectos de la fotobiomodulación. Estas se discuten en [5].
Mejora del metabolismo celular a través de la activación de fotoaceptores nomitocondriales. Activación/supresión indirecta
El mecanismo de regulación redox no puede ocurrir únicamente a través de la cadena respiratoria (Sección 3). Otras cadenas redox que contienen moléculas, que absorben la luz en la radiación IR visible-cercana, y que son algunas estructuras clave que pueden regular una vía metabólica, pueden ser fotoaceptores para la fotobiomodulación también. Un ejemplo de ello es la NADPH-oxidasa de las células fagocíticas, que es responsable del estallido respiratorio nomitocondrial. Este sistema enzimático multicomponente situado en la membrana plasmática es una cadena redox que genera especies reactivas de oxígeno (ROS) como respuesta a la activación microbicida o de otro tipo. La irradiación con láser He-Ne y láser de diodo y LED puede activar esta cadena en varias células fagocíticas. Muchos ejemplos de trabajo se pueden encontrar en [5]. En los fagocitos, la activación de las cadenas respiratorias en las mitocondrias ocurre también, como la activación de la NADHP-oxidasa, pero esta última es mucho más fuerte.
El ROS, cuya explosión es inducida por la irradiación directa de fagocitos, puede activar o inactivar otras células que no fueron irradiadas directamente. De esta manera, se produce una activación indirecta o la supresión de las vías metabólicas en las células no irradiadas. Además, las linfoquinas y citoquinas producidas por los linfocitos irradiados pueden influir en el metabolismo de otras células. Esta situación es común por la irradiación en los tejidos.
Observaciones finales
El mecanismo de acción fotobiológica mediante la activación de la cadena respiratoria es un mecanismo de trabajo universal para varias células. Los acontecimientos cruciales de este tipo de activación del metabolismo celular se producen debido a un cambio del potencial redox celular hacia una dirección más oxidada, así como debido a la extrasíntesis de ATP. La susceptibilidad a la irradiación y la capacidad de activación dependen del estado fisiológico de las células irradiadas: las células, cuyo potencial redox global se desplaza a un estado más reducido (ejemplo: algunas condiciones patológicas) son más sensibles a la irradiación. La especificidad de la respuesta fotobiológica final se determina no a nivel de las reacciones primarias en la cadena respiratoria sino a nivel de la transcripción durante las cascadas de señales celulares. En algunas células, sólo se produce una activación parcial del metabolismo celular por este mecanismo (ejemplo: cebado redox de los linfocitos).
Todos los efectos biológicos inducidos por la luz dependen de los parámetros de la irradiación (longitud de onda, dosis, intensidad, tiempo de irradiación, y parámetros de onda continua o modo pulsado, pulso). Según los espectros de acción, las longitudes de onda óptimas son 820-830, 760, 680 y 620 nn. Los grandes volúmenes y las capas más profundas de los tejidos pueden irradiarse con éxito sólo con láser (por ejemplo, enfermedades del oído interno y medio, nervios siáticos u ópticos lesionados, inflamaciones profundas, etc.). Los LED son excelentes para la irradiación de lesiones superficiales.
Literatura citada
Tuner, J. y Hode, L. (1999). Low Level Laser Therapy. Práctica clínica y antecedentes científicos. Prima Books, Grangesberg (Suecia).
Baxter, G.D. (1994). Therapeutic Lasers. Teoría y práctica. Churchill Livingstone, Londres.
Simunovic, Z., editor (2000). Lasers in Medicine and Dentistry, vol. I. Vitgraf, Rijeka (Croacia).
Karu, T.I. (2002). Low power laser therapy. In: CRC Biomedical Photonics Handbook, T. Vo-Dinh, Editor Jefe, CRC Press, Boca Raton (USA).
Karu, T.I. (1998). The Science of Low Power Laser Therapy (La ciencia de la terapia con láser de baja potencia). Gordon and Breach Sci. Publ., Londres.
Tina.I. KARU
¿Qué es la fotobiomodulación (terapia con láser de baja potencia)?
Hace más de 30 años aparecieron las primeras publicaciones sobre la terapia con láser de baja potencia o fotobiomodulación (en aquel entonces llamada bioestimulación con láser). Desde entonces se han publicado aproximadamente 2000 estudios sobre este tema (el análisis de estas publicaciones se puede encontrar en [1]). El tratamiento médico con fuentes de luz coherentes (láser) o no coherentes (diodos emisores de luz, LED) ha pasado a través de su infancia y madurez temprana. La fotobiomodulación está siendo utilizada por fisioterapeutas (para tratar una amplia variedad de dolores y molestias musculoesqueléticas agudas y crónicas), dentistas (para tratar tejidos orales inflamados y para curar diversas ulceraciones), dermatólogos (para tratar edemas, úlceras indolentes, quemaduras, dermatitis), reumatólogos (alivio del dolor, tratamiento de inflamaciones crónicas y enfermedades autoinmunes), y por otros especialistas (por ejemplo, para el tratamiento de enfermedades del oído medio e interno, regeneración de nervios). La fotobiomodulación también se utiliza en la medicina veterinaria (especialmente en los centros de entrenamiento de caballos de carreras) y en las clínicas de medicina deportiva y de rehabilitación (para reducir la hinchazón y los hematomas, aliviar el dolor y mejorar la movilidad y para el tratamiento de lesiones agudas de los tejidos blandos). Los láseres y los LED se aplican directamente en las zonas respectivas (por ejemplo, en las heridas, en los lugares de las lesiones) o en diversos puntos del cuerpo (puntos de acupuntura, puntos de activación muscular). Para conocer los detalles de las aplicaciones clínicas y las técnicas utilizadas, se recomiendan los libros [ 1-3].
¿Qué fuentes de luz (láser, LED) se pueden utilizar?
El campo de la fotobiomodulación se caracteriza por la variedad de metodologías y el uso de varias fuentes de luz (láser, LED's) con diferentes parámetros (longitud de onda, potencia de salida, modos de funcionamiento de onda continua o pulsada, parámetros de pulso). Estos parámetros suelen figurar en los manuales de los fabricantes.
Los diodos de GaAlAs se utilizan tanto en los láseres de diodo como en los LED, la diferencia estriba en que el dispositivo contiene el resonador (como el láser) o no (LED). En los últimos años, se prefieren longitudes de onda más largas (-800-900 nm) y potencias de salida más altas (hasta 100 mW) en los dispositivos terapéuticos.
¿Debe un médico utilizar un láser o un diodo? La respuesta es: depende de lo que se irradie, es decir, de la profundidad de las capas de tejido que se deban irradiar. Por la interacción de la luz con un biotejido, las propiedades coherentes de la luz del láser no se manifiestan a nivel molecular. La absorción de la luz láser de baja intensidad por los sistemas biológicos es de naturaleza puramente no coherente (es decir, fotobiológica). En el plano celular, las respuestas biológicas están determinadas por la absorción de luz con moléculas fotoaceptadoras (véase la sección 3 infra). Las propiedades coherentes de la luz láser no son importantes cuando se irradian monocapas celulares, capas delgadas de suspensión celular así como capas delgadas de la superficie de los tejidos (Fig. 1). En estos casos, la luz coherente y no coherente (es decir, tanto el láser como los LED) con la misma longitud de onda, intensidad y dosis proporciona la misma respuesta biológica. Algunos efectos adicionales (terapéuticos) de la radiación coherente y polarizada (láser) pueden producirse sólo en las capas más profundas del tejido grueso y están conectados con la interferencia aleatoria de las ondas de luz. El lector interesado será guiado a la ref. [4] para obtener más detalles. Aquí ilustramos esta situación con la Fig. 1. Grandes volúmenes de tejido pueden ser irradiados por fuentes de láser sólo porque la longitud de la coherencia longitudinal Lcoh es demasiado pequeña para las fuentes de radiación no coherentes [4].
Mejora del metabolismo celular a través de la activación de la cadena respiratoria: un mecanismo de acción fotobiológica universal
Una reacción fotobiológica implica la absorción de una longitud de onda específica de luz por la molécula fotoaceptora en funcionamiento. La naturaleza fotobiológica de la fotobiomodulación significa que alguna molécula (fotoaceptora) debe absorber primero la luz utilizada para la irradiación. Tras la promoción de los estados de excitación electrónica, los procesos moleculares primarios de estos estados pueden dar lugar a un efecto biológico mensurable (a través de una reacción bioquímica secundaria, o una cascada de transducción de fotoseñales, o una señalización celular) a nivel celular. La pregunta es, ¿qué molécula es el fotoaceptor.
Cuando se consideran los efectos celulares, esta pregunta puede ser respondida por los espectros de acción. Cualquier gráfico que represente una foto-respuesta en función de la longitud de onda, el número de onda, la frecuencia o la energía del fotón, se denomina espectro de acción. Los espectros de acción tienen una gran importancia para la identificación del fotoaceptor, ya que el espectro de acción de una respuesta biológica se asemeja al espectro de absorción de la molécula fotoaceptora. La existencia de un espectro de acción estructurado es una prueba fehaciente de que el fenómeno que se estudia es fotobiológico (es decir, que existen fotoaceptores primarios y vías de señalización celular). En la figura 2 se presentan algunos ejemplos de espectros de acción para las células eucarióticas: dos de ellos (A, B) consideran los procesos que tienen lugar en el núcleo de la célula, y un espectro (C) es para la membrana celular. La Fig. 2D muestra el espectro de absorción de la monocapa de las mismas células.
Los espectros de la Fig. 2 representan sólo la región del rojo al infrarrojo (IR), es decir, la región más importante para la fotobiomodulación. Los espectros de acción para la región IR completa de visible a cercano pueden encontrarse en [5]. En [5] se pueden encontrar los espectros de acción para varias respuestas celulares para otras células eucarióticas y procarióticas también.
De los espectros de acción de la Fig. 2 se pueden extraer dos conclusiones. Primero, la similitud de los espectros de acción para diferentes respuestas celulares sugiere que el fotoaceptor primario es el mismo para todas estas respuestas. En segundo lugar, la existencia de los espectros de acción para los procesos bioquímicos que tienen lugar en varios orgánulos celulares (núcleo, Fig. 2A, B y membrana plasmática, Fig. 2C) suponen la existencia de vías de señalización celular dentro de una célula entre el fotoaceptor y el núcleo, así como entre el fotoaceptor y la membrana celular. Los espectros de acción también indican cuáles son las mejores longitudes de onda para la irradiación: las respuestas biológicas máximas se producen cuando se irradia a 620, 680, 760 y 820-830 nm (los máximos de los espectros de la Fig. 2). Saltando la historia de la identificación del fotoaceptor (descrita en [5]) concluimos que se cree que el fotoaceptor para las células eucariotas en la región roja-cercana del IR es la enzima terminal de la cadena respiratoria citocromo coxidasa (localizada en la mitocondria de la célula). Para ser más exactos, se trata de una forma de valencia mixta (parcialmente reducida) de esta enzima, que aún no ha sido identificada. En la región espectral de violeta a azul, las flavoproteínas (por ejemplo, la NADHdehidrogenasa en el comienzo de la cadena respiratoria) también se encuentran entre los fotoaceptores, así como las oxidasas terminales.
Hay que destacar un punto importante. Cuando las células excitables (por ejemplo, neuronas, cardiomiocitos) son irradiadas con luz visible monocromática, se cree que los fotoaceptores son también componentes de la cadena respiratoria. Algunas de las pruebas experimentales relativas a las células excitables se resumen brevemente en la Fig. 3. De los datos experimentales (examinados en [4]) se desprende claramente que la irradiación puede causar cambios fisiológicos y morfológicos en las células excitables no pigmentarias mediante la absorción en las mitocondrias. Posteriormente, se realizaron experimentos de irradiación similares con neuronas en relación con la terapia con láser de baja potencia. En los años 80 se demostró que la radiación láser He-Ne altera el patrón de disparo de los nervios; también se descubrió que la irradiación transcutánea con láser HeNe imitaba el efecto de la estimulación periférica de un reflejo de comportamiento. Se encontró que estos hallazgos estaban relacionados con la terapia del dolor (revisión [4]).
Fig. 1. Profundidad (En la que se manifiesta la coherencia del haz y la longitud de la coherencia Lcoh en varios sistemas irradiados: (A) monocapa de células, (B) suspensión ópticamente fina de células, (C) capa superficial de tejido y tejido grueso. Lcoh, - longitud de la coherencia temporal (longitudinal) de la luz láser, hw) marca la radiación.
Fig. 2. Espectro de acción de: (A) tasa de síntesis de ADN y (B) ARN en las células HeLa; (C) adhesión de la membrana plasmática de las células HeLa para la radiación infrarroja de rojo a cercano; (D) espectro de absorción de la monocapa secada al aire de las células HeLa para la misma región espectral. Los datos originales pueden encontrarse en la ref. [5].
Entonces, ¿qué sucede cuando la molécula de fotoaceptores absorbe fotones? Respuesta: excitación electrónica seguida de reacciones fotoquímicas que ocurren en estados de excitación más bajos (primer singlete y triplete). También se sabe que la excitación electrónica de los centros de absorción altera sus propiedades redox. Hasta ahora, cinco reacciones primarias han sido discutidas en la literatura (Fig. 4). Dos de ellas están relacionadas con la alteración de las propiedades redox y dos mecanismos implican la generación de especies reactivas de oxígeno (ROE). También es posible la inducción de un calentamiento local transitorio (de muy corta duración) de los cromóforos absorbentes. Los detalles de estos mecanismos pueden encontrarse en [4, 5].
No hay motivos para creer que sólo una de las reacciones que se muestran en la Fig. 4 se produzca cuando una célula es irradiada y se promueven los estados electrónicos excitados. La cuestión es qué mecanismo es decisivo. No se excluye que todos los mecanismos mostrados en la Fig. 4 conduzcan a un resultado similar, a una modulación del estado redox de las mitocondrias (un cambio a una dirección más oxidada). Sin embargo, en función de la dosis e intensidad de luz utilizada, algunos mecanismos pueden prevalecer de manera significativa [5].
La siguiente pregunta es, si los fotoaceptores están localizados en las mitocondrias, ¿cómo se conectan las reacciones primarias que ocurren bajo la irradiación en la cadena respiratoria (Fig. 4) con la síntesis de ADN y ARN en el núcleo (los espectros de acción en la Fig. 2A, B) o con los cambios en la membrana plasmática (Fig. 2C)? La respuesta principal es que entre estos eventos hay reacciones secundarias (oscuras) (cascadas de señales celulares o transducción y amplificación de fotoseñales, Fig. 5).
En la Fig. 4 se sugieren tres vías de regulación. La primera es el control del fotoaceptor sobre el nivel de ATP intracelular. Se sabe que incluso pequeños cambios en el nivel de ATP pueden alterar significativamente el metabolismo celular. Esta forma de regulación es especialmente importante en la irradiación de células hipóxicas, hambrientas o estresadas. Sin embargo, en muchos casos el papel regulador de la homeostasis redox ha demostrado ser más importante que el del ATP. Por ejemplo, se sabe que la susceptibilidad de las células a sufrir lesiones hipóxicas depende más de la capacidad de las células para mantener la homeostasis redox y menos de su capacidad para mantener el estado de energía.
Las vías de regulación segunda y tercera están mediadas por el estado redox celular (Eh; Fig. 4). Esta vía implica factores de transcripción sensibles a la redox (NF-KB y AP1, Fig. 4) o cascadas homeostáticas de señalización celular desde el citoplasma a través de la membrana celular hasta el núcleo (Fig. 4). En conjunto, el esquema de la Fig. 4 sugiere un cambio en el potencial redox de las células hacia una dirección más oxidada. La modulación del estado redox celular afecta a la expresión de los genes, concretamente a través de los factores de transcripción. Es importante que a pesar de algunos pasos similares o incluso idénticos en la señalización celular, las respuestas celulares finales a la irradiación difieren debido a la existencia de diferentes modos de regulación de los factores de transcripción. Los mecanismos de regulación no se comprenden bien todavía.
La magnitud de las respuestas celulares depende del potencial redox celular (y su estado fisiológico, respectivamente) en el momento de la irradiación. La respuesta celular es más fuerte cuando el potencial redox de la célula blanco se desplaza inicialmente a un estado más reducido (y el pH intracelular, pH;, se reduce, como suele ocurrir en las células dañadas). Esto explica por qué los grados de respuesta celular pueden diferir notablemente en diferentes experimentos o en diferentes casos clínicos, y por qué los efectos son a veces inexistentes.
Cabe destacar que existen algunas limitaciones biológicas para los efectos de la fotobiomodulación. Estas se discuten en [5].
Mejora del metabolismo celular a través de la activación de fotoaceptores nomitocondriales. Activación/supresión indirecta
El mecanismo de regulación redox no puede ocurrir únicamente a través de la cadena respiratoria (Sección 3). Otras cadenas redox que contienen moléculas, que absorben la luz en la radiación IR visible-cercana, y que son algunas estructuras clave que pueden regular una vía metabólica, pueden ser fotoaceptores para la fotobiomodulación también. Un ejemplo de ello es la NADPH-oxidasa de las células fagocíticas, que es responsable del estallido respiratorio nomitocondrial. Este sistema enzimático multicomponente situado en la membrana plasmática es una cadena redox que genera especies reactivas de oxígeno (ROS) como respuesta a la activación microbicida o de otro tipo. La irradiación con láser He-Ne y láser de diodo y LED puede activar esta cadena en varias células fagocíticas. Muchos ejemplos de trabajo se pueden encontrar en [5]. En los fagocitos, la activación de las cadenas respiratorias en las mitocondrias ocurre también, como la activación de la NADHP-oxidasa, pero esta última es mucho más fuerte.
El ROS, cuya explosión es inducida por la irradiación directa de fagocitos, puede activar o inactivar otras células que no fueron irradiadas directamente. De esta manera, se produce una activación indirecta o la supresión de las vías metabólicas en las células no irradiadas. Además, las linfoquinas y citoquinas producidas por los linfocitos irradiados pueden influir en el metabolismo de otras células. Esta situación es común por la irradiación en los tejidos.
Observaciones finales
El mecanismo de acción fotobiológica mediante la activación de la cadena respiratoria es un mecanismo de trabajo universal para varias células. Los acontecimientos cruciales de este tipo de activación del metabolismo celular se producen debido a un cambio del potencial redox celular hacia una dirección más oxidada, así como debido a la extrasíntesis de ATP. La susceptibilidad a la irradiación y la capacidad de activación dependen del estado fisiológico de las células irradiadas: las células, cuyo potencial redox global se desplaza a un estado más reducido (ejemplo: algunas condiciones patológicas) son más sensibles a la irradiación. La especificidad de la respuesta fotobiológica final se determina no a nivel de las reacciones primarias en la cadena respiratoria sino a nivel de la transcripción durante las cascadas de señales celulares. En algunas células, sólo se produce una activación parcial del metabolismo celular por este mecanismo (ejemplo: cebado redox de los linfocitos).
Todos los efectos biológicos inducidos por la luz dependen de los parámetros de la irradiación (longitud de onda, dosis, intensidad, tiempo de irradiación, y parámetros de onda continua o modo pulsado, pulso). Según los espectros de acción, las longitudes de onda óptimas son 820-830, 760, 680 y 620 nn. Los grandes volúmenes y las capas más profundas de los tejidos pueden irradiarse con éxito sólo con láser (por ejemplo, enfermedades del oído interno y medio, nervios siáticos u ópticos lesionados, inflamaciones profundas, etc.). Los LED son excelentes para la irradiación de lesiones superficiales.
Literatura citada
Tuner, J. y Hode, L. (1999). Low Level Laser Therapy. Práctica clínica y antecedentes científicos. Prima Books, Grangesberg (Suecia).
Baxter, G.D. (1994). Therapeutic Lasers. Teoría y práctica. Churchill Livingstone, Londres.
Simunovic, Z., editor (2000). Lasers in Medicine and Dentistry, vol. I. Vitgraf, Rijeka (Croacia).
Karu, T.I. (2002). Low power laser therapy. In: CRC Biomedical Photonics Handbook, T. Vo-Dinh, Editor Jefe, CRC Press, Boca Raton (USA).
Karu, T.I. (1998). The Science of Low Power Laser Therapy (La ciencia de la terapia con láser de baja potencia). Gordon and Breach Sci. Publ., Londres.
ASPECTOS BIOFÍSICOS DE LA TERAPIA CON LÁSER DE BAJA POTENCIA
Instituto Atómico Herbert Klima de las universidades austriacas, Viena, Austria
Los aspectos biofísicos de la terapia de láser de bajo nivel se discutirán desde dos puntos de vista: desde el punto de vista electromagnético y termodinámico. Desde el punto de vista electromagnético, los sistemas vivos se rigen principalmente por la interacción electromagnética cuyas partículas que interactúan se llaman fotones. Cada interacción entre moléculas, macromoléculas o células vivas es básicamente electromagnética y está gobernada por fotones. Por esta razón, debemos esperar que las influencias electromagnéticas como la luz láser de la longitud de onda apropiada, tengan un impacto notable en la regulación de los procesos vivos. Un ejemplo impresionante de esta función reguladora de varias longitudes de onda de la luz se encuentra en el reino de la botánica, donde los fotones de 660 nm son capaces de desencadenar el crecimiento de las plantas, lo que conduce, entre otras cosas, a la formación de brotes. Por otra parte, la irradiación de las plantas por los fotones de 730 nm puede detener el crecimiento y la floración. Las células fagocitarias humanas emiten luz de forma nativa que puede ser detectada por los métodos de conteo de fotones simples. Las moléculas de oxígeno singlete son las principales fuentes de esta luz emitida en longitudes de onda de 480, 570, 633, 760, 1060 y 1270 nm. Por otra parte, las células humanas (leucocitos, linfocitos, células madre, fibroblastos, etc.) pueden ser estimuladas por la luz láser de baja potencia de sólo estas longitudes de onda.
Desde el punto de vista termodinámico, los sistemas vivos - a diferencia de los organismos muertos - son sistemas abiertos que necesitan del metabolismo para mantener su estado de vida altamente ordenado. Tales estados sólo pueden existir lejos del equilibrio termodinámico, disipando así el calor para mantener su alto orden y complejidad. Tales sistemas de desequilibrio se llaman estructuras disipadoras propuestas por el Premio Nobel I. Prigogine. Una de las principales características de las estructuras disipativas es su capacidad de reaccionar muy sensiblemente ante influencias débiles, por ejemplo, son capaces de amplificar incluso estímulos muy pequeños. Por lo tanto, debemos esperar que incluso la luz láser débil de la longitud de onda apropiada y la irradiación adecuada debería ser capaz de influir en la dinámica de la regulación en los sistemas vivos. Por ejemplo, la transición de una célula en reposo a otra que se divide se producirá durante una transición de fase ya influida por las fluctuaciones más pequeñas. Los estímulos externos pueden inducir estas transiciones de fase que de otro modo ni siquiera tendrían lugar. Estas transiciones de fase inducidas por la luz pueden ilustrarse de manera impresionante mediante diversas reacciones químicas y fisiológicas como tipos especiales de sistemas disipadores.
Una de las reacciones bioquímicas más importantes localizada en las mitocondrias es la oxidación del NADH en la cadena respiratoria de las células aeróbicas. Se ha descubierto que una reacción similar es un proceso disipativo que muestra un comportamiento oscilante y caótico capaz de absorber y amplificar fotones de la longitud de onda apropiada. Una gran variedad de resultados experimentales y clínicos en el campo de la terapia con láser de baja intensidad respalda estos dos puntos de vista biofísicos relativos a la interacción entre la vida y la luz del láser. Nuestros primeros, pero también nuestros recientes resultados experimentales sobre los efectos de la luz láser de bajo nivel en las células humanas son pasos en esta dirección. Mediante el uso de métodos citométricos, fotométricos y radioquímicos se demuestra que el aumento o la disminución del crecimiento de las células depende de las longitudes de onda aplicadas (480, 570, 633, 700, 760, 904, 1060, 1270 nm), de la irradiación (100 - 5000 J/m2), de la secuencia de pulsos modulada a rayos láser (pulsos constantes, periódicos, caóticos), del tipo de células (leucocitos, linfocitos, fibroblastos, células normales y cancerosas) y de la densidad de las células en los cultivos de tejidos.
Los resultados de nuestros experimentos apoyan nuestra hipótesis, según la cual las moléculas de oxígeno trillizas son capaces de absorber la luz láser adecuada con una longitud de onda de 480, 570, 633, 700, 760, 904, 1060, 1270 nm, produciendo así moléculas de oxígeno singlete. El oxígeno singlete participa en muchos procesos metabólicos, por ejemplo, la oxidación catalítica del NADH, que ha demostrado ser un sistema disipador alejado del equilibrio termodinámico y sensible incluso a pequeños estímulos. Por consiguiente, se supone que la luz láser de longitud de onda e irradiación adecuadas en la terapia con láser de baja intensidad puede exicar moléculas de oxígeno, influyendo así en el metabolismo o amplificándolo y, por consiguiente, influyendo y apoyando los procesos fundamentales de curación.