光生物调节的基本原理及其在皮肤科的应用

一、 光生物调节基本原理

光生物调节的基本原理遵循Arndt⁃Schultz定律和光生物学第一和第二定律。Martius 在 1888 年提出了 Arndt ⁃ Schultz 定律，认为许多药物或其他物质作用于细胞和组织时，通常小剂量时表现为激活作用，中等剂量时为抑制作用，而大剂量则是杀伤作用。同样，极低辐射水平的光子被细胞内线粒体的色基吸收后，线粒体可激活细胞转录因子，促进生长因子合成；随着辐射水平增强，细胞代谢水平升高，增殖活性增加；当细胞吸收光子数量超过一定水平时，其对细胞刺激作用消失，进而可能抑制细胞代谢和活性，出现细胞损伤甚至细胞死亡。

光生物学第一定律又称 Grotthuss⁃Draper 定律，即光化学反应依赖于细胞对光的吸收。目前文献中提及与光生物调节相关的光源主要包括绿光、蓝光、黄光、红光及近红外光，与之相关的细胞中靶色基包括细胞色素 C 氧化酶 （cytochrome C oxidase，CCO）、视蛋白、黄素和黄素蛋白、卟啉、含氮化合物和亚硝酸盐还原酶。CCO 是电子传递链的重要组成，质子经电子传递链中5个复合物后形成质子梯度，为 ATP 合成酶供能，催化 ATP 合成，为组织供能。 CCO的吸收光谱主要集中于红光（630 ~ 670 nm）及近红外 波段（780 ~ 940 nm）。研究提示，绿光、蓝光可激活视蛋白，而视蛋白是 G 蛋白偶联受体，可激活瞬时受体电位通道，钙离子内流后激活钙调素依赖性激酶Ⅱ，磷酸化细胞核中转录因子环腺苷酸（cAMP）反应元件结合蛋白，进一步促进一系列基因转录表达。黄素单核苷酸存在于电子传递链 的复合体Ⅰ中，可感知蓝光为其提供活化能，催化氧还原为超氧化物。复合物Ⅱ也是一种含有细胞色素的黄素，可感知蓝光而产生一系列生物学效应。卟啉是一组存在于 血红蛋白、细胞色素p450酶、电子传递链复合物Ⅳ中的杂 环有机化合物，光吸收峰位于蓝光410 nm处。此外，红光 可使多种一氧化氮复合物包括亚硝基肌红蛋白、s⁃亚硝基 硫醇类、亚硝基血红蛋白、亚硝铁化合物解离出一氧化氮， 影响其对线粒体功能的抑制。

光生物学第二定律又称Roscoe⁃Bunsen定律，即光生物调节强度与靶细胞所吸收的光子总量有关，总辐照度即辐照度与辐照时间的乘积，在计算总辐照度过程中涉及多个技术指

数，包括功率密度、脉冲/照射时间、能量密度、光斑大小等。特定的光生物调节与总辐照度即总能量密切相关。

二、光生物调节在皮肤科的研究进展

1. 痤疮：临床常用蓝光和红光治疗痤疮。Papageorgiou 等研究中，107 例寻常痤疮患者分别接受蓝光（415 nm， 4.23 mW/cm2 ）、红-蓝光（415 ~ 660 nm，2.67 ~ 4.23 mW/cm2 ）、 冷白光和过氧化苯甲酰治疗，每天照射15 min，共12周，结果显示，红-蓝光能明显改善痤疮临床症状，且能更有效治疗炎性皮损和粉刺。痤疮的光疗机制主要包括：①选择性 光热作用：585或595 nm脉冲染料激光可被痤疮炎性皮损中扩张的血管内氧合血红蛋白吸收，加热和破坏毛细血管而不引起周围正常组织的热损伤，并通过加热诱导血管周 围真皮内胶原生成，减轻痤疮瘢痕；②蓝光通过上述光生 物学第一定律中对靶色基的作用而影响痤疮发生进程；卟啉吸收的最高峰在蓝光415 nm处，卟啉吸收光后可产生单态氧，导致活性氧蓄积，从而杀灭痤疮丙酸杆菌，破坏皮脂腺，减少皮脂分泌；③红光可抑制角化过度、炎症反应以及皮脂腺分泌。Li等在模拟痤疮的人工皮体外模型中发现，油酸诱导白细胞介素（IL）⁃1α合成增多，进而影响皮肤屏障功能并促进角化过度，而不同剂量发光二极管（light⁃ emitting diode，LED）红光（637 nm，分别为0.2、0.5、1.2 J/cm2 ） 均可减少IL⁃1α分泌，抑制油酸诱导的表皮角化过度。Jung 等在皮脂腺细胞株的实验中发现，40 J/cm2 415 nm蓝光比 630 nm红光更能有效地抑制皮脂腺细胞增殖，而630 nm红 光渗透更深，可减少包括角鲨烯在内的多种脂质合成，从而抑制痤疮生成。目前国内外已有多种类型红蓝光痤疮治疗仪上市。

2. 脱发：目前相关基础和临床研究主要集中于雄激素性秃发和斑秃。Hamblin总结光生物调节治疗脱发的几点作用机制：①通过增加线粒体活性促进干细胞分化；②光生物调节的抗炎作用在活动性斑秃中发挥作用；③视蛋白是对蓝光有响应的信号分子，453 nm LED 蓝光（3.2 J/cm2 ） 处理后，显著减少离体毛囊中细胞凋亡并延长毛发生长期。研究表明，低能量激光治疗可改善雄激素性秃发患者头发密度。Suchonwanit 等对 40 例雄激素性秃发患者进行了一项24周的随机、对照、双盲临床研究，采用头盔形状且内含多个单模激光二极管的设备（波长650 ± 20 nm）治疗试验组患者，每次20 min，每周3次，对照组采用安慰

治疗设备，第8、16和24周，试验组患者头发密度和直径改善程度均明显优于对照组。陈小英等临床研究亦发现，红-蓝光照射（635 和 480 nm，5 ~ 50 mW/cm2 ，每周 1 次，每次 20 min）联合传统方法治疗活动期斑秃的疗效明显优于单独使用传统方法治疗组（外用或系统使用糖皮质激素或外用米诺地尔制剂）。

3. 色素性疾病：已有研究将光生物调节应用于色素异常性疾病的治疗。Chen 等研究发现，585 nm LED 黄光 （5 ~ 20 J/cm2 ）可能通过诱导黑素细胞自噬、抑制黑素小体成熟、抑制酪氨酸酶活性来减少色素合成，LED黄光可能成 为色素增加性皮肤病的新疗法。Regazzetti等发现，415 nm 蓝光通过视蛋白3的介导逐步激活钙调素依赖性激酶Ⅱ、 cAMP反应元件结合蛋白、细胞外信号调节激酶和p38，导致小眼畸形相关转录因子磷酸化，最终导致酪氨酸酶和多巴色素互变异构酶的增加，促进黑素生成。Yu等发现，低能量He⁃Ne激光（632.8 nm，0.5 ~ 1.5 J/cm2 ）照射人角质形成细胞、成纤维细胞及黑素细胞后，角质形成细胞中神经生长因子和碱性成纤维细胞生长因子显著增加，促进黑素细胞迁移，且黑素细胞的 DNA 合成和线粒体酶活性显著增加，黑素含量增多；他们还比较了 He⁃Ne 激光（632.8 nm， 3.0 J/cm2 ）治疗节段性白癜风患者前后皮损面积及色素沉着程度，发现He⁃Ne激光可以有效治疗节段性白癜风。

4. 促创伤愈合、抗老化及抗瘢痕形成：皮肤经紫外线、可见光及红外线照射可产生活性氧，活化激活蛋白-1，抑制 转化生长因子β（transforming growth factor⁃β，TGF⁃β）受体表达，同时促进基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase， MMP）增加，使真皮基质中胶原合成减少且降解增加。光电抗老化治疗除了经典选择性光热作用促进胶原增生外，光生物调节亦有一定作用。近红外光（800 nm，40 J/cm2 ）可通过刺激真皮TGF⁃β/Smad途经促进成纤维细胞Ⅰ型胶原 合成，进而改善光老化。Niu等研究发现，630 nm LED 红光（50 J/cm2 ，1 周 3 次，共 13 周）照射可延缓长波紫外线 （UVA，320 ~ 400 nm，累计照射剂量为0.18 J/cm2 ）诱导的人皮肤成纤维细胞老化，其机制为红光可以降低由UVA引起的衰老相关基因 SIRT1 表达，降低 β 半乳糖苷酶和 MMP⁃1 活性，降低UVA引起的细胞凋亡水平，维持端粒长度，起到抗光老化作用。

光生物调节同样可通过TGF⁃β/Smad 途径加速伤口愈合。光生物调节还可通过促进生长因子分泌和细胞代谢加速此过程。Fushimi等分别用红光（638 nm，0.3 J/cm2 ）、 蓝光（456 nm，0.3 J/cm2 ）、绿光（518 nm，0.3 J/cm2 ）照射小鼠伤口，细胞学实验显示，红

光和绿光可显著促进HaCaT细胞迁移，并促进多种细胞因子分泌，包括肝细胞生长因子及角质形成细胞生长因子mRNA表达，绿光可特异性促进IL⁃8、 血管内皮细胞生长因子和瘦素合成，这些细胞因子能促进成纤维细胞和角质形成细胞增殖，并促进血管生成，细胞外基质合成和沉积，加速伤口愈合。李彦红等在动物实验中得出类似结论，630 nm 红光（50 mW/cm2 ）较 460 nm 蓝光（50 mW/cm2 ）及对照组能更好地促进大耳白兔伤口愈合，其机制是红光照射后产生更多的成纤维细胞生长因子、表皮生长因子、内皮细胞标记分子 CD31、增殖细胞核抗原 Ki⁃67，影响真皮成纤维细胞增生和血管生成。此外，红光 （600 ~ 700 nm）和近红外光（760 ~ 940 nm）能增加CCO活性 和ATP产生，促进细胞外基质和纤连蛋白沉积，促进成纤维细胞向肌成纤维细胞转化，继而加速伤口愈合。

此外，蓝光具有抗增生性瘢痕作用。Mignon等发现， 450 nm蓝光（30 J/cm2 ）连续照射人真皮成纤维细胞模型后， 细胞中胶原合成相关基因 COL12A1、COL8A1、COL15A1、 ITGA4和ITGA11 mRNA表达均降低，且Ⅰ型前胶原合成减少，TGF⁃β相关基因TGFB2、NOG、INHBB、FST、SMURF2和 ID4表达下调，提示450 nm蓝光在特定能量下可抑制TGF⁃β 信号通路，具有抗组织纤维化和抗增生性瘢痕形成作用。 Chang等通过蛋白质质谱、磷酸化蛋白组学分析以及功能和生化分析同样发现，蓝光［（463 ± 50）nm，4 ~ 8 J/cm2 ］可抑制小鼠真皮成纤维细胞活性，包括抑制线粒体活性、细胞迁移和增殖等相关蛋白表达，如TGF⁃β1和Ⅰ型胶原蛋白。

因此，伤口愈合早期或可使用红光及绿光，而在组织重塑阶段使用蓝光，光生物调节可能有助于促进伤口愈合而抑制瘢痕形成。

5. 其他炎症性皮肤病：研究者们亦尝试采用低强度光/ 激光治疗其他炎症性皮肤病，包括银屑病和特应性皮炎。一项蓝光治疗银屑病的临床研究中，40例轻中度寻常型银屑病患者被分为2组，分别接受420 nm和453 nm LED蓝 光照射治疗，每天15 min，日剂量90 J/cm2 ，治疗4周后两组患者银屑病临床评分均出现明显下降。这可能与 400 ~ 480 nm蓝光可以降低角质形成细胞增殖活性、调节T细胞免疫反应有关。但Maari等采用417 nm蓝光（10 J/cm2 ） 每周3次、连续4周照射治疗17例银屑病患者，未显示明显 的临床疗效。另有研究报道，400 ~ 495 nm蓝光（60 mW， 120 s，1周1次，共5次）可显著改善特应性皮炎患者瘙痒和皮损炎症程度。