Was ist Photobiomodulation?
Die Photobiomodulationstherapie ist definiert als die Nutzung nicht-ionisierender elektromagnetischer Energie zur Auslösung photochemischer Veränderungen in zellulären Strukturen, die für Photonen empfänglich sind. Die Mitochondrien sind für diesen Prozess besonders empfänglich. Auf zellulärer Ebene wird die Energie des sichtbaren roten und nahen infraroten Lichts (NIR) von den Mitochondrien absorbiert, die die Aufgabe haben, zelluläre Energie (ATP) zu produzieren. Der Schlüssel zu diesem gesamten Prozess ist ein mitochondriales Enzym namens Cytochromoxidase c, ein Chromophor, das photonische Energie spezifischer Wellenlängen aufnimmt, wenn es nicht optimal funktioniert.
Lesen Sie eine veröffentlichte Studie (Mai 2022) mit dem Vielight Neuro Alpha über die Art und Weise, wie lebende Zellen, zelluläre Strukturen und Komponenten wie Mikrotubuli und Tubulin auf Nah-Infrarot-PBM reagieren: Link
Was ist Photobiologie?
Die Photobiologie befasst sich mit den Auswirkungen nichtionisierender Strahlung auf biologische Systeme. Die biologische Wirkung variiert mit dem Wellenlängenbereich der Strahlung. Die Strahlung wird von Molekülen in der Haut absorbiert, z. B. von DNA, Proteinen oder bestimmten Medikamenten. Die Moleküle werden chemisch in Produkte umgewandelt, die biochemische Reaktionen in den Zellen auslösen.
Biologische Reaktionen auf Licht sind nichts Neues, es gibt zahlreiche Beispiele für lichtinduzierte photochemische Reaktionen in biologischen Systemen. Die Vitamin-D-Synthese in unserer Haut ist ein Beispiel für eine photochemische Reaktion. Die Leistungsdichte des Sonnenlichts beträgt nur 105 mW/cm2, doch wenn ultraviolette B-Strahlen (UVB) auf unsere Haut treffen, wandelt sie eine universell vorhandene Form von Cholesterin, 7-Dehydrocholesterol, in Vitamin D3 um. Normalerweise nehmen wir dies über unsere Augen wahr, die offensichtlich lichtempfindlich sind. Unser Sehvermögen beruht darauf, dass Licht auf unsere Netzhaut trifft und eine chemische Reaktion auslöst, die uns das Sehen ermöglicht. Im Laufe der Evolution haben Photonen eine wichtige Rolle bei der photochemischen Energieversorgung bestimmter Zellen gespielt.
Was sind die Wege der Photobiomodulation?
- NO (Nitric Oxide)
- ROS (Reactive Oxygen Series) → PKD (gene) → IkB (Inhibitor κB) + NF-κB (nuclear factor κB) → NF-κB (nuclear factor κB stimulates gene transcription)
- ATP (Adenosine Triphosphate) → cAMP (catabolite activator protein) → Jun/Fos (oncogenic transcription factors) → AP-1 (activator protein transcription factor stimulates gene transcription)
Was sind die Mechanismen der Photobiomodulation?
Der derzeitige und weithin akzeptierte Vorschlag lautet, dass die Energie des schwach sichtbaren roten bis nahen infraroten Lichts (NIR) von den Mitochondrien absorbiert und in ATP zur zellulären Nutzung umgewandelt wird. Darüber hinaus entstehen bei diesem Prozess leichte Oxidantien (ROS), die zur Gentranskription und anschließend zur Zellreparatur und -heilung führen. Durch diesen Prozess wird auch die durch Stickstoffmonoxid (NO) verstopfte Kette gelöst[1] und das Stickstoffmonoxid wieder in das System freigesetzt. Stickstoffmonoxid ist ein Molekül, das unser Körper produziert, damit seine 50 Billionen Zellen miteinander kommunizieren können. Diese Kommunikation erfolgt durch die Übertragung von Signalen durch den gesamten Körper. Außerdem trägt Stickstoffmonoxid dazu bei, die Blutgefäße zu erweitern und die Blutzirkulation zu verbessern.
Ref: Original: “Basic Photomedicine”, Ying-Ying Huang, Pawel Mroz and Michael R. Hamblin, Harvard Medical School.
Current design: Vielight Inc.
Parameters
Es muss die richtige Wellenlänge für die Zielzellen oder Chromophore verwendet werden (633-810 nm). Ist die Wellenlänge jedoch nicht richtig gewählt, kann keine optimale Absorption stattfinden. Wie das erste Gesetz der Photobiologie, das Grotthus-Draper-Gesetz, besagt, kann es ohne Absorption keine Reaktion geben[2].
Die Photonenintensität, d. h. die spektrale Bestrahlungsstärke oder Leistungsdichte (W/cm2), muss angemessen sein, da sonst die Absorption der Photonen nicht ausreicht, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Ist die Intensität jedoch zu hoch, wird die Photonenenergie im Zielgewebe in übermäßige Wärme umgewandelt, was unerwünscht ist[3].
Schließlich muss auch die Dosis oder Fluenz angemessen sein (J/cm2). Wenn die Leistungsdichte zu niedrig ist, führt eine Verlängerung der Bestrahlungszeit, um die ideale Energiedichte oder Dosis zu erreichen, höchstwahrscheinlich nicht zu einem angemessenen Endergebnis. Dies liegt daran, dass das Bunsen-Roscoe-Gesetz der Reziprozität, das 2. Gesetz der Photobiologie, für niedrige einfallende Leistungsdichten nicht gilt[4].
Brain Bioenergetics
Nahinfrarotlicht (NIR) stimuliert die mitochondriale Atmung in Neuronen, indem es Photonen spendet, die von der Cytochromoxidase absorbiert werden. Dies ist ein bioenergetischer Prozess, der als Photoneuromodulation im Nervengewebe bezeichnet wird[5]. Die Absorption von Lichtenergie durch das Enzym führt zu einer erhöhten enzymatischen Aktivität der Cytochromoxidase im Gehirn und zu einem erhöhten Sauerstoffverbrauch. Da die von der Cytochromoxidase katalysierte enzymatische Reaktion die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser ist, führt die Beschleunigung der katalytischen Aktivität der Cytochromoxidase direkt zu einem Anstieg des zellulären Sauerstoffverbrauchs[6]. Der erhöhte Sauerstoffverbrauch der Nervenzellen ist an die oxidative Phosphorylierung gekoppelt. Daher steigt die ATP-Produktion als Folge der metabolischen Wirkung von Nahinfrarotlicht. Diese Art von Lichtenergie kann transkraniell in die Mitochondrien des Gehirns eindringen und – unabhängig von den aus den Nahrungssubstraten gewonnenen Elektronen – die Aktivität der Cytochromoxidase direkt photostimulieren[7].
References
[1] – “Biphasic Dose Response in Low Level Light Therapy”; Sulbha K. Sharma (PhD), Ying-Ying Huang (MD), James Carroll, Michael R. Hamblin (PhD)
[2, 3, 4] – “Is light-emitting diode phototherapy (LED-LLLT) really effective?”; Won-Serk Kim (PhD, MD), R Glen Calderhead (PhD)
[5, 6, 7] – “Augmentation of cognitive brain functions with transcranial infrared light”; Francisco Gonzalez-Lima (PhD), Douglas W Barrett (MD)
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Vielight Neuro - NIR light energy penetration through a human cadaver.
Was ist die Photobiomodulation des Gehirns?
Das Gehirn ist das wichtigste und komplexeste menschliche Organ. In jeder Gehirnzelle befinden sich Mitochondrien, die am besten als energieproduzierende “Kraftwerke” oder “Batterien” verstanden werden. Durch biochemische Reaktionen erzeugen die Mitochondrien Treibstoff für die Gehirnzellen.
Die Leistung der Mitochondrien Ihres Gehirns kann durch die Absorption von Lichtenergie (Photonen) bestimmter Wellenlängen verbessert werden. Dieser Prozess wird als Photobiomodulation (PBM) bezeichnet. Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass die Mitochondrien unseres Gehirns positiv auf Lichtenergie im NIR-Wellenlängenbereich reagieren.
Wenn NIR-Energie, z. B. von einem Vielight Neuro, an neuronale Mitochondrien abgegeben wird, wird sie von einem lichtempfindlichen Enzym namens Cytochrom c-Oxidase absorbiert. Dieses Enzym nutzt die NIR-Energie, um eine Reihe von biochemischen Reaktionen in Gang zu setzen, die sowohl für die Neuronen als auch für andere Gehirnzellen nützlich sind und ihnen Energie zuführen.
Insgesamt heilt die Photobiomodulation des Gehirns geschädigte Gehirnzellen, verbessert die Hirndurchblutung, reduziert Entzündungen und Toxizität und regeneriert geschädigte Gehirnzellen. Kurz gesagt: Die Zufuhr von NIR-Lichtenergie in das Gehirn verbessert die Effizienz und Leistung aufgrund einer besseren Signalübertragung und einer wiederhergestellten Verbindung zwischen den Neuronen.
Das NIR-Spektrum der Lichtenergie dringt am tiefsten in das Hirngewebe ein, was ebenfalls zu Vorteilen führt. Wir haben die NIR-Wellenlänge von 810 nm auf der Grundlage des NIR-Fensters gewählt. Um die optimalen Parameter für die PBM zu bestimmen, werden in der Forschung, die die Vielight-Technologie einsetzt, häufig Techniken zur Bildgebung und Signalgebung im Gehirn verwendet.
Durchdringung von Lichtenergie
Forschung und klinische Studien zeigen, dass NIR-Lichtenergie bei ausreichender Leistungsdichte in der Lage ist, biologisches Gewebe und Knochen zu durchdringen und therapeutische Ergebnisse ohne negative Nebenwirkungen zu erzielen.
Was ist NIR-Lichtenergie?
Die Energie des nahen Infrarotlichts (NIR) ist Teil des elektromagnetischen Spektrums – es handelt sich um Wellen (oder Photonen) des elektromagnetischen Feldes, die durch den Raum strahlen und elektromagnetische Strahlungsenergie transportieren. Mehrere bestehende Technologien hängen von der Fähigkeit der elektromagnetischen Energie ab, feste Objekte zu durchdringen, z. B. WiFi, mobile Daten, Radar und Navigationssatelliten.
Figure 1 The electromagnetic spectrum
Die Eindringtiefe bzw. die Leistung der Lichtenergie hängt von der Wellenlänge im elektromagnetischen Spektrum ab. Je länger die Wellenlänge, desto größer ist die Fähigkeit der Photonen, ein Objekt zu durchdringen. Die NIR-Lichtenergie befindet sich in der Mitte des elektromagnetischen Spektrums.
Warum Nahinfrarot-Lichtenergie für die Photobiomodulation des Gehirns?
Das Fenster des nahen Infrarots (NIR) ist der Bereich des elektromagnetischen Spektrums, in dem das Licht eine maximale Eindringtiefe in das Gewebe hat[1], da das NIR-Fenster durch die Absorption von Photonen durch Blut bei den kürzeren Wellenlängen und durch Wasser bei den längeren Wellenlängen definiert ist. Die NIR-Lichtenergie ruft auch die größte mitochondriale Reaktion des gesamten elektromagnetischen Spektrums hervor.
Figure 2 The near infrared window
Insbesondere das sichtbare Licht (Wellenlänge 400 bis 700 nm) wird von Hämoglobin und anderen organischen Stoffen stark absorbiert. Andererseits steigt die Absorption durch Wasser bei Wellenlängen, die länger sind als das nahe Infrarotlicht (1000+nm). Dies bedeutet, dass Wellenlängen außerhalb des Nahinfrarotfensters nicht tief in das Gewebe eindringen können.
Beispiel: “Feuer!” Wenn Sie Ihre Hand an ein brennendes Feuer halten, spüren Sie, wie das Feuer Wärme abgibt. Was geschieht hier? Das Feuer sendet Infrarotstrahlung aus, die von den Wassermolekülen in Ihrer Haut aufgenommen wird. Dies wird dann als Wärme wahrgenommen, weil die Nerven in Ihrer Haut die erhöhte Temperatur registrieren.
Durchdringung des Schädels mit NIR-LED-Technologie
Mehrere unabhängige veröffentlichte Studien belegen die Fähigkeit der NIR-LED-Technologie, den Schädel zu durchdringen und das Gehirn zu bestrahlen.[2], [3], [4] Laser sind nicht notwendig und bergen aufgrund der Beschaffenheit der kohärenten Lichtenergie unnötige Gefahren – es kommt zu Leistungsdrosselung und Überhitzung. Der gemeinsame Faktor ist der Wellenlängenbereich von 800-830 nm, der in das optische Fenster des Körpers fällt.
Mechanismen der Photobiomodulation des Gehirns
Bei der Photobiomodulation des Gehirns (PBM) werden rote bis nahinfrarote (NIR) Photonen eingesetzt, um das Enzym Cytochrom c-Oxidase (Chromophor/Komplex IV) der mitochondrialen Atmungskette zu stimulieren, da dieses Enzym für Lichtenergie empfänglich ist. Dies führt zu einer Steigerung der ATP-Synthese und damit zur Erzeugung von mehr Zellenergie. Darüber hinaus führt die Photonenabsorption durch Ionenkanäle zur Freisetzung von Ca2+, was zur Aktivierung von Transkriptionsfaktoren und zur Genexpression führt.
Es gibt mehrere Mechanismen, die mit der Förderung physiologischer Veränderungen durch die Photobiomodulationstherapie (PBMT) verbunden sind. Die bei der PBM hauptsächlich verwendeten Wellenlängen liegen im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums und weisen eine ausreichende Leistungsdichte auf. Wenn hypoxische/geschädigte Zellen mit schwachen NIR-Photonen bestrahlt werden, kommt es in ihren Mitochondrien zu einer erhöhten mitochondrialen Adenosintriphosphat-Produktion (ATP)[1], [2] Eine weitere Veränderung ist die Freisetzung von Stickstoffmonoxid aus den hypoxischen/geschädigten Zellen. Neuronen sind Zellen, die Mitochondrien und Stickstoffmonoxid enthalten.
In hypoxischen neuronalen Zellen wird die Cytochrom-C-Oxidase (CCO), ein membrangebundenes Protein, das als Endpunkt der Elektronenakzeptoren in der Elektronentransportkette der Zellatmung dient, durch nicht-kovalente Bindung von Stickstoffmonoxid gehemmt. Bei der Bestrahlung mit NIR-Photonen setzt das CCO Stickstoffmonoxid frei, das dann aus der Zelle herausdiffundiert und die lokale Durchblutung und Gefäßerweiterung erhöht[3], [4].
Nach der anfänglichen Exposition mit den NIR-Photonen kommt es in der Neuronenzelle zu einem kurzen Ausbruch reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die eine Reihe von Signalwegen aktivieren. Die ROS führen zur Aktivierung redoxsensibler Gene und damit verbundener Transkriptionsfaktoren, einschließlich NF-κβ.[5], [6] Die PBMT stimuliert die Genexpression für die zelluläre Proliferation, Migration und die Produktion von entzündungshemmenden Zytokinen und Wachstumsfaktoren.[7]
Therapeutische Ergebnisse der Photobiomodulation des Gehirns
Die Literatur zur Photobiomodulation des Gehirns wächst schnell. Derzeit gibt es über 220 veröffentlichte Studien zur Photobiomodulation des Gehirns.
Es hat sich gezeigt, dass die Photobiomodulation des Gehirns die zerebrale Durchblutung erhöht und die Konnektivität im Default Mode Network von Patienten mit Alzheimer und Demenz verbessert[1],[2].
Bei Patienten mit Parkinson-Krankheit verbesserten sich die Messwerte für Mobilität, Kognition, dynamisches Gleichgewicht und Feinmotorik (p < 0,05) unter PBM-Behandlung über 12 Wochen und bis zu einem Jahr[3].
In der wissenschaftlichen Literatur gibt es Hinweise darauf, dass die Photobiomodulation bei Depressionen/Angstzuständen nützlich sein könnte[4].
Es hat sich auch gezeigt, dass die Photobiomodulation bei traumatischen Hirnverletzungen positive physiologische Veränderungen hervorruft[5].
Auch die neuronale Aktivität des EEG kann durch gepulste NIR-Energie beeinflusst werden[6],[7].
Wir können in naher Zukunft mit vielen weiteren Forschungsergebnissen zur PBM rechnen, die den Einsatz der Vielight-Technologie beinhalten.
Veröffentlichte Forschung zur Photobiomodulation des Gehirns
Alzheimer’s Disease
Effects of Home Photobiomodulation Treatments on Cognitive and Behavioral Function and Resting-State Functional Connectivity in Patients with Dementia: A Pilot Trial
Institutes – University of California San Francisco & the Veterans Affairs USA
[ Published Study Link (Photomedicine and Laser Surgery, 2018) ]
Significant Improvement in Cognition in Mild to Moderately Severe Dementia Cases Treated with Transcranial Plus Intranasal Photobiomodulation: Case Series Report
Co-authoring institutes – Harvard Medical School, Boston University School of Medicine
[ Published Study (Photomedicine and Laser Surgery, 2015) ]
Parkinson’s Disease
Improvements in clinical signs of Parkinson’s disease using photobiomodulation: A prospective proof-of-concept study
Institutes – University of Sydney, University of New South Wales, Griffith University
[ Published Study Link (Liebert, 2021) ]
Traumatic Brain Injury / Concussion
Changes in Brain Function and Structure After Self-Administered Home Photobiomodulation Treatment in a Concussion Case
Institutes – VA Advanced Imaging Research Center, San Francisco VA Health Care System, Departments of Radiology & Biomedical Imaging and Psychiatry & Behavioral Sciences, University of California, San Francisco
[ Published Study Link (Frontiers, Neurology, 2020) | National Center for Biotechnology Information Link ]
Brain EEG Modulation
Pulsed Near Infrared Transcranial and Intranasal Photobiomodulation Significantly Modulates Neural Oscillations: a pilot exploratory study
Institutes – Centre for Therapeutic Brain Intervention, Centre for Addiction and Mental Health, Toronto, Ontario, Canada
[ Published Study Link (Nature, Scientific Reports, 2019) | National Center for Biotechnology Information Link ]
Exploring the Effects of Near Infrared Light on Resting and Evoked Brain Activity in Humans Using Magnetic Resonance Imaging
Institutes – University of Sydney
[ Published Study Link (Elsevier, December 2019) ]
Modulation of cortical oscillations using 10hz near-infrared transcranial and intranasal photobiomodulation: a randomized sham-controlled crossover study
[ Abstract Text Link (Brain Stimulation Journal, December 2021) ]
PTSD and Gulf War Illness
Improvements in Gulf War Illness Symptoms After Near-Infrared Transcranial and Intranasal Photobiomodulation: Two Case Reports
Institutes – University of California San Francisco & the Veterans Affairs USA
[ Published Study Link (Military Medicine, 184, 9/10:5, 2019) ]
Penetration
Selective photobiomodulation for emotion regulation: penetration study
Harvard Psychiatry Department, Harvard Medical School : [ Link ]
Red and NIR light dosimetry in the human deep brain
Institute of Chemical Sciences and Engineering, Switzerland : [ Link 1 ]
Photon Penetration Depth in Human Brains
The University of Southern California : [ Link ]
Monte Carlo analysis of the enhanced transcranial penetration using distributed near-infrared emitter array.
Institute of Biomedical Engineering, Chinese Academy of Medical Science : [ Link ]
Transcranial Red and Near Infrared Light Penetration in Cadavers
State University of New York Downstate Medical Center : [ Link ]
Quantitative analysis of transcranial and intraparenchymal light penetration in human cadaver brain tissue
Oregon Health and Science University : [ Link 1 ]
Cellular Effects
Photobiomodulation Directly Benefits Primary Neurons Functionally Inactivated by Toxins
Medical College of Wisconsin : [ Link ]
Neuroprotective effects of photobiomodulation : Evidence from assembly/disassembly of the Cytoskeleton
University of Sydney : [ Link ]
Photobiomodulation – mitochondrial ROS generation and calcium increase in neuronal synapses.
Novel Methods
A novel method of applying NIR light intracranially, impact on dopaminergic cell survival
University of Sydney, CEA-Leti : [ Link ]
Lin-Kou Medical Center, Taiwan : [ Link ]
Infrared neural stimulation and functional recruitment of the peripheral Nerve
Department of Biomedical Engineering, Case Western Reserve University : [ Link ]
Cognition
Effect of Transcranial Low-Level Light Therapy vs Sham Therapy Among Patients With Moderate Traumatic Brain Injury
Department of Radiology, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, Boston : [ Link ]
Brain Photobiomodulation Therapy: a Narrative Review
Department of Medical Physics, Tabriz University of Medical Sciences : [ Link ]
Psychological benefits with near infrared light to the forehead: a pilot study on depression
The Department of Psychiatry, Harvard Medical School and the Laboratory for Psychiatric Biostatistics, McLean Hospital : [ Link ]
Cognitive Enhancement by Transcranial Photobiomodulation Is Associated With Cerebrovascular Oxygenation of the Prefrontal Cortex
Department of Psychology, Institute for Neuroscience, University of Texas : [ Link ]
Mitochondrial Dysfunction-Near-Infrared Photobiomodulation as a Potential Therapeutic Strategy
Department of Research, National Neuroscience Institute, Singapore : [ Link ]
Transcranial Photobiomodulation For The Management Of Depression: Current Perspectives
Department of Psychiatry, NYU Langone School of Medicine, New York, NY, USA : [ Link ]
Increased Functional Connectivity Within Intrinsic Neural Networks in Chronic Stroke Following Treatment With Red/Near-Infrared Transcranial Photobiomodulation
Boston University School of Medicine, Harvard Medical School : [ Link ]
Review of transcranial photobiomodulation for major depressive disorder: targeting brain metabolism, inflammation, oxidative stress, and neurogenesis
Wellman Center for Photomedicine, Massachusetts General Hospital : [ Link ]
Shining light on the head : Photobiomodulation for brain disorders
Wellman Center for Photomedicine, Massachusetts General Hospital : [ Link ]
Improved cognitive function after transcranial, light-emitting diode treatments in chronic, traumatic brain injury: two case reports
Boston University, School of Medicine : [ Link ]
Augmentation of cognitive brain functions with transcranial lasers
Department of Psychology and Institute for Neuroscience, University of Texas : [ Link ]
Neurological and psychological applications of transcranial lasers and LEDs
Department of Neurology and Neurotherapeutics, University of Texas : [ Link ]