陳敬儒,李鳳丹,江銀華

光生物調(diào)節(jié)療法(photobiomodulation therapy,PBMT)是利用內(nèi)源性生色團吸收光(包括可見光、紅外線、近紅外線)產(chǎn)生光化學(xué)或光物理反應(yīng),觸發(fā)非熱、非細胞毒性生物反應(yīng),可用于刺激組織再生、減少炎癥和控制疼痛的光療法[1]。放射性口腔黏膜炎(radiation-induced oral mucositis,RTOM)是頭頸部惡性腫瘤患者接受放射治療后常見并發(fā)癥之一,其主要表現(xiàn)為黏膜干燥,灼痛,潰瘍,當(dāng)損傷波及黏膜下層時造成劇烈疼痛影響患者進食,嚴(yán)重者中斷放療[2],發(fā)病率為80%～100%[3]。根據(jù)RTOM臨床表現(xiàn)特點,臨床實踐多采取對癥治療(口腔護理,抗菌鎮(zhèn)痛藥物,冷凍療法等方式),以促進創(chuàng)口愈合,緩解患者痛苦,降低其對患者放療病程的影響[4]。雖然PBMT治療作用的生物機制尚未完全闡明,但其控制疼痛,促進組織愈合的臨床作用,已得到臨床研究證實[5-7]。本文就PBMT在RTOM治療中作用機制研究進展進行綜述。

1 PBMT

PBMT起源可追溯至20世紀(jì)60年代,Mester教授發(fā)現(xiàn)剃毛小鼠接受低水平紅寶石激光照射后,毛發(fā)增長加速[8]。隨后他又發(fā)現(xiàn)氦氖激光照射能促進小鼠創(chuàng)口愈合[9],并將研究結(jié)論逐步應(yīng)用于臨床潰瘍治療。在PBMT研究早期,以激光為主要研究對象,該療法后續(xù)也被稱為低水平激光療法(low-level laser therapy,LLLT),因其與用于消融、切割和凝固的其他醫(yī)療激光治療形式相比,這種光的強度較低,組織細胞在電子水平上吸收激光,并不產(chǎn)生熱量[10]。20世紀(jì)90年代,研究人員將發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)技術(shù)引入臨床研究實踐[11],發(fā)現(xiàn)LED照射組織,同樣被吸收的光子不會以熱量的形式損失,而是直接轉(zhuǎn)移到吸收細胞或發(fā)色團,引起靶細胞的光激活和它們相關(guān)活性的某種變化[12]。LLLT和LED也成為現(xiàn)在臨床應(yīng)用較多的PBMT治療模式。

對PBMT機制研究,發(fā)現(xiàn)線粒體呼吸鏈中細胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase,CCO)和光/熱門控離子通道為主要的內(nèi)源性生光團。CCO吸收攝入光子發(fā)生光化學(xué)級聯(lián)反應(yīng)以及質(zhì)膜光敏離子通道的激活,增加電子傳遞鏈中三磷酸腺苷和活性氧的形成,以此激活多種轉(zhuǎn)錄因子和信號通路[13]。

隨著技術(shù)的進步,PBMT設(shè)備種類繁多,如氬氣(Ar),氦氖(He:Ne),二氧化碳(CO2)激光,釹-鋁-石榴石(Nd:YAG),鉺釔石榴石(Er:YAG)和鋁砷化鎵(GaAlAs)二極管等,并且更多的廣譜光源如碳光子也用于臨床治療。

2 RTOM發(fā)病機制

RTOM作為頭頸部腫瘤患者接受放療后常見的并發(fā)癥,其發(fā)病機制的研究受廣泛關(guān)注。Sonis研究建立RTOM五期模型[14](起始-初始損傷-信號放大-潰瘍-愈合),表明電離輻射誘導(dǎo)DNA斷裂致使細胞凋亡,死亡細胞釋放內(nèi)源性損傷相關(guān)模式分子(damage associated molecular patterns,DAMPs),引起免疫應(yīng)答。同期活性氧(reactive oxygen species,ROS)分泌增加介導(dǎo)非DNA損傷,激活NF-κB信號通路,NF-κB上調(diào)環(huán)氧合酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2),COX-2作為通過在前列腺素產(chǎn)生中發(fā)揮作用而參與炎癥的誘導(dǎo)酶,參與電離輻射暴露后組織的無菌性炎癥[15]。繼而釋放促炎癥因子。成纖維細胞受到電離輻射損傷,致使基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs)的分泌,如MMP1和MMP3,分別降解膠原上皮下基質(zhì)和分解上皮基底膜[16],口腔黏膜完整性被破壞,細菌定植繼發(fā)感染加重RTOM。隨著對RTOM病理機制研究的深入,Paris等[17]應(yīng)用C57BL/6小鼠全身照射模型(12～15 Gy)研究,發(fā)現(xiàn)輻射造成微血管內(nèi)皮損傷是導(dǎo)致黏膜損傷阻礙干細胞增殖分化的原發(fā)病變,同時進一步驗證基底膜結(jié)合的堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)保護內(nèi)皮細胞免受輻射誘導(dǎo)的細胞死亡,而微血管基底膜因缺乏bFGF沉積致使輻射敏感性增加。

3 PBMT治療RTOM的作用機制

3.1 減輕炎癥反應(yīng)

RTOM發(fā)生發(fā)展過程的關(guān)鍵在于ROS產(chǎn)生及促炎癥因子釋放導(dǎo)致黏膜細胞凋亡,形成炎癥反應(yīng)正反饋擴大損傷。對此,PBMT通過參與調(diào)節(jié)巨噬細胞極化和炎癥細胞因子表達[18],達到抑制炎癥反應(yīng),減緩促炎癥因子釋放的目的。當(dāng)巨噬細胞受到損傷、感染等刺激后會迅速激活成具有不同生理特性的不同表型,M1表型巨噬細胞表達并分泌炎癥分子,如細胞因子白細胞介素1β(interleukin-1β,IL-1β)、白細胞介素6(interleukin-6,IL-6)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)以及趨化因子CCL3、CCL4和CXCL2,導(dǎo)致炎癥急性期;M2表型巨噬細胞表達并分泌血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth-factor,TGF)和胰島素生長因子(insulin growth factor,IGF)促進后期肉芽組織的形成[19]。研究發(fā)現(xiàn)660 nm紅激光照射4 h后M1表型巨噬細胞下調(diào)CCL3、CXCL2、TNF-α和M2表型巨噬細胞CXCL2mRNA表達,780 nm紅激光照射4 h后M2表型巨噬細胞抗炎因子TGF-β1表達上調(diào),以降低急性炎癥損傷的嚴(yán)重程度[20]。此外,有研究發(fā)現(xiàn)PBMT能抑制極化后的巨噬細胞分泌ROS,并上調(diào)Nrf2的表達。Nrf2作為氧化還原敏感的轉(zhuǎn)錄因子,可調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激反應(yīng),并通過調(diào)節(jié)細胞因子的產(chǎn)生和與NF-κB信號通路產(chǎn)生交叉作用抑制炎癥,在炎癥刺激或氧化應(yīng)激引起的疾病中發(fā)揮保護作用[21]。Silveira等[22]研究PBMT對大鼠急性肌肉損傷炎癥過氧反應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)早期應(yīng)用PBMT有效地恢復(fù)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD,抗氧化酶)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)在組織內(nèi)水平,抑制損傷肌肉中氧化應(yīng)激狀態(tài)的誘導(dǎo)。將PBMT用于臨床研究進一步驗證其抗炎效果發(fā)現(xiàn),對55例老年RTOM患者進行分組,PBMT組患者與安慰劑組患者(20.7%)相比抗炎藥物處方使用率明顯下降(34.6%)[23]。

3.2 促進細胞增殖

口腔黏膜細胞屬于快反應(yīng)細胞,其損傷修復(fù)關(guān)鍵在于角質(zhì)形成細胞、成纖維細胞和間充質(zhì)干細胞快速增殖分化以對抗電離輻射誘導(dǎo)的細胞凋亡[24]。對此,PBMT可通過誘導(dǎo)損傷處角質(zhì)形成細胞、成纖維細胞和膠原蛋白增殖分化以促進創(chuàng)口修復(fù)[25]。PMBT最重要的發(fā)色團之一是細胞色素C氧化酶(線粒體呼吸鏈中的第4單元),通過吸收紅光取代一氧化氮(NO)激活銅和血紅素中心,在線粒體內(nèi)產(chǎn)生質(zhì)子梯度,從而釋放大量的腺嘌呤核苷三磷酸(ATP),能量的增加促進細胞增殖移動[26]。PBMT作用后從CCO解離的NO是一種有效的血管擴張劑,增加微循環(huán)中血液和氧氣供應(yīng),改善輻射所致的微循環(huán)損傷[27]。此外,PBMT激活線粒體表面光敏離子通道,使得鈣離子進入,促進環(huán)磷酸腺苷(cAMP)和ROS釋放。高濃度的R0S具有細胞毒性,導(dǎo)致多個信號級聯(lián)被中斷[28],而適量ROS可在ATP合成的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生正常代謝,并調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)和參與增殖、分化的蛋白質(zhì)[29],PBMT誘導(dǎo)正常細胞系中ROS產(chǎn)生適度地增加,同時其能降低已經(jīng)暴露于氧化應(yīng)激反應(yīng)的細胞中的ROS水平[30]。研究表明[31],PBMT也可促進組織釋放堿性成纖維細胞生長因子,角質(zhì)細胞生長因子(keratinocyte growth factor,KGF)等生長因子釋放,促進肉芽組織的生成,上皮細胞的增殖遷移,誘導(dǎo)上皮再形成以及維持上皮的正常結(jié)構(gòu)。

Bourouni等使用810 nm二極管激光體外培養(yǎng)人成骨樣細胞MG36(human osteoblast-like cell MG36)和人牙齦成纖維細胞(human gingival fibroblast,HGF),發(fā)現(xiàn)人成骨樣細胞MG36和HGF在24、48、72 h照射點其增殖率均明顯增加,且編碼Ⅰ型膠原纖維的前α1鏈基因(COL1α1)表達增強[32]。Li等[33]研究發(fā)現(xiàn)使用1.0、2.0、4.0 J/cm2,650 nm半導(dǎo)體鋁砷化鎵激光器照射人臍靜脈內(nèi)皮細胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVEC),通過促進磷脂酰肌醇-激酶(PI3K)和蛋白激酶B(Akt)的磷酸化,激活PI3K/Akt途徑,使其出現(xiàn)劑量依賴性增殖,并且劃痕實驗表明PBMT對HUVEC移動速度具有誘導(dǎo)性(6.36、8.98和11.68 μm/h)。Gang團隊將CO2激光應(yīng)用于RTOM小鼠模型,同樣發(fā)現(xiàn)CO2激光誘導(dǎo)創(chuàng)面上皮細胞增殖,加速創(chuàng)口再上皮化,上調(diào)熱休克蛋白-70和黏連蛋白C的表達[34]。

3.3 抑制創(chuàng)面細菌生長

RTOM發(fā)展至潰瘍階段常合并口腔內(nèi)微生物感染加重。因放療導(dǎo)致患者口腔黏蛋白隨唾液分泌減少而減少,口腔黏蛋白無法充分與微生物結(jié)合形成懸浮微生物聚集,阻止微生物附著于黏膜上皮[35-36],致使病原菌在口腔內(nèi)大量增殖,通過病原相關(guān)分子模式滲入體內(nèi),其鞭毛蛋白與宿主Toll樣受體5(TLR5)結(jié)合,通過募集NF-κB和產(chǎn)生促炎細胞因子,啟動典型的促炎途徑[37]。研究表明,特定發(fā)色團靶標(biāo)復(fù)合物Ⅳ是真核生物線粒體呼吸鏈的細胞色素C氧化酶,在細菌中也作為大型跨膜蛋白復(fù)合物存在[38]。當(dāng)治療劑量激光照射至黏膜損傷部位時,該區(qū)域的細菌會同時吸收能量,激活細胞膜鈣離子通道和短暫的ROS爆發(fā),影響細菌增殖[39]。Robati等采用980 nm二極管激光以5、10和20 J/cm2的能量照射體外培養(yǎng)變形鏈球菌、嗜酸乳桿菌,在暴露即刻和24 h后,菌落數(shù)目均有明顯下降[40]。Nussbaum等的研究發(fā)現(xiàn),810 nm低功率激光以5、10、20和50 J/cm2的劑量照射抑制金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌的生長,且呈劑量依賴性[41]?？趦?nèi)菌群以生物膜形式附著于牙體和黏膜,形成宿主免疫防御機制。Basso等[42]將變形鏈球菌(Streptococcusmutans,SSB)、白念珠菌(Candidaalbicans,DSB)以及2者混合進行體外培養(yǎng),使用780 nm鋁砷化鎵二極管激光器以5、10、20 J/cm2按250 s、500 s和1 000 s時間點進行照射,發(fā)現(xiàn)激光照射抑制單獨培養(yǎng)的SSB中琥珀酸脫氫酶活性和SSB、DSB各自生物膜形成,但在混合培養(yǎng)生物膜中,SSB因DSB存在而對PBMT產(chǎn)生一定的耐藥性。掃描電鏡下觀察微生物的形態(tài)未發(fā)生改變,但SSB對玻璃基質(zhì)的黏附作用減弱,生物膜中微生物結(jié)構(gòu)存在一定的分解。雖然RTOM發(fā)病機制存在ROS誘導(dǎo)組織損傷過程,但PBMT同時可上調(diào)機體內(nèi)SOD對抗氧化應(yīng)激。臨床試驗表明,PBMT在防治RTOM的過程中,并不會對周圍組織產(chǎn)生損害[43]。

3.4 緩解疼痛

RTOM產(chǎn)生疼痛主要包括傷害性疼痛和神經(jīng)性疼痛[44]。輻射導(dǎo)致組織損傷釋放炎性介質(zhì)激活痛覺感受器的瞬時受體電位家族離子通道(transient receptor potential,TRP)從而產(chǎn)生疼痛[45]。ROS作為瞬時感受器重要的內(nèi)源性激動劑,提高外周和中樞神經(jīng)敏感性,從而引發(fā)神經(jīng)性疼痛[46]。輻射損傷造成持續(xù)性疼痛會導(dǎo)致神經(jīng)元活動特異性持續(xù),改變突觸的結(jié)構(gòu)和功能,周圍神經(jīng)功能障礙疼痛加劇,產(chǎn)生額外的神經(jīng)性疼痛[47]。PBMT作為一種非藥物治療手段,通過抑制ROS和促炎癥因子釋放、促進組織細胞快速修復(fù)、促進內(nèi)源性阿片類物質(zhì)釋放來緩解疼痛[48]。研究人員用830 nm鋁砷化鎵二極管激光照射大鼠足底炎癥模型,發(fā)現(xiàn)PBMT通過促進含有阿片類物質(zhì)的免疫細胞優(yōu)先遷移到炎癥部位,釋放內(nèi)啡肽,激活疼痛抑制阿片類受體[49],內(nèi)源性阿片類物質(zhì)可通過分泌前體分子促腎上腺皮質(zhì)激素和促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子引起外周鎮(zhèn)痛[50]。但該反應(yīng)存在照射劑量限制,研究推薦采用3 J/cm2或8 J/cm2激光強度以獲得良好的鎮(zhèn)痛效果。此外,研究發(fā)現(xiàn)采用PBMT能可逆性破壞背根節(jié)神經(jīng)元中微管結(jié)構(gòu),抑制快軸突電流和線粒體膜電位,抑制神經(jīng)傳導(dǎo)所需能量合成,使得痛覺傳導(dǎo)抑制[51]。姜彤等[52]將60例口腔癌放療患者分為2組,應(yīng)用632.8 nm氦氖激光以緩解RTOM患者疼痛[52],發(fā)現(xiàn)PBMT治療組患者疼痛程度以及疼痛持續(xù)時間(5.31±6.43)d和對照組疼痛程度和疼痛持續(xù)時間(9.89±6.08)d相比,顯著降低(P<0.05)。此外,PBMT組和對照組患者使用阿片類鎮(zhèn)痛藥的使用率分別為7%和21%(P<0.001)。

4 PBMT治療參數(shù)及療效

目前PBMT治療RTOM最佳參數(shù)指標(biāo)在探索中,但研究人員在世界激光治療協(xié)會會議(WALT)上總結(jié)建議使用紅色或近紅外光LED/激光設(shè)備[53],①口內(nèi)設(shè)備預(yù)防RTOM:放療前30～120 min,每個治療場的總劑量為1.2愛因斯坦(650 nm的光子通量=5.7 pJ/cm2),波長630～680 nm,功率密度10～50 mW/cm2。②口內(nèi)設(shè)備治療RTOM:波長630～680 nm,功率密度10～50 mW/cm2?？倓┝繛?.5愛因斯坦(光子通量在650 nm=11.4 pJ/cm2),3～4次/周,共15～20次,或直至放療結(jié)束RTOM創(chuàng)口愈合。③設(shè)備經(jīng)皮膚預(yù)防RTOM:放療前30～120 min,每個治療場的總劑量為1愛因斯坦(810 nm的光子通量=4.5 pJ/cm2),波長800～1 100 nm,功率密度30～150 mW/cm2。④設(shè)備經(jīng)皮膚治療RTOM:每個治療場的總劑量為2愛因斯坦(光子通量在810 nm=9 pJ/cm2),波長800～1 100 nm,功率密度30～150 mW/cm2。3～4次/周,共15～20次,或直至放療結(jié)束RTOM創(chuàng)口愈合。其余400～1 100 nm可適當(dāng)調(diào)整劑量使用,但所有操作過程要實時監(jiān)控溫度<45 ℃。此外,在近期的科研實踐中,對PBMT療效也進行了一定的總結(jié)分析。一項納入8項實驗的系統(tǒng)性回顧性研究表示[54],7項實驗(792例患者)一致表明≥3級RTOM發(fā)生率、持續(xù)時間和強度降低,腸外營養(yǎng)和阿片類藥物使用減少。另一項系統(tǒng)性回顧研究也表明[55],PBMT對RTOM具有良好的治療效果,顯著降低重度RTOM持續(xù)時間、發(fā)病率和疼痛度。對其安全性分析,Antunes等[56]對94例頭頸部腫瘤放化療患者隨機分組,進行時長41.3個月的跟蹤隨訪,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過PBMT治療的患者總生存率為57.4%,對照組患者生存率為40.4%;并且在腫瘤治療過程中,對照組患者出現(xiàn)胃腸道病變、中斷放化療和使用阿片類藥物的頻率更高。但目前缺乏接受PBMT治療患者遠期療效的追蹤觀察,如治療結(jié)束后并發(fā)癥、腫瘤復(fù)發(fā)等情況。

5 小 結(jié)

PBMT作為一種安全、無痛的非藥物治療手段,因其有效的抗炎鎮(zhèn)痛促愈合作用,在口腔臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被推薦使用。但PBMT與其他療法聯(lián)合的最佳組合、PBMT是否可長期應(yīng)用等細節(jié)問題尚沒有明確統(tǒng)一的答案。其次PBMT對RTOM作用機制研究主要在于其抑制炎癥因子分泌、促進組織愈合和緩解疼痛。雖然多項研究表明PBMT對細菌生長存在抑制作用,但其作用機制,抑制靶點尚未完全明了,此外除了研究對體外培養(yǎng)單一菌群變化的作用外,PBMT對口內(nèi)多種菌種混合形成生物膜的作用以及不同能量和波長對菌群是否存在抑制作用仍需進一步驗證。