Zastosowanie oświetlenia typu LED w fototerapii

Wykorzystaniem światła zarówno naturalnego lub sztucznego do celów leczniczych zajmuje się dział medycyny zwany światłolecznictwem lub też fototerapią. Idea stosowania światła w lecznictwie jest znana ludzkości od zarania dziejów, ponieważ już starożytni Grecy i Egipcjanie wierzyli, że słońce może wzmocnić i uzdrowić ciało [1].

Na przestrzeni wieków stosowano też w tym celu różne sztuczne źródła światła, które były znane ludziom. Lampy oliwne powstały około 70 000 lat temu i były one popularnie używane aż do 1853 roku, kiedy to została skonstruowana przez polskiego chemika, farmaceutę i przedsiębiorcę Ignacego Łukasiewicza, znacznie dogodniejsza w eksploatacji lampa naftowa.

Lampę o podobnej konstrukcji do lampy Łukasiewicza, w 1859 roku, opatentował Amerykanin Robert Dietz.

Pierwsze źródło światła, działające na innej zasadzie niż spalnie, tj. wykorzystujące w swoim działaniu oprócz zjawiska inkadescencji (żarzenia się), również zjawisko termoluminecscencji (zachodzi ona w dielektrykach i półprzewodnikach) skonstruował Szkot Thomas Drummond w 1826 roku.

Było to niebezpieczne w użytkowaniu światło wapienne, które w końcu XIX wieku (1808 roku) zostało wyparte przez oświetlenie łukowe, kiedy to angielski chemik Sir Humphrey Davy zademonstrował pierwszą na świecie lampę elektryczną o elektrodach węglowych. Zastosowanie tej lampy przyczyniło się w znacznym stopniu do tego, że w roku 1903 w dziedzinie fotomedycyny przyznano Nagrodę Nobla. Otrzymał ją, za wkład w leczenie gruźlicy, skóry duński lekarz Niels Ryberg Finsen [2].

Lampa, mogąca być uznana za prototyp współczesnych żarówek, pojawiła się w roku 1879. Wtedy właśnie Thomas Alva Edison przedstawił światu lampę węglową, świecącą ponad 40 godzin.

Wynalezienie w latach 60. XX wieku roku lasera rubinowego (o długości fali 1,15 mm) oraz helowo-neonowego (o długości fali 632,8 nm) było krokiem milowym na polu fotobiomodulacji. W 1971 roku węgierski chirurg, profesor Endre Mester, w badaniach eksperymentalnych i klinicznych wykazał korzystny wpływ tego typu światła laserowego na stymulację gojenia ran [3, 4].

Od tego czasu stosowanie laserów o małej mocy okazało się niezwykle istotnym i cennym narzędziem stosowanym do regeneracji tkanek, w tym leczenia ran i owrzodzeń skóry. Zostało to również potwierdzone licznymi wynikami badań prowadzonych przez inne grupy badawcze [5].

Laserowa terapia niskiej mocy, polegająca na ekspozycji komórek i tkanek na niskie dawki światła w zakresie czerwieni i bliskiej podczerwieni, okazała się również skuteczna w redukcji obrzęków, stanów zapalnych, neuralgii i innych dolegliwości bólowych. Obecnie w fototerapii używa się urządzeń, w których zastosowanie znajdują zaawansowane technologie półprzewodnikowe, np. emitery typu LED.

Początkowo wprowadzenie LED-ów do fotobiomodulacji wiązało się z dużymi wątpliwościami, czy stosowanie innego niż laser źródła światła przełoży się na równie skuteczny efekt terapeutyczny. Wzrastające zainteresowanie zastosowaniem LED-ów w fototerapii skutkuje coraz to liczniejszymi badaniami dotyczącymi mechanizmów komórkowych aktywowanych pod wpływem tego typu promieniowania. Trwają też intensywne prace nad doborem optymalnych parametrów LED-ów i czasu ekspozycji w celu osiągnięcia pożądanego efektu klinicznego.

Diody elektroluminescencyjne LED

Diody LED w swej zasadzie działania wykorzystują zjawisko elektroluminescencji.

Historia ledów sięga początku XX wieku, kiedy to w 1907 roku Henry Joseph Round opublikował list w Electrical World, dotyczący diod emitujących światło [6]. Pierwsza dostępna handlowo dioda LED, skonstruowana w 1967 roku na bazie fosforo-arsenku galu ­(GaAsP), emitowała jedynie niskoenergetyczne promieniowanie o barwie czerwonej.

Współcześnie dostępne są handlowo diody LED emitujące promieniowanie od nadfioletu poprzez światło widzialne do podczerwieni.

Ledy emitujące światło barwy czerwonej i promieniowanie podczerwone wytwarzane są z arsenku glinowo-galowego (AlGaAs).

Fosforek glinowo-galowy (AlGaP) służy do konstruowania ledów emitujących światło barwy zielonej.

Glino-galo fosforek indu (AlGaInP) umożliwia działanie diod LED emitujących światło barwy pomarańczowo-czerwonej, pomarańczowej i żółtej oraz zielonej.

Fosforo-arsenek galu (GaAsP) służy do wytwarzania ledów emitujących światło barwy czerwonej, pomarańczowo-czerwonej oraz pomarańczowej i żółtej.

Fosforek galu (GaP) znajduje zastosowanie w produkcji diod LED emitujących światło barwy czerwonej, żółtej i zielonej.

Ledy emitujące światło barwy zielonej lub szmaragdowej oraz niebieskiej wytwarzane są przy użyciu azotku galu (GaN).

Azotek indowo-galowy (InGaN) zapewnia działanie ledów emitujących promieniowanie w bliskim nadfiolecie oraz barwy niebiesko-zielonej i niebieskiej.

Zastosowanie selenku cynku (ZnSe) umożliwia konstruowanie ledów emitujących światło barwy niebieskiej.

Azotek glinu (AlN) oraz azotek glinowo-galowy ­(AlGaN) umożliwiają produkcję diod LED emitujących promieniowanie w zakresie bliskiego nadfioletu.

Z kolei diament (C) służy do wytwarzania ledów emitujących promieniowanie nadfioletowe.

Ledy charakteryzują się specyficznymi właściwościami. Zalicza się do nich:

• długość fali,
• moc,
• rodzaj emisji,
• częstość impulsów oraz zakres ich regulacji,
• czas trwania impulsów,
• geometrię emitowanej wiązki,
• gęstość powierzchniową mocy oraz  
• powierzchnię emitującą.

Poza jakościowym określeniem emitowanej przez LED barwy promieniowanie optyczne emitowane przez tego rodzaju diody ilościowo charakteryzowane jest przy użyciu wielkości radiometrycznych, spektroradiometrycznych, fotometrycznych oraz kolorymetrycznych.

Typowymi, podawanymi w katalogach, parametrami świetlno-optycznymi diod LED są:

• rozkład kątowy emitowanego promieniowania,
• kąt połówkowy q_1/2,
• długość fali dominującej l_D,
• długość fali dla maksymalnej wartości natężenia napromienienia l_P,
• widmowa szerokość połówkowa Dl,
• światłość.

Parametrami niepodawanymi typowo przez producentów, a istotnymi z punktu widzenia zastosowań diod LED są:

• współrzędne trójchromatyczne barwowe wyznaczane np. w układzie kolorymetrycznym (x, y) CIE 1931,
• rozkład widmowy emitowanego promieniowania,
• strumień świetlny,
• temperatura barwowa oraz
• skuteczność świetlna.

Zastosowanie diod LED w dziedzinie nauk biologicznych miało miejsce po raz pierwszy w 1950 roku. Wtedy to NASA podjęła badania nad użyciem tych półprzewodnikowych emiterów promieniowania do stymulacji wzrostu roślin w kosmosie. Odkryto wówczas, że światło emitowane przez ledy może penetrować w głąb tkanek organizmu i przyspieszać procesy gojenia oraz regeneracji tkanek.

W 1998 roku profesor Harry Whelan z NASA wraz ze swoją grupą badawczą opracował tzw. ledy NASA, które stanowiły dla klinicystów i badaczy źródło światła do fototerapii cechujące się promieniowaniem o większej i stabilnej emitowanej quasimonochromatycznej mocy promienistej i dużej skuteczności świetlnej w porównaniu do ledów starszej generacji [7].

W związku z tym określenie LLLT, które dotychczas oznaczało „Low Level Laser Therapy” (Laserowa Terapia Niskiej Mocy) zostało przemianowane przez Kendric C. Smith z USA na „Low Level Light Therapy” (Terapia Światłem Małych Mocy) [8]. Od tej pory diody LED są stosowane w szerokim zakresie technologii medycznych, stomatologicznych i kosmetycznych. Szczególnie dużą popularnością zaczynają cieszyć się urządzenia oparte na bazie technologii LED do stymulacji gojenia ran i terapii zmian skórnych.

W celu osiągnięcia pożądanych efektów klinicznych należy stosować urządzenia z właściwie dobranymi parametrami fali światła emitowanego przez diodę LED (tab. 1.).

Konkretne parametry świetlne diody LED wpływają na właściwe receptory komórkowe wyzwalając w ten sposób pożądane reakcje w tkankach. Niewłaściwy dobór parametrów będzie skutkował zmniejszoną efektywnością terapeutyczną lub nawet całkowitym brakiem efektu leczniczego.

Wpływ promieniowania świetlnego na mechanizmy komórkowe i tkankowe

Mechanizm działania promieniowania emitowanego przez diody LED na skórę jest wieloczynnikowy i wciąż mało poznany. Długości fal świetlnych używanych do terapii światłem małych mocy mieszczą się w tzw. „oknie optycznym” skóry, które przypada w zakresie czerwieni i bliskiej podczerwieni (600÷1070) nm.

Wnikanie światła w skórę jest najbardziej efektywne w tym zakresie długości fal świetlnych, gdyż na chromofory, czyli cząsteczki w naskórku (np. melanina), którym fotony oddają swoją energię, maksymalne pochłanianie przypada na krótsze niż 600 nm długości fal świetlnych. Światło o długości fali (600÷700) nm dociera do powierzchownych warstw tkanek, a dłuższe długości fal świetlnych w zakresie (780÷950) nm przenikają do nieco głębiej położonych tkanek.

Efekt biologiczny uzyskany przy używaniu diod LED może być opisany prawem Arndta–Schultza, które mówi, że bodziec słaby i średnio silny pobudzają aktywność fizjologiczną, z kolei bodziec silny lub bardzo silny mogą ją hamować. Wiele danych wskazuje na to, że w fototerapii mniejsze dawki promieniowania mają często efekt korzystniejszy od dawek wysokich [9].

Duże dawki promieniowania słonecznego prowadzą do przedwczesnego starzenia się skóry, gdyż promieniowanie padające na tkankę zostaje częściowo w niej pochłonięte. Dochodzi do indukcji reakcji fotochemicznej, ponieważ promieniowanie padające na chromofor ulega absorbcji.

Elektron w chromoforze ulega pobudzeniu i zostaje przeniesiony ze stanu podstawowego na stan wzbudzony. Zgromadzona w ten sposób energia jest zużywana do różnego rodzaju procesów komórkowych [10]. Dochodzi do nadprodukcji wolnych rodników tlenowych. Kolagen zawarty w skórze ulega zniszczeniu, a skóra staje się wiotka.

Promieniowanie emitowane przez ledy wpływając m.in. poprzez stymulację proliferacji i dojrzewania fibroblastów wpływa na zwiększenie syntezy kolagenu, elastyny, glikoprotein i glikozoamin oraz regulację aktywności metaloproteinaz w tkankach [11–13]. Poprawia się również krążenie, co redukuje cienie pod oczami. Światło czerwone zmniejsza i łagodzi podrażnienia skóry oraz redukuje ból.

Na przestrzeni ostatnich lat testowano wiele różnych źródeł światła w zastosowaniach medycznych. Wykazano między innymi, że UVC w zakresie (200÷280) nm działa bakteriobójczo i może mieć zastosowanie w leczeniu trudno gojących ran bez uszkodzenia zdrowych tkanek. Z kolei promieniowanie UVB w zakresie (280÷315) nm może być bezpośrednio stosowane do stymulacji procesów gojenia tkanek, a w zakresie UVA (315÷400) nm wpływa na przekaźnictwo w obrębie szlaków sygnałowych w komórkach.

Poza opisanymi mechanizmami patofizjologicznymi, wpływ terapii światłem małych mocy wywołuje wazodylatacje *) poprzez pobudzanie relaksacji mięśni gładkich w obrębie naczyń krwionośnych. W związku z tym zjawiskiem poprawia się zaopatrzenie tkanek w tlen oraz zwiększa napływ komórek czynnych immunologicznie do tkanek. Dodatkowo wazodylatację nasila wzrost syntezy tlenku azotu pod wpływem LLLT [14].

Badania laboratoryjne i kliniczne z zastosowaniem ledów w medycynie

Trądzik młodzieńczy oraz różowaty stanową istotny problem kliniczny i są często związane z infekcją bakteryjną. Użyteczność światła emitowanego przez diody LED do terapii tradziku wynika z zastosowania światła niebieskiego, które wnika w skórę na niewielką głębokość działając bakteriobójczo [15].

W badaniach in vitro stwierdzono, że naświetlanie niebieskim źródłem światła zmniejsza liczbę bakterii Propionibacterium acnes, które izoluje się od pacjentów z trądzikiem. Badania przeprowadzone w grupie pacjentów z trądzikiem leczonych dwa razy w tygodniu przez 5 tygodni wykazały zmniejszenie zmian trądzikowych o 64% [16].

Ponadto u pacjentów tych nie obserwowano działań niepożądanych związanych ze stosowaniem tej długości fali. Dodatkowo światło niebieskie działa ściągająco na pory i poprawia napięcie skóry. Inne badania wykazały także korzystny wpływ światła czerwonego na zmiany trądzikowe. Czerwone światło działa przeciwzapalnie, m.in. poprzez oddziaływanie na uwalnianie różnorodnych cytokin z komórek [17].

Ponieważ w przypadku zmian w przebiegu trądziku każdy zestaw długości fali ma odrębny mechanizm działania, zostało zaprojektowane i przeprowadzone randomizowane badanie kliniczne z użyciem mieszanego światła LED niebieskiego i czerwonego. Wykazano w nim, że taka fototerapia LED była bezpieczna i skuteczna w zmianach skórnych związanych z trądzikiem [18].

Kolejnym zagadnieniem medycznym, w którym zastosowanie ledów okazuje się niezwykle pomocne, jest stymulacja gojenia ran. Z uwagi na starzenie się populacji i częstsze współwystępowanie innych chorób, takich jak np. cukrzyca, które utrudniają procesy gojenia i regeneracji tkanek, właściwa pielęgnacja ran stanowi narastający problem kliniczny. Ponadto wzrastająca antybiotykooporność drobnoustrojów, wymusza konieczność poszukiwania nowych sposobów i metod zwalczania infekcji bakteryjnych. Wyniki badań naukowych wykazują, że rany, w których przy stosowaniu klasycznych metod leczniczych proces gojenia nie przebiegał właściwie, ulegały zabliźnieniu po zastosowaniu naświetlania ledami emitującymi promieniowanie z zakresu widzialnego i bliskiej podczerwieni.

Terapia światłem małych mocy wpływa na wszystkie trzy fazy gojenia ran: fazę zapalną, w której komórki zapalne migrują do rany; fazę proliferacyjną z pobudzeniem fibroblastów i makrofagów; fazę dojrzewania, gdzie następuje proces przebudowy zagojonej już rany, aby stała się bardziej wytrzymała. Pod wpływem właściwie dobranego promieniowania świetlnego dochodzi do zwiększenia produkcji i aktywacji fibroblastów i makrofagów, pobudzenia leukocytów i przyspieszenia tworzenia kolagenu oraz neowaskularyzacji [11,19].

W badaniach przeprowadzonych przez Spitlera i współpracowników wykazano, że zastosowanie źródła typu LED emitującego promieniowanie o długości fali 637 nm (5,57 ­mW/cm²; 10,02 J/cm²) i 901 nm (1,30 mW/cm²; 2,334 J/cm²) oraz źródła laserowego o długości fali 652 nm (5,57 mW/cm²; 10,02 J/cm²) i 806 nm (1,30 mW/cm²; 2,334 J/cm²) porównywalnie przyspieszało gojenie ran i stymulację migracji komórek w warunkach in-vitro [20].

Należy podkreślić fakt, że naświetlanie z użyciem ledów jest tańsze, bezpieczne i nie generuje ciepła, w przeciwieństwie do użycia źródła laserowego. Terapia światłem podczerwonym LED (846±20) nm zwiększa również ekspresję białek macierzy pozakomórkowej, takich jak fibronektyna i tenascyna w ranach skóry [21].

Badania przeprowadzone u pacjentów po operacjach na otwartej klatce piersiowej wykazują, że naświetlanie z użyciem ledów o długości fali 640 nm ma działanie przeciwbólowe oraz zapobiega rozchodzeniu się brzegów rany i przyspiesza jej gojenie [22].

W kolejnych badaniach stwierdzono, że proces gojenia ran przebiegał zdecydowanie szybciej, gdy w leczeniu zastosowano naświetlanie ze źródła, które było skonstruowane z użyciem ledów emitujacych promieniowanie o trzech długościach fali (670, 720, 880) nm, zdecydowanie przyspieszao proces gojenia ran [23].

Duże zainteresowanie budzi obecnie wykorzystanie światła niebieskiego do terapii trudno gojących ran, gdyż większość badań opierała się do tej pory na zastosowaniu źródeł światła w zakresie spektrum czerwieni i bliskiej podczerwieni. Naświetlanie z niebieskiego źródła LED o długości fali 470 nm korzystnie wpływa na proces gojenia ran poprzez nasilenie procesów angiogenezy i poprawę perfuzji tkankowej [24, 25].

Liczne kontrowersje mogą wciązać się z od niedawna trwającymi badaniami nad bezpieczeństwem i zastosowaniem w terapii gojenia ran promieniowania nadfioletowego. budzić zastosowanie w fototerapii promieniowania nadfioletowego, szczególnie w zakresie (240¸280) nm. Z jednej strony działa ono wysoce bakteriobójczo, ale z drugiej strony uszkadza materiał genetyczny i inne białka w obrębie zdrowych komórek organizmu prowadząc do mutacji i obumierania tkanek.

Wykazano jednak, że przy użyciu właściwie dobranych dawek i czasu ekspozycji, UVC może powodować selektywną inaktywację mikroorganizmów, nie uszkadzając przy tym zdrowych tkanek i co więcej stymulować procesy gojenia ran. Przyspieszenie procesu gojenia ran wymaga tylko kilku cykli naświetlania z zastosowaniem promieniowania UVC, podczas gdy w celu indukcji zmian karcinogennych wymagana jest dłuższa ekspozycja na to promieniowanie [26, 27].

Obecnie trudno jest w pełni obiektywnie ocenić przydatność i bezpieczeństwo terapii LLLT z użyciem diod elektroluminescencyjnych w aplikacjach medycznych z uwagi na brak dobrze zaplanowanych i przeprowadzonych badań klinicznych. Porównywać ze sobą wyników poszczególnych badań jest często niemożliwe do przeprowadzenia z uwagi na dużą liczbę zmiennych zależnych.

Dodatkowo oprócz licznych parametrów świetlnych, takich jak m.in. długość fali, moc promieniowania lub czas ekspozycji, na efekt leczniczy wpływa również stan kliniczny pacjenta. Wiadomo, że u osób z cukrzycą gorsze gojenie ran wynika m.in. z obniżonej produkcji kolagenu, pogorszenia funkcji fibroblastów, czy też komórek endotelialnych [28].

Z uwagi na wielce złożoną kompleksowość parametrów świetlnych [29] i różnorodność sytuacji klinicznych, wydaje się, że droga do opracowania szczegółowych wytycznych dotyczących doboru optymalnych parametrów świetlnych diod elektroluminescencyjnych w urządzeniach do terapii światłem małych mocy jest jeszcze daleka. Obecnie dobór parametrów opiera się więc w głównej mierze na doświadczeniu prowadzącego leczenie.

Systemy diod LED w aplikacjach medycznych

Współcześnie komercyjnie jest dostępnych wiele profesjonalnych systemów do prowadzenia terapii światłem emitowanym przez ledy. Skonstruowane są one z użyciem diod LED emitujących światło o barwie niebieskiej (405, 415, 417, 420, 430) nm; barwie czerwonej (625, 627, 633, 660, 700) nm oraz promieniujące w podczerwieni (830, 940, 880) nm. Systemy te składają się z pojedynczych czipów LED, diod, linijek lub matryc diodowych.

Spotykane są też systemy oparte na żółtych ledach oraz na zielonych ledach (590 nm oraz 525 nm).

Diody LED w części systemów są zasilane stałoprądowo, a w innych impulsowo, np. ze zmienną szerokością pulsu. Wyjściowa energia emitowanego promieniowania osiąga wartość do 29 J/cm2.

Opracowano również, zbudowane na pojedynczym czipie GaN UV LED [30], urządzenie do fototerapii na bazie ledów emitujące promieniowanie UV o długości fali 365 nm. Oprócz systemów profesjonalnych są też produkowane systemy do użytku domowego. W celu zapewnienia bezpieczeństwa potencjalnych użytkowaników, charakteryzują się one dużo niższą emitowaną mocą promieniowania niż systemy do zastosowań profesjonalnych, np. w gabinetach lekarskich czy kosmetycznych.

W przyszłości rozwój urządzeń do terapii światłem małych mocy będzie opierał się również na wchodzących obecnie do użytkowania organicznych diodach elektroluminescencyjnych (OLED) zbudowanych z organicznych polimerów przewodzących. W odróżnieniu od ledów, które są punktowymi źródłami światła, diody OLED są płaskimi panelami równomiernie emitującymi światło na całej powierzchni, co może odgrywać istotną rolę w równomiernym naświetlaniu zmienionych chorobowo tkanek.

Możliwość zastosowania zarówno diod LED, jak i OLED w urządzeniach do terapii światłem małych mocy stworzy o wiele większe możliwości w doborze właściwych parametrów naświetlania zmian chorobowych zaistniałych w różnych sytuacjach klinicznych.

Podsumowanie

Fototerapia z użyciem niskich dawek energii znajduje współcześnie zastosowanie w licznych aplikacjach medycznych. Uznawana jest ona również za bezpieczną formę terapii, która jest cenną opcją terapeutyczną w przypadku trudno gojących ran i owrzodzeń. Jednak jak dotąd nie zostały w pełni poznane komórkowe i biochemiczne mechanizmy, które biorą udział w procesach stymulacji gojenia ran przez światło emitowane przez ledy.

Istotny wkład w rozwój tej dziedziny może przynieść przeprowadzenie dużych, randomizowanych, kontrolowanych placebo i podwójnie zaślepionych badań, które obiektywnie ocenią wpływ światła małych mocy emitowanego przez diody elektroluminescencyjne LED na procesy patofizjologiczne dotyczące np. gojenia się ran.

Wyniki takich badań ułatwią opracowanie optymalnych parametrów świetlnych do konkretnych zastosowań klinicznych.

W nadchodzących latach, wraz z postępem badań naukowych i technologii w zakresie terapii światłem małych mocy, będziemy mieli do czynienia z rosnącym zainteresowaniem tą metodą w codziennej praktyce klinicznej.

Istotne znaczenie ma również fakt, że leczenie światłem z zastosowaniem urządzeń wykorzystujących ledy nie wiąże się z istotnym ryzykiem działań niepożądanych, jak również to, że tego typu urządzenia są dostępne handlowo oraz przystępne cenowo.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!

*) wazodylatacja, wazodilatacja – proces rozkurczu mięśni gładkich w ścianie naczyń krwionośnych prowadzący do poszerzenia światła naczyń i spadku ciśnienia krwi, ponieważ rośnie ogólna objętość układu krwionośnego przy stałej objętości krwi