Fotobiomodulacja - historia i jej podstawy

Światło odgrywa kluczową rolę w funkcjonowaniu ludzkiego organizmu i regulacji naszych procesów życiowych – od rytmów dobowych po gospodarkę hormonalną i metabolizm. Jednym z rozwijających się kierunków medycyny, który świadomie wykorzystuje te mechanizmy, jest terapia światłem czerwonym i bliską podczerwienią. Dawniej określano ją szeroko mianem terapii laserowej niskiego poziomu (LLLT – Low-Level Laser Therapy), natomiast dziś przyjęta na świecie, precyzyjna nazwa naukowa to fotobiomodulacja (PBM - Photobiomodulation).

Możliwości leczniczego wykorzystania światła do naświetlania tkanek zaczęto dostrzegać już wkrótce po skonstruowaniu pierwszych laserów w latach 60. XX wieku. Za formalny początek fotobiomodulacji uznaje się jednak rok 1967 i badania węgierskiego profesora dr. Endre Mestera z Uniwersytetu Medycznego Semmelweisa w Budapeszcie. Mester chciał odtworzyć wcześniejszy amerykański eksperyment, w którym silny laser rubinowy stosowano do niszczenia guzów nowotworowych u szczurów. Dysponował jednak urządzeniem o znacznie niższej mocy, więc próby usuwania guzów nie przyniosły oczekiwanego efektu.

Zauważył za to coś zaskakującego: u naświetlanych zwierząt bezpieczną, niską dawką światła włosy odrastały wyjątkowo szybko, a rany goiły się znacznie sprawniej. Był to pierwszy udokumentowany dowód, że światło o niskiej gęstości energii – zamiast uszkadzać czy przegrzewać tkanki – może działać w sposób biostymulujący. W kolejnych dziesięcioleciach to zjawisko stało się przedmiotem intensywnych badań.

Żeby naprawdę zrozumieć, na czym polega potencjał terapii światłem czerwonym, dobrze najpierw poznać kilka kluczowych zasad leżących u podstaw fotobiomodulacji:

• Dlaczego odeszło się od nazwy LLLT? Pierwsze określenie sugerowało, że konieczne jest użycie lasera. Tymczasem kolejne badania naukowe jednoznacznie pokazywały, że inne źródła światła – na przykład diody LED o zbliżonych parametrach – wywołują równie korzystne efekty. Uznać też trzeba było, że sformułowanie „niski poziom” (low-level) jest nieprecyzyjne. Termin „biomodulacja” dużo lepiej oddaje fakt, że światło może zarówno pobudzać procesy komórkowe, jak i – w sposób kontrolowany – je osłabiać.
• Zakres działania i głębokość wnikania: W terapii PBM wykorzystuje się promieniowanie od światła widzialnego po podczerwień, najczęściej z zakresu 600–1100 nm, określanego jako „okno optyczne” tkanki. Światło o długości fali 500–700 nm przenika relatywnie płytko, dlatego świetnie sprawdza się przy leczeniu powierzchownych zmian skórnych i przyspieszaniu odnowy naskórka. Natomiast promieniowanie 800–1000 nm (oraz fale dłuższe, np. 1064 nm) dociera zdecydowanie głębiej, co umożliwia oddziaływanie na rozległe urazy tkanek, mięśnie, stawy, a nawet wybrane struktury mózgu. Co warte uwagi, pasmo 700–770 nm wykazuje zaskakująco niską aktywność biochemiczną.
• Brak przegrzewania tkanek: PBM to metoda nieinwazyjna, nietoksyczna i uznawana za bardzo bezpieczną, z praktycznie marginalnym ryzykiem działań niepożądanych. Stosowane są tak niskie gęstości mocy, że mechanizm działania nie opiera się na cieple – nie dochodzi ani do oparzeń, ani do wyraźnego wzrostu temperatury w naświetlanej tkance.
• Prawo Arndta-Schultza, czyli jak dobrać dawkę: Skuteczność fotobiomodulacji zależy od precyzyjnego ustawienia parametrów – takich jak długość fali, fluencja (gęstość energii) czy czas ekspozycji. Zgodnie z prawem Arndta-Schultza odpowiedź organizmu ma charakter dwufazowy: delikatny bodziec świetlny (np. optymalna gęstość energii rzędu 1–5 J/cm²) pobudza komórki i nasila ich naturalne procesy fizjologiczne, natomiast zbyt intensywny lub zbyt długi bodziec działa hamująco, a skrajnie wysokie dawki całkowicie znoszą korzystny efekt.

Fotobiomodulacja brzmi bardzo naukowo, ale w dużym uproszczeniu chodzi o to, że światło wpływa na pracę naszych komórek i pomaga im lepiej funkcjonować. Można to porównać do fotosyntezy u roślin: tak jak roślina „karmi się” światłem, tak nasze komórki potrafią wykorzystać określone rodzaje światła do uruchomienia korzystnych procesów w organizmie.

Najważniejszą rolę odgrywają tutaj mitochondria – to takie „elektrownie” w naszych komórkach, które produkują energię potrzebną do życia i regeneracji. Światło czerwone i bliska podczerwień wpływają na nie w kilku krokach:

Głównym „odbiornikiem” światła w naszych komórkach jest pewien enzym znajdujący się w mitochondriach, nazywany oksydazą cytochromu c (COX) (to część tzw. kompleksu IV łańcucha oddechowego). Ten enzym pochłania odpowiednie długości fal światła czerwonego i podczerwonego. To pierwszy sygnał uruchamiający dalsze reakcje w komórce.

Kiedy komórka jest zestresowana, ma stan zapalny albo cierpi na niedotlenienie, pojawia się problem: cząsteczki tlenku azotu (NO) przyczepiają się do tego enzymu i blokują mu działanie. Komórka zaczyna wtedy gorzej oddychać i produkuje mniej energii.

Światło używane w fotobiomodulacji pomaga to odwrócić. Po naświetleniu tlenek azotu odłącza się od enzymu, dzięki czemu tlen znowu może swobodnie docierać do mitochondriów, a produkcja energii wraca na wyższy poziom.

Co więcej, uwolniony tlenek azotu nie znika bez śladu – działa w miejscu naświetlania jako ważny sygnał dla organizmu. Pomaga rozszerzać naczynia krwionośne, co poprawia krążenie krwi, a co za tym idzie dotlenienia tkanek. W efekcie komórki mają lepszy dostęp do tlenu i składników odżywczych, a organizm może sprawniej się regenerować.

Gdy enzym COX przestaje być blokowany przez tlenek azotu, tlen znów może swobodnie docierać do jego centrów aktywnych. Dzięki temu reakcje w łańcuchu oddechowym przebiegają prawidłowo, rośnie „napięcie” na błonie mitochondrialnej, a komórka zaczyna w bardzo szybkim tempie wytwarzać więcej adenozynotrójfosforanu (ATP) – swojego podstawowego paliwa energetycznego. W praktyce komórka dostaje ogromny zastrzyk energii i może przełączyć się na bardziej wydajny tryb pracy, oparty na fosforylacji oksydacyjnej (najefektywniejszej formie produkcji energii).

Światło (zwłaszcza podczerwone o długości fali od 980 do 1064 nm) działa nie tylko na mitochondria. Pobudza także znajdujące się w błonie komórkowej kanały jonowe, które reagują na światło oraz bardzo delikatne zmiany temperatury. W efekcie do wnętrza komórki w kontrolowany sposób napływają jony wapnia.

Przyspieszona praca mitochondriów powoduje też powstanie krótkotrwałego, łagodnego „impulsu” w postaci niewielkiej ilości reaktywnych form tlenu (ROS) oraz cząsteczek cAMP. Pełnią one rolę wtórnych przekaźników – są sygnałami, które mówią komórkom, by zaczęły się dzielić (proliferować) i dojrzewać (różnicować się).

Ten nagły impuls biochemiczny uruchamia tzw. wsteczne przekaźnictwo mitochondrialne – szczególny sposób komunikacji, w którym mitochondria wysyłają bezpośrednie sygnały do jądra komórkowego. Pod wpływem tych sygnałów aktywują się określone białka regulujące pracę genów.

W rezultacie fotobiomodulacja modyfikuje aktywność ponad 175 genów. Część genów związanych ze stanem zapalnym i obumieraniem komórek zostaje „wyciszona”, natomiast uaktywniają się geny sprzyjające namnażaniu i przemieszczaniu się fibroblastów (komórek odpowiedzialnych m.in. za produkcję kolagenu), zmniejszaniu obrzęków oraz tworzeniu gęstej, dobrze uporządkowanej sieci włókien kolagenowych. Dzięki temu organizm może znacznie szybciej, sprawniej i pełniej zamykać rany oraz regenerować uszkodzone tkanki.

• [1] Kuffler, D. P. (2016). Photobiomodulation in promoting wound healing: a review. Regenerative medicine, 11(1), 107-122.
• [2] Hamblin, M. R. (2016). Photobiomodulation or low-level laser therapy. Journal of biophotonics, 9(11-12), 1122.
• [3] Dompe, C., Moncrieff, L., Matys, J., Grzech-Leśniak, K., Kocherova, I., Bryja, A., … & Dyszkiewicz-Konwińska, M. (2020). Photobiomodulation—underlying mechanism and clinical applications. Journal of clinical medicine, 9(6), 1724.
• [4] Hennessy, M., & Hamblin, M. R. (2017). Photobiomodulation and the brain: a new paradigm. Journal of optics, 19(1), 013003.