光生物调节（PBM）

什么是光生物调节？光生物调节 (PBM) 是活细胞对“光能”光子的代谢和细胞学反应。光生物调节 (PBM) 是活细胞对光子（即光能）的代谢和细胞学反应，包括可见光谱以及近红外 (NIR) 和紫外 (UV) 波段的电磁辐射 (EMR)。[1]“光”表示光、“生物”表示“活细胞”和“调制”的串联以改变或施加影响，术语光生物调制描述了活细胞中响应光而发生的生化反应[2]。

光生物调节发生在所有生物中（见图）。它自然发生在暴露在阳光下的细胞中，但也会发生在人工产生的光的特定波长（颜色）中。它存在于植物、动物和细菌中[3]。它刺激生长，为细胞呼吸和繁殖提供能量，刺激 DNA 修复，并赋予细胞、组织和器官的分子维持能力。在包括灵长类动物和人类在内的复杂生物体中，它参与神经系统的生长和管理、控制循环系统中的血流、刺激免疫反应并影响干细胞发育。

无花果。光生物调节通过阳光自然发生并使用生物光子学进行治疗光生物调节也可用于治疗，以加快损伤的恢复、恢复器官功能、减轻疼痛和炎症，或对抗细菌、病毒或真菌的微生物感染[4]。可以对人和动物进行治疗，包括例如宠物、马和骆驼。尽管电磁辐射会在整个光谱范围内影响生物，但光生物调制仅限于某些光谱带。具体而言，如下图所示，PBM 发生在电磁光谱的 NIR、可见光和紫外波段（波长从 1.4 µm 到 300 nm 的光）中，这些波段位于红外光谱的长波部分之间，称为 IRB（产生仅热）和包含电离辐射（破坏 DNA）的短波 UVC。请注意，在电磁波谱的这一部分[5] 中，习惯上用光的波长[6]而不是频率来描述颜色（光频率大到无法用数字表示）。同样，能量以电子伏特 (eV) [7]而非焦耳来描述（因为单个分子的能量太小而无法方便地以焦耳表示）。由于 NIR 和可见光波段的光子比远红外光子 (10–3 eV) 携带的能量高两个数量级 (> 1 eV)，因此 PBM 的作用机制主要是化学作用，而不是热能。相比之下，长波 IRB 和 IRC 光子产生热量（光热效应），但包含的能量不足以直接调用光化学或光生物机制。因此，PBM 的作用机制与热疗的作用机制截然不同，即“热生物调节”（TBM）——通过红外线桑拿、加热垫、蒸汽浴室和按摩浴缸提供的治疗。由于其能量优势，光疗在治疗上通常优于热疗。

光生物调节在有阳光和人造光的情况下自然发生。光对活细胞的影响可能是有益的，也可能是有害的，这取决于吸收的光子能量，由光的参数描述

波长又名颜色（微米或纳米）

功率密度又名辐照度（W 或 W/cm2）

总能量（剂量）又名注量，单位（eV、J 或 J/cm2）

反应因生物体、组织和细胞类型而异。宽光谱光源（如太阳光）通常包括有益光线和有害光线，其净影响取决于光的色温，即光谱混合，以及每个组成波长的总能量剂量。生物体很容易被短波紫外线 UVC 破坏，其能量含量高 (E > 4 eV)。幸运的是，从太阳发出的自然 UVC 和短波 EMR（例如 X 射线和伽马射线）被地球磁场、电离层和大气层阻挡[8]（包括平流层臭氧 (O3) 和水蒸气）。对流层）。如果没有这种保护罩，持续的 DNA 损伤将威胁到生命本身的可持续性。由于存在皮肤损伤、烧伤和皮肤癌的风险，医生避免使用人工紫外线光源（即 λ < 400 nm）进行治疗（除非治疗对所有其他疗法均无反应的严重皮肤病）。具有讽刺意味的是，美黑沙龙中紫外线的非医疗用途不属于 FDA 管辖范围，基本上是作为一个不受监管的医疗行业运作[9]相比之下，PBM 作为治疗方案的医疗应用（稍后描述）受到严格的医疗设备监管（通常作为 II 类设备或可能作为 III/IV 类激光器）。治疗通常在一个成熟的安全波长范围内进行，这些波长占据近红外（NIR、IRA）和 950 nm 和 400 nm 之间的可见光谱。治疗性 PBM 的光源因制造商和设计而异。除了使用过滤的阳光（不舒服）和气体放电管（易碎）的不受欢迎（和几乎过时）的方法之外，当今大多数治疗性 PBM 都采用电子控制的人造光源，包括激光器或 LED 阵列，旨在发射精确指定的 EMR 带宽. 尽管激光 PBM 以低功率密度（冷激光）运行，但故障风险仍然代表眼睛安全风险[10]，需要在监督下使用安全眼镜。从本质上讲，基于 LED 的系统不存在失明风险，因为在高电流下 LED 会变热并失去量子效率，从而将其亮度限制在安全水平内。

无花果。光生物调节和 PBM 治疗中使用的光源

植物不是生物能源的唯一来源在整个 20 世纪，生物学家、植物学家和教育家自信地声称，地球上的所有生命都从阳光刺激植物的光合作用中获取能量。在光合作用过程中，位于植物叶片中的叶绿体将阳光（光子能）和原料（氢、氧、碳）转化为单糖（葡萄糖），以碳水化合物的形式将能量储存在植物体内[11]。食用这种植物的动物摄取这些碳水化合物，将它们转化为能量 (ATP) 并储存脂肪以促进新陈代谢。濒死的植物和动物反过来为参与腐烂和分解过程的细菌提供食物来源，回收原始元素以在后续生命周期中重复使用。这个封闭的生物循环形成了我们地球生物圈广为人知的食物链（见图）[12]。然而，并非所有死去的生物都会分解成简单的元素和低分子量的副产品。在“生物成因理论”中，PBM 驱动的植物和动物死亡，随后细菌作用、沉淀和数十万年的高温和压力，被认为将这些生物尸体的一部分转化为黑色、蜡质的有机层被称为“干酪根” [13]。干酪根被认为是石油的几种前体之一，石油是一种储存大量能量的高分子量有机化合物（因此称为“化石”燃料）。鉴于原油分子的稳定性，腐烂有机物的原料一旦转化为石油，就会从食物链中永久移除。

自世纪之交以来，我们对生物能源动力学的理解有了显着提高。今天，众所周知，生物多样性适应多种相互竞争的能量收集和生命周期机制，包括以下情况：

叶绿体中的光合作用并不是将阳光转化为能量的唯一方法。细菌、古细菌和动物也具有能够吸收光并将其直接转化为可用和储存的能量的机械和光化学机制[14]。

PBM 的直接转化过程采用通常位于细胞和细胞器膜中的吸光发色团。例如，存在于植物和动物中的细胞器线粒体能够将阳光直接转化为 ATP [15]，而无需依赖叶绿体制造的糖类（即没有光合作用的 PBM）。

一些细菌能够通过吸收光产生 ATP，通过固定硫化合物（存在于火山喷口附近）[16]，即在没有任何光的情况下产生 ATP，或它们的某种组合来产生它们自己的能量。

理论证据表明，真核细胞中存在的细胞器可能以前作为自由漂浮的原核生物存在[17]，后来为了共生生存优势而被宿主真核生物吸收（内共生理论）。

光生物调节的普遍性，即广谱生物体直接捕获太阳能的能力，现在被认为是地球生命的基本组成部分。动物 PBM 主要来自与线粒体作用相关的分子细胞色素 c 氧化酶 (CCO) 中生色团的光吸收（单击上面的 PBM 选项卡了解更多详细信息）。CCO 光生物调制发生在从红光 (650 nm) 到近红外光 (950 nm) 波段波长的透明光学窗口[18] 中，其中光不会被水 (H2O) 或血液显着吸收，即氧化和脱氧血红蛋白（分别标记为 OxyHb 和 DeoxyHb）。[点击PBM标签了解更多详情]在光生物调节中，必须吸收光以引起光化学、光生物或生理反应。但仅吸收不足以确保 PBM 响应。相反，PBM 活动由其“作用谱”描述。正如 Hartmann 在 1983 年所描述的，“作用光谱[19]是不同波长的光在引起特定生物反应方面的相对有效性的图，在理想条件下，它应该模拟吸收光谱的分子的吸收光谱。光，其光化学变化会导致这种效果。”虽然铜亚群的作用光谱已被证实是细胞色素的明显表现，但CCO的光吸收光谱与其作用光谱并不相同。Karu 等人 对 CCO 的作用光谱进行了广泛的研究。使用可见光和近红外光谱中不同波长的光刺激哺乳动物细胞[20]（见下图）。其他研究已经确定了作用谱的变体[21]。

在一系列波长范围内测量 DNA 合成、RNA 合成、蛋白质生成和附着（RNA 转录）的速率，进行了一些观察：CCO 作用光谱有四个不同的峰，与仅显示两个主要峰（加上一个较小的次峰）的 CCO 光吸收光谱不同。DNA 合成、RNA 合成和蛋白质附着的峰值和最大速率点出现在不同的 EMR 波长下。CCO 作用光谱中的最短波长峰值与脱氧血红蛋白的光吸收重叠，从而降低了任何光刺激的 PBM 幅度。从这些观察中可以得出各种结论。首先，在 CCO 中没有优化 PBM 的理想波长。仅出于这个原因，窄光谱光源（如激光）对于最大化哺乳动物细胞和组织中的 PBM 反应并不理想。其次，由于血红蛋白会阻挡红光[22]，因此 CCO 作用光谱中的最短波长峰值只能在血流最少的上皮层内被激活。并非所有动物光生物调节都仅限于 CCO 和线粒体的作用。其他膜结合分子和细胞器[23]如高尔基体、内质网等也正在研究 PBM 活性及其相应的作用光谱。

PBM 的照度依赖性除了随 EMR 波长变化之外，PBM 响应的幅度取决于条件，随光照变化，包括传输能量的速率（即光功率或功率密度），以及传输的总能量（即 PBM 剂量）。在生物物理学中，光功率（以瓦特或 W/cm2 为单位）称为辐照度[24]，总能量（以焦耳为单位，J/cm2）称为注量[24]。在光医学和放射学中，通量被认为是治疗的“剂量”。像许多生物现象一样，光照对光生物调节的刺激和抑制作用的影响是双相的[25]，其中功率和能量的大小共同决定了 PBM 的大小。PBM 的两变量双相剂量响应可以用 3D Arndt-Schultz 响应曲线[26]表示，如下图所示，其中在任何给定功率下，能量与时间成正比。在低功率水平（或低剂量能量）下，很少或没有 PBM 发生。通过将功率水平增加到一个实质性但安全的水平，可以通过限制暴露时间来控制总剂量。在更高的功率水平（强光）下，必须减少曝光时间。相反，在较低的光功率水平下，必须增加暴露时间以产生相同程度的生物调节。

在更高剂量或更高功率水平下，PBM 刺激减弱。在更高的水平上，PBM 刺激益处被完全取消，取而代之的是抑制作用，导致暴露对 PBM 活动的净负面影响。宽光谱带宽光源（如太阳）虽然负责地球上大多数植物的光合作用，但在刺激动物和哺乳动物的光生物调节方面效率低下，因为太阳会产生大量的紫外线和红外线辐射（见下图）[27]。通常到达地球表面的阳光包括 53% 的红外光、42% 的可见光和 4% 的紫外光[28]. 由于引起动物 PBM 的 CCO 吸收发生在太阳 2,250 nm 总光谱的 300 nm 窄带上，因此需要大量时间来吸收来自太阳的大量红光和红外光。长时间暴露还包括晒伤（来自紫外线过量）和脱水（因过度吸收红外线导致过热）的不利风险。在另一种观点中，如果照明的目标是在安全温度范围内最大化 PBM [29]，例如低于 43°C 至 45°C，那么任何不涉及产生 PBM 的热量产生都是对生物体 PBM 的浪费性误用热预算，即在没有光化学益处的情况下产生热量。可以通过将照明源限制为有益光谱来避免该问题，方法是过滤阳光或更实用地通过采用人造光源（例如激光器或 LED 阵列）作为照明源，并将光谱限制在有用波段。

光生物调节如何工作？光生物调节 (PBM) 的作用机制是将光能转移到细胞和细胞器内的分子中，导致化学、电化学和热反应以及引起细胞代谢和基因表达变化的转化光生物调节通过能量转移过程发生在原子和分子水平 [点击上方的 PBM 了解更多信息]。携带精确能量（称为量子）的光子[30]将其转移到活细胞及其细胞器内的分子中。特定细胞吸收的光子数量（以及能量数量）取决于其类型和结构，以及入射光的波长。部分光被反射或散射，永远不会进入细胞。一些能量被吸收。剩余的未被吸收的能量通过细胞进入下一层细胞。根据热力学定律[31]，一部分被吸收的光不可避免地会产生热量，即产生光热响应。吸收光的其他部分以光电效应、光化学反应或其某种组合的形式刺激光生物调节。如下图所示，吸收的光子可能会导致键断裂或键形成，从而导致分子的吉布斯自由能发生变化。

吸收的能量导致以下过程的某种组合：

电子发射（以及随后的电荷传输），尤其是在神经回路中

分子中的化学转化导致结构变化、价态转变以及分子储存势能 (PE) 的相应变化

由电场力 qE（漂移传导）引起的移动离子动力学 (KE) 传输的电化学跃迁；或者由于电荷浓度梯度（一维的 dNq(x,t)/dx，三维的∇2Nq(r,t)）导致扩散电流。

瞬态和稳态热诱导分子动力学（热振动）包括低频振荡（遵循经典牛顿动力学），在某些情况下包括量化高频振动（声子），迄今为止在蛋白质、DNA 和生色团中观察到的机制[32]。

热量产生涉及 PBM 的副产品和水、脂质、血液和其他与光生物调节无关的生物分子的光吸收。根据能量守恒原理，这四个过程消耗的能量总和等于细胞吸收的总光子能量。由于不可避免地会产生废热，因此 PBM 过程会增加熵（根据热力学定律）。尽管环境中的整体混乱增加了，但所产生的高能分子具有比周围环境或它们来自的原材料更高的能量和更低的熵。但是什么决定了光是否有足够的能量来调用 PBM？根据量子物理学，光子必须超过特定的最小能量才能激发光化学（并因此产生 PBM）响应，低于此能量将不会发生 PBM 或光化学反应。只要每个光子提供的能量（被发色团吸收）超过正常代谢过程中 ATP 化学提供的能量，吸收的能量就应该足以为 PBM 提供燃料。下图比较了电磁波谱中各种波长的光的能量与重要生物分子的键能。在三磷酸腺苷的水解[33]通过该反应给出ATP ➛ AMP + PPi + 0.47 eV能量分子 ATP 转化为环 AMP 和释放 0.5 eV 的磷分子。ATP 分子比脂肪、酒精或蛋白质分子含有更多的能量。在电磁波谱中，任何波长短于 2.5 µm 的红外光都比 ATP 具有更多的能量。不幸的是，水阻挡近红外线的长度超过 1 µm。因此，PBM 仅出现在 NIR 和可见光谱（小于 1 µm）中，而不出现在远红外 (FIR) 波段。虽然远红外光子携带的能量太少，但对于紫外光谱中的 EMR，可能会发生生物和生理损伤，包括在 UVA 波段 3.4 eV 下形成嘧啶二聚体（DNA 损伤）[34]，在 4.4 eV 下形成细胞膜损伤UVB 波段[35] 中的eV，UVC 波段中 11 eV 的核糖损伤（DNA 骨架）[36]。

在真核细胞中，有几个发色团参与能量转换。特别是在植物中，生色团叶绿素-a、叶绿素-b 和β-角蛋白（位于叶绿体中）协同进行光合作用，将阳光转化为糖（葡萄糖），尤其是在存在紫色、蓝色、橙色和红色光波长的情况下。然后将糖传递给线粒体，转化为三磷酸腺苷或 ATP，这是真核生物的主要能量来源。然而，糖并不是线粒体中唯一的能量来源。

线粒体细胞色素-C 氧化酶中的 PBM线粒体不依赖叶绿体，还含有自身的生色团，能够捕获光并将其直接加工成 ATP（或增强糖向 ATP 的转化）。一种这样的光敏分子，细胞色素-c 氧化酶或 CCO，执行 ATP 生成的最后一步，该过程因红光和近红外光的存在而增强（但与叶绿体不同的是，不会受到紫光、蓝光或橙光的影响）。在同时含有叶绿体和线粒体的植物细胞中，这两种细胞器之间的生化相互作用现在似乎比最初认为的要复杂得多 [38] [点击 PBM 标签了解详情]。在动物生命（缺乏叶绿体）中，线粒体 ATP 的生成依赖于从周围环境输入细胞的原材料（碳源）。细胞器线粒体[39]的 PBM 机制如下图所示，其中红色和近红外光谱中的光被细胞器内包含的细胞色素 C 氧化酶分子吸收，刺激增加 ATP 生成和局部释放一氧化氮 (NO)，一种负责调节动物血管舒张和循环的信号分子。PBM 过程释放进入细胞核并刺激转录和基因表达的基因信使，其中包括生长因子、酶、聚合酶和其他蛋白质[40]。核如何知道要制造哪些分子尚不清楚。基因表达可能受启动子分子的调控（与大肠杆菌的 lac-操纵子[41]反馈和控制在知道何时合成乳糖酶和何时不合成方面的工作方式相同）或可以想象可以通过表观遗传控制，调节沉默或放大的调节分子特定基因和表型的转录和表达[42]。在 PBM 过程中，细胞色素-c 氧化酶还会产生催化剂和活性氧 (ROS) [43]，包括超氧阴离子 O2–、过氧化氢 H2O2、羟基自由基 OH 和过氧化氢自由基 HO2。在 PBM 期间，线粒体释放 Ca2+ 一种影响细胞能量学的神经递质。ATP 的产生和 NO 的释放表明一系列有利于维持细胞活力的反应 [有关 CCO PBM 的更多详细信息，请单击上面的 PBM 选项卡]。PBM 的结果有益于细胞及其包含的组织、器官和生物体。

什么是光生物调节疗法？光生物调节疗法 (PBT) 是光能的治疗应用，用于对抗疾病、修复损伤、缓解疼痛、管理器官和免疫系统功能障碍、减少炎症以及解决各种神经和年龄相关的健康问题。PBT 还被先发制人地用于避免疾病、预防伤害、改善大脑健康和认知、促进健康以及提高运动和田径运动的表现。如前所述，虽然光生物调节在阳光下自然发生，但 PBM 也可以使用人造光进行治疗。与包含有益、中性和有害（短波紫外线）波长混合的阳光不同，通常会暴露大部分身体，在治疗性 PBM 中，仅包含安全和有益波长的光被选择性地局部应用于受影响的器官和组织。作为不断扩大的光医学领域的关键组成部分，光生物调节疗法（PBT、PBMT）有意刺激细胞、组织和器官中的有益生理作用。PBT 治疗可能包括治疗疾病、损伤、器官功能障碍和自身免疫疾病的医学疗法，包括炎症、疼痛管理和伤口愈合（见图）。

非医疗“健康”用途包括对抗日常疼痛、支持健康和身体健康、改善睡眠和放松、减轻压力、提高能量、缓解疲劳和减缓衰老过程。其他应用包括增强免疫系统以先发制人地抵御传染病。PBT 还用于竞技运动，以自然地提高运动员的表现（不使用药物或类固醇），降低运动损伤的风险和严重程度，控制过度劳累或过度伸展引起的疼痛，并在受伤发生时加速恢复。

光生物调节疗法简史如下图的时间线所示，最早记录的利用阳光促进健康可以追溯到公元前 1550 年左右的埃及王朝[44] 的纸莎草纸。古代医生注意到阳光和特别是某些颜色（一种称为色光疗法的治疗）有助于人们从疾病中康复。印度河流域（古印度）和前帝国时期的中国也采用了早期利用光来促进健康的做法。在希腊，科学家们专注于阳光的医疗益处，他们将其称为日光疗法（对赫利俄斯神的引用，意为太阳）。罗马人将希腊光疗商业化为“日光浴室”，随着罗马帝国的扩张，日光浴室在欧洲广受欢迎。在 1800 年代，医生和科学家开始研究光疗生物医学的机制。1903 年，Niels Ryberg Finsen 博士因使用煤气灯和弧光灯产生的光成功治疗寻常狼疮而获得诺贝尔医学奖[45]，光疗科学获得了国际认可。

在 1960 年代，激光技术的出现带来了健康问题，即激光（功率水平太低而不会引起灼伤）可能会导致癌症。匈牙利布达佩斯塞梅维什大学 Endre Mester 教授的系统研究揭示了一个意想不到的结果[46]。不仅老鼠剃毛和用激光照射不会患上癌症，而且实验组的头发长得比对照组快得多。到 1971 年，研究表明，激光不仅可以刺激头发生长，还可以加速伤口愈合。尽管激光显示出令人兴奋的医疗效果，但 1960 年代和 70 年代的激光是大型设备，由易碎的玻璃管（充满气体）构成，并由易碎的精密对准透镜构成，并且需要大而重的电源。1996 年，在美国宇航局航天飞机计划的支持下，威斯康星大学的 Harry T Whelan 博士报告了在光疗中首次使用 LED 作为激光的替代品[47]。1999 年，他展示了 LED 和激光一样，可以有效加速伤口愈合。2003 年，他发表了关于甲醇诱导的视网膜毒性的治疗性 PBM 的开创性工作[48] - 数据提供了证据科学支持，即红光和红外光刺激细胞色素-c 中的 ATP 产生，细胞色素-c 是线粒体中的膜结合生色团。这是指导研究光生物调节真正机制的光化学起源而不是光热起源的关键发现。一般来说，20 世纪的光生物调节治疗工作集中在激光器或 LED 的静态驱动上——在整个治疗过程中，光激发要么持续开启（连续波操作），要么在一组静态条件下脉冲。作为记录，“光生物调节”一词的首次使用发生在 1997 年[49]，但当时并未被普遍接受（部分原因是该术语未在经常被引用的医学主题中正式注册）直到 2016 年的标题 (MeSH) 数据库）。[50]千禧年之交为光生物调节带来了新的生命（和新方法）。从 2001 年开始，光疗法的先驱开发者和“完美之光”(APL) 的创始人丹·谢尔 (Dan Schell) 开始试验将多个波长的 LED 排序成具有不同照明条件和持续时间的复杂激发模式，并将结果编目以定义以及针对疾病和损伤的完善的组织特异性治疗方案和方案。2012 年，Schell 先生与拥有分子生物学、纳米技术和光子学专业知识的电气工程师和半导体物理学家 Richard K Williams 合作。作为一位受人尊敬的串行-并行企业家，Richard 是纳斯达克 IPO 半导体公司 Advanced Analogic Technologies Inc（股票代码 AATI）的创始 CEO/CTO。作为功率半导体和电力电子领域的 IEEE 名人堂获得者和多产的发明家（拥有 350 多项专利），Richard 开创了许多技术，包括用于智能手机背光调光的光子系统、LED 相机闪光灯、动态 LED 背光（和伽马校正） ) 用于高清电视。将 APL 的协议和 ABP 的生物光子学专业知识与 Ken Lin 先生的全球制造和运营专业知识相结合，ABP 开发并发布了世界上第一个具有动态电流控制和可编程序的医疗级 LED PBT 生物光子系统。ABP 的 PBT 系统采用具有卓越光学耦合的 3D 可弯曲 LED 垫、基于软件的微控制器波形合成、基于层次的菜单和直观的 UI/UX（用于明确用户选择组织特定协议），ABP 的 PBT 系统为医生和临床医生提供了无与伦比的治疗控制，使其世界上最灵活、最通用的 PBT 系统。特别值得注意的是，ABP 的 G1 光生物调节治疗系统是历史上第一个菜单驱动的基于软件的 PBT 系统，通过美国 FDA 的详尽审核，并获得台湾严格的 FDA 的行业认可 GMP 认证。ABP 还在光生物调节方面开发了广泛的美国和国际专利 IP 组合。其上市战略包括将其 PBT 业务分为两家公司，一家用于医疗产品，另一家用于医疗服务和客户培训，相对于……

Applied BioPhotonics Ltd 设计和制造医疗级专业 PBT 系统，获得所有必要的政府和行业安全认证和批准。

LightMD Inc 调查治疗策略并记录案例研究，同时与使用 ABP 产品的医生和医院合作并向其提供医疗建议和支持。

PBT – PBM 的治疗应用光生物调节的治疗应用被称为光生物调节疗法（又名 PBT 或有时 PBMT）。通常在治疗人类和其他哺乳动物（例如狗、猫、马和骆驼）的背景下描述，PBT 解决了非常广泛的生理状况，主要是因为 PBM 天然存在于几乎所有组织类型中，即

神经组织

肌肉组织

上皮组织

结缔组织

一般而言，光医学和 PBT 的功效取决于患者病情的性质、所执行的治疗方案以及所采用的光子传递系统。仅 PubMed 就发表了超过 300,000 篇论文，支持 PBM 方案有效应用的经验证据的优势是惊人的。作为初级保健或辅助使用，PBT 不再局限于替代医学的范围。它成功治疗疾病和损伤的能力可以与当今最好的药理学解决方案相媲美。然而，由于治疗的病症（包括慢性病、罕见病和致命疾病）的多样性，仅基于对已发表论文的回顾很难确定最佳治疗方案。患者通常将 PBT 作为复杂侵入性外科手术（如关节置换）或危险/有毒药物方案的替代方案，尤其是那些医生无法自信地提供治疗成功的方案。例如，在兽医学中，部分瘫痪的狗经常通过 PBT 重新获得完全的运动控制，避免需要进行危险的背部手术（费用超过 10,000 美元）。在其他情况下，当药物无效或禁忌时（例如，在许多对药物无反应的慢性疾病或免疫功能低下的患者中），PBT 通常是唯一可用的补救措施。与药物不同的是，PBT 无成瘾性和无毒，对肝、肾和免疫功能没有不利影响。PBT 能够对抗各种看似无关的医疗状况的能力基于其基本作用机制——将光子作为不带电的能量传递给细胞和细胞器，以通过光化学过程增强细胞的新陈代谢和内在（自然）修复机制。使用不带电的粒子比电疗法和磁疗法更可取，以避免干扰身体的自然电化学反应。PBT 使用物理机制来刺激化学反应与药物的使用形成鲜明对比，后者仅依赖于化学反应，通常涉及分子试剂（细胞和组织外来的化合物），具有不可预见的后果和副作用。PBT 成功治疗看似无关的组织类型的能力基于活细胞的共性（而不是它们的差异），例如在哺乳动物生命中：

所有分化的细胞（和组织）类型都来自共同的干细胞祖先。

所有细胞都需要能量才能发挥作用。

所有细胞（某些血细胞除外）都含有线粒体。

所有细胞都包含在 DNA 中编码的基因，并通过 RNA 转录转化为蛋白质。

所有细胞都调节基因表达以动态控制其表型以响应不断变化的环境。

所有细胞都受组织 pH 值和局部血液灌注及其氧气供应的影响。

所有细胞都必须与其他细胞通信（电、化学或电化学）。

所有细胞都包括细胞修复机制（包括通过核酸内切酶活性修复 DNA）。

大多数细胞含有影响代谢过程的光敏发色团。

尽管在所有动物细胞中调用了共同的作用机制，但 PBT 的有益作用是组织特异性的，根据它们的组织类型，神经、肌肉、上皮和结缔组织类型不同。因此，所有细胞中存在的光化学机制会根据受照组织类型产生不同类型的反应。虽然 PBT 治疗的光照条件，即光波长、辐照度、通量、调制、光传输和吸收，决定了特定组织中 PBT 的能量耦合和 PBM 的大小，但细胞学反应的类型是由细胞类型决定的，而不是物理的照明。根据已发表的治疗报告、临床试验和 ABP 自己的案例研究，下图描述了适合光生物调节疗法治疗的条件，按组织类型排列，即神经、肌肉、上皮和结缔组织。神经组织据报道，光生物调节疗法对神经组织的用途包括大脑和中枢神经系统以及周围神经系统，包括骨骼肌、内脏器官和皮肤的传入和传出神经。神经组织中的主要 PBM 机制包括改善循环、减少组织炎症、增加氧气供应、使组织 pH 正常化、加速伤口愈合和调用选择性神经发生。PBT 对计时神经回路（即大脑和自主神经系统）的益处包括调节蠕动收缩（消化、呼吸、痉挛）和脑波同步（唤起放松或精神集中）。研究性脑疗法包括 mTBI/脑震荡、注意力缺陷障碍 (ADD) 和阿尔茨海默氏症/痴呆症的治疗。PBT 的一项主要神经应用是疼痛管理——非药物镇痛，不受甾体和 NSAID 化合物的不良副作用和肾脏损害，或面临阿片类药物和阿片类药物成瘾危险的风险。从机制上讲，皮肤、器官、结缔组织和骨骼表面上的伤害感受器（疼痛传感器）直接对 PBT 做出反应，从而减轻局部疼痛并减少传递到大脑的疼痛信号。PBT 为所有伤害感受器提供缓解，包括机械、酸性、创伤性冷/热和多功能类型。

肌肉组织据报道，光生物调节疗法对肌肉组织的用途包括对骨骼（横纹肌）、通过平滑肌的内脏器官和心肌的影响。PBT 对肌肉组织的一般作用包括改善循环和组织氧合以及对抗炎症和支持免疫反应以对抗微生物感染，并加速受伤肌肉的组织再生。特别是在骨骼肌中，PBT 治疗的好处包括增加组织氧合和增强生物动力学能力，增加抽筋的乳酸阈值，以及控制局部炎症和水肿。PBT 产生的弹性蛋白和胶原蛋白增加还可以改善肌肉柔韧性和扩大的运动范围，从而最大限度地降低高血压、扭伤和肌肉撕裂的风险。在田径和体育运动中，可以在剧烈运动之前使用治疗以最大程度地减少受伤的风险（并合法地提高表现），作为锻炼方案的一部分，在项目之间保持肌肉温暖和松弛，以增强呼吸（肺活量和血氧） )，或在活动后轻轻放松肌肉，抑制抽筋，并加强拉伸。对内脏器官（平滑）肌肉和心肌组织的益处主要是增强血液灌注、输送氧气和使 pH 值正常化以对抗炎症和感染风险。PBT 不仅可以减轻骨骼肌的肿胀、水肿和疼痛，还可以减轻横膈膜（肺）、胃和肠的自主神经肌肉的肿胀、水肿和疼痛。

上皮组织上皮组织作为皮肤（身体抵抗磨损和环境损害的保护层）和消化、呼吸、内分泌和免疫系统的内部（内脏）器官的内衬存在于整个身体中，不仅具有保护作用，而且用于实现半多孔膜，用于将激素、酶、粘液、消化产物和其他生化分子传入或传出器官。光生物调节疗法已在上皮组织上得到证实，包括存在于各种器官中的简单和分层的鳞状、立方状、柱状和传递细胞类型。PBT 对上皮组织的一般作用包括通过重建弹性蛋白和胶原蛋白来保持组织完整性、预防感染和炎症（特别是周围的伤口或溃疡）、保持健康的 pH 值和修复损伤。在甲状腺、前列腺、卵巢、垂体和甲状腺等激素腺中，PBT 有助于调节激素的产生和控制新陈代谢。在唾液腺、乳腺和汗腺等分泌腺中，PBT 还可用于疏通毛孔并预防感染和炎症。PBT 的抗炎功效还有助于衬里循环和淋巴系统的囊泡以及支气管气囊中的上皮组织，以维持健康的心肺功能。这种机制通过血液灌注有益地支持氧气输送（即使大多数上皮缺乏血泡），而不是从相邻组织接收营养。

结缔组织遍布全身的结缔组织包括脂肪中的疏松结缔组织、致密的结缔组织（韧带和肌腱）；软骨和骨骼中的特殊骨骼结缔组织；和专门的血管结缔组织，包括血液和淋巴组织。考虑到其多样化的功能，PBT 根据其在体内发挥的功能或结构作用影响多种结缔组织。在脂肪组织中，据报道，PBT 通过释放甘油三酯和许多其他仍在研究中的机制来缩小脂肪细胞。还已知 PBT 可增加用于再生医学的脂肪衍生干细胞的增殖，包括体内和体外软骨治疗方案。对于包含韧带和肌腱的致密结缔组织，PBT 通常用于治疗关节疼痛、治疗过度伸展和修复其他运动损伤。结缔组织的愈合和疼痛管理涉及多种机制，包括改善循环、刺激组织修复、减少肿胀和对抗炎症。对于特殊的骨骼结缔组织，PBT 可提高骨骼和软骨的创伤后生长速度。PBT 在循环系统中的好处包括改善血液灌注、减少红细胞聚集、增强免疫反应、降低感染率、保持淋巴细胞和 T 细胞的健康种群，以及缩短病毒攻击的恢复时间。PBT 还有助于管理适当的免疫反应，以避免过敏和自身免疫性窘迫。

PBT 处理的生物光子控制在现代光生物调节疗法中，一系列 LED 或低功率激光以治疗方式局部应用于组织或器官，以刺激身体的自然愈合过程。在包括 PBT 在内的所有形式的光医学中，光能量传输系统包括光源（即 LED 或激光器）、电源（稳压电源）、电子控制系统和用户界面（UI/UX）。这种系统统称为生物光子学（其中前缀 bio 是指“活细胞”，而光子学是指对光子（即光）的电子控制）。生物光子 PBT 系统的要求包括：通过 PBM 提供足够的能量以达到有效的治疗效果。防止能量过量以避免抑制治疗效果（双相反应）。提供足够的光焦度以在合理的时间内执行治疗，让患者和进行治疗的治疗师都感到舒适。控制光学传输以防止眼睛损伤和管理烧伤风险（安全）覆盖足够大的治疗区域，以实际治疗器官或肌肉，而不会过度重复或延长治疗时间。最大限度地减少光学反射和折射散射造成的能量损失。生物光子设计中的实际考虑示例如下图所示：

PBT 光子系统的实际考虑因素包括光学治疗区域；治疗师和患者的舒适度；光耦合效率和光均匀性；和安全。在光学区域覆盖方面，使用小光斑尺寸的光（激光或单个 LED）治疗大型器官或肌肉需要反复移动光源并再次执行相同的治疗。这种艰巨的“治疗、移动、重复”过程可能会让治疗师感到不舒服，而且对患者来说很耗时，尤其是在每个位置所需的时间超过几分钟的情况下。生物光子系统的另一个重要方面是光的均匀性。尽管光源面积自然较小，但激光有利地表现出不依赖于激光束源和患者皮肤之间的距离的光功率密度。LED 的情况并非如此，其中穿透皮肤的光强度和穿透光的深度都受 LED 与患者之间距离的影响。前面显示的手持式或 LED 墙板的使用清楚地说明了患者皮肤的明显反射和较差的光均匀性。反射或折射光是浪费的能量，对光生物调节或治疗效果没有贡献。光线均匀性差意味着某些组织可能会接收到过多的光线，而其他部分则几乎处于黑暗中。与光源相关的另一个关键方面是光学穿透深度。如下所示，对于任何给定波长的光，来自 LED 光源的吸收光的穿透深度取决于 LED 或 LED 阵列（此处显示为手持棒）与患者皮肤之间的距离。如果距离很远，光能会传播到更大的组织区域，但穿透的深度会更小。距离越小，皮肤表面的光功率密度越高，光线穿透越深，但治疗面积减少。在几分钟或几十分钟的治疗过程中，将魔杖保持在一个特定的距离和一个特定的位置，充其量是不切实际的，而且对于治疗师来说也是不舒服的。PBT 的治疗益处因光功率传输而变化很大，这是不可预测的 [请参阅 ABP 的产品部分，了解解决这种均匀性和深度难题的方法]。

医疗生物光子系统设计中最关键的考虑因素之一是安全性——精确控制输送到患者组织的能量的大小和持续时间，以最大限度地提高功效，同时避免对皮肤和眼睛造成危险的光线水平。如前所示，虽然长时间将魔杖固定在原位可能不舒服或不切实际并产生不一致的结果，但任何通过增加光功率来加速治疗的尝试都会增加意外造成灼伤或导致失明的风险。如下图所示，光源的功率（显示在 y 轴上）是设置生物光子系统功能和安全性的关键参数。在高功率水平下，细胞被光燃烧和破坏，即被烧蚀。激光手术中采用短时高功率激光脉冲[38]。在强脉冲光 (IPL) 疗法（一种通过首先破坏皮肤来刺激皮肤愈合的有点奇怪的方法）中，使用高功率闪光灯灯泡来烧掉上皮层 [39]。眼睛安全阈值（见眼睛图标）发生在比细胞消融开始低得多的功率水平。对于高于此阈值的功率水平，必须使用安全眼镜确保适当的眼睛安全。安全眼镜是激光光医学的关键要求，部分原因是激光脉冲发生得如此之快，以至于眼睛没有时间眨眼来阻止危险的暴露。

在同一图中，x 轴代表治疗中传递的总能量（剂量）。剂量以焦耳（或每面积焦耳）为单位，是功率和时间的乘积。对于恒定功率治疗 E = P•t，剂量本质上是时间的度量。在激光手术中使用的高功率水平，通常为 10 MW/cm2 至 10 GW/cm2，脉冲持续时间保持较短，使用微秒到皮秒的持续时间以最大限度地减少热扩散到周围组织中。在亚皮秒激光手术中，细胞实际上是汽化的，几乎没有热量传递到相邻的细胞。相比之下，强脉冲光 (IPL) 是一种持续 1 到 10 毫秒（这就是它刺痛的原因）的热过程，辐照度为 10 kW/cm2，总能量密度为 10 到 50 J/cm2。光生物调节治疗的功率水平远低于烧蚀过程（通常低于 1 W/cm2）。报告的辐照度值因治疗区域而异，特别是对于光斑大小取决于光传输方法（直接、光纤、光学）的激光器。鉴于光生物调节的双相行为，选择 PBT 剂量（在期刊中报道的通常范围为 1 到 10 J/cm2）超过最小 PBM 阈值但低于组织脱水的开始。为了最大限度地减少治疗时间以适应手持探头，激光 PBT 采用比 LED PBT 更高的功率水平，这种条件不太适合低剂量治疗。由于激光器可以在高于或低于光学安全极限的情况下运行，即使它们在低功率水平（冷激光器）下的临床使用也需要持续监督。在整个治疗过程中必须严格使用安全眼镜，因为激光故障，无论多么不可能，都可能导致不安全的快速电涌。相比之下，使用基于 LED 的传输系统的 PBM 本质上是眼睛安全的，不会造成眼睛损伤。此外，除了更高的故障安全风险之外，在高辐照度下操作激光只是为了更快地提供小通量（低剂量）PBT 治疗并没有治疗益处。相反，在高光功率密度下，激光束均匀性和治疗时间（即在特定位置进行治疗的时间）的微小变化可能会导致剂量的大变化和治疗功效的更大可变性。激光治疗中的一种常见误解（或误传）是，功率越大的激光发射的光越深，功率越低。这种说法根本没有科学的支持。更高的辐照度（光功率）仅意味着一次传输更多的光子（更亮的光）。单个光子具有的能量（或它可以穿透物质的深度）与光的亮度或光子行进的速度（实际上在给定的材料中是恒定的）无关。相反，根据现代物理学（量子力学），光子的能量（及其相应的穿透深度）仅由其波长（颜色）决定。因此，光生物调节疗法中光的穿透深度取决于其波长和被治疗的组织。例如，如下图所示，两种不同颜色的激光发出的光不同地穿透手指。虽然来自 3 mW 激光器的大部分红光完全通过手指，但来自更强大的 5 mW 激光器的较短波长的绿光被完全阻挡，进一步证明了 PBT 治疗的深度不是由手指的功率决定的。

来源。

（转自：光生物调节 - Applied BioPhotonics Ltd.）