光生物调节在阿尔茨海默病治疗中的研究进展

Research Progress of PBM in the Treatment of Alzheimer’s Disease

摘要: 阿尔茨海默病是一种与年龄相关、发病隐匿、进行性痴呆的疾病。远红/近红外光(FR/NIR)是波长范围在630 nm~1000 nm之间的电磁波，可由低能量激光或发光二极管(LED)产生，该范围内的光线在体内及体外可以产生光生物调节(Photobiomodulation, PBM)效应，近二十年来，PBM作为一种新的治疗方式，在神经病学和精神病学领域得到了广泛的应用。本文回顾了已发表的在动物和临床实验，总结了现阶段对AD发病机制的了解，并对其试验参数、安全性等进行了综述。

Abstract: Alzheimer’s disease is an age-related, insidious and progressive dementia. Far red/near infrared light (FR/NIR) is an electromagnetic wave with the wavelength range of 630 nm~1000 nm, which can be generated by low-energy laser or light-emitting diode (LED). The light in this range can produce photobiomodulation effect in vivo and in vitro, in recent 20 years, as a new treatment, PBM has been widely used in neurology and psychiatry. This paper reviews the published animal and clinical trials, summarizes the current understanding of the pathogenesis of AD, and reviews its experimental parameters and safety.

1. 前言

随着世界人口的老龄化，阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)作为常见的神经退行性疾病，以进行性记忆障碍、认知障碍和人格改变为特征，成为威胁老年人生活质量的疾病之一 [1]。目前至少有3000万人受其影响，预计到2050年，患病人数将超过1.06亿人。人们普遍认为，AD与大脑淀粉样蛋白斑块之间存在某些联系。AD的典型症状是记忆和空间学习困难，语言障碍，丧失动力和行为问题。当前，主要的治疗方法是药物疗法，可暂时缓解症状，但同时也带来一些副作用。据估计，约有70%的AD可归因于遗传因素，许多基因可能参与其中 [2]。此处我们讨论散发性AD。

AD最早由Alois Alzheimer (1864~1915)记载 [3]。由淀粉样β (Aβ)和高磷酸化tau蛋白组成的斑块和神经纤维缠结(neurofibrillary tangles, NFTs)的堆积是AD的两个典型特征。而突触功能障碍被认为是AD症状期认知障碍发生和发展的基础 [4]。有研究表明突触Aβ寡聚体结合减少与线粒体功能增强相关 [5]。NFTs被认为是与认知功能的衰退密切相关，有新的证据表明tau寡聚体是tau聚集体中毒性最大的一种 [6]。这一证据表明，靶向tau寡聚物的积聚，特别是在突触，将减轻突触功能障碍和AD的临床表现进展。

2. NIR与PBM

1967年，匈牙利医生Endre Mester在使用激光治疗小鼠体内肿瘤时，意外发现经低激光照射的小鼠其背部的毛发增长得更快。这一观察被称为激光生物刺激(laser biostimulation)，此后，利用低剂量光进行临床治疗开始走向成熟。除了激光生物刺激，这种治疗还有其它的名称，如：低水平激光(low-level laser therapy, LLLT)，冷激光，软激光，光刺激等。没有一致性的名词界定。2016版的医学主题标题(Medical Subject Headings, MeSH)词汇中增加了光生物调节疗法一词，将非热的PBM疗法与简单组织加热区别开来 [7]。

PBM是利用内源性发色团吸收可见光和NIR光谱范围内的非电离光辐射，从而引起光物理和光化学事件的机制。在不同的生物尺度上引起光物理和光化学事件，而不引起热损伤；PBMT (PBM therapy)是基于PBM原理的光子治疗。它的光源包括激光、LED和可见光及NIR光谱中的宽带光，以引起生理变化和治疗益处 [8]。2007光学和光子学–光谱带中定义NIR的波长介于780 nm~3000 nm，美国试验和材料检测协会ASTM定义波长在780~2526 nm范围内的电磁波为NIR。

据报道，PBM在许多动物和临床研究中是有益的，如帕金森病 [9]、抑郁和焦虑 [10]，PBM可能代表着一种新的治疗AD的有前途的策略。

3. 与NIR疗效相关的因素

已经被证明可以根据功率密度、波长和频率来调节生物过程。但对于使用的最佳波长、功能密度或是连续光(Continuous Wave, CW)和脉冲光(Pulsed Wave, PW)的选择，还没有达成一致意见。

3.1. 波长

控制激光穿透组织深度的最重要参数是波长。但是对于AD病理指征和实际穿透组织和颅骨到达脑组织的最佳波长尚未确定。

有研究表明500~700纳米范围内的波长适用于治疗浅表组织损伤，而800~1000纳米之间的波长适用于较深的组织损伤 [11]。700~770 nm之间的波长被认为没有太大的活性 [12]。Wang等人曾做过测试，通过经颅PBM (tPBM)，发现在660 nm和810 nm光下，灰质和白质中的吸收和通量约为980 nm和1064 nm光的3~4倍 [13]。这可能是由于CCO (PBM在线粒体中的生色团)在此波长有更大穿透力和吸收光谱 [14]。

也有人评估了峰值波长为7700~10,000 nm的中红外光(Mid Infrared, MIR)是否能有效缓解APP/PS1转基因小鼠的病理和认知功能。他们将实验小鼠分成三组：野生型(wild type, wt)小鼠组、APP/PS1模型组以及MIR治疗组，给予MIR治疗组每天1小时，为期6周的MIR暴露。发现MIR也改善了APP/PS1小鼠的学习和记忆功能，并减少了大脑中Aβ斑块的沉积 [15]。

3.2. 能量密度

Zinchenko等人利用发光二极管给予AD小鼠tPBM (1267 nm, 18 J/cm²、25 J/cm²、32 J/cm²、39 J/cm²)，发现较低的1267 nm通量(18 J/cm²和25 J/cm²)对大脑中的Aβ沉积没有改变，而1267 nm (39 J/cm²)实验条件下的Aβ斑块沉积明显减少 [16]。

3.3. CW和PW

De Taboada等人采用定制的二极管激光器，利用tPBM (808 nm ± 10 nm)，以剂量依赖的方式(dose-dependent manner)给药，照射到β淀粉样蛋白前体(amyloid-β protein precursor, AβPP)转基因小鼠的头部。实验组分为四组：CW以及三组PW，功率密度分别为10 mW/cm²、10 mW/cm²、50 mW/cm²以及100 mW/cm²。结果与对照组相比，四个实验组大脑中Aβ斑块的数量均显著减少，且呈剂量依赖性。ATP水平、线粒体功能和C-fos均有所改善。Morris水迷宫测试结果显示PBM能改善认知功能。PW实验的疗效均比CW要好，且三组脉冲参数中，功率密度为50 mW/cm²时，疗效最好 [17]。Hashimi等人也认为，当使用tPBM行LLLT时，PW可以更深地穿透组织，并在组织(头皮)表面产生较少的热量 [18]。但在Tedford的穿透实验中 [19]，并没有观察到应用CW或PW有差异。

3.4. 穿透

弱光的穿透深度也是一个很重要的考量指标。先前的研究表明，tPBM照射的光线可以穿透人体组织20~30 mm [20]，所以光通过头盖骨穿透到大脑，至少到表面区域，是非常可行的 [21]。

红光和NIR的不易被组织吸收、甚至能穿透皮肤及颅骨到达脑组织的物理特性而被用于医学领域 [20]。在Tedford的穿透实验中，采用未固定的尸体组织，用波长为808 nm的光穿透头皮、颅骨、脑膜、大脑，深度可达约40 mm [19]。Jagdeo等人使用红光(630 nm)和NIR (830 nm)穿透经福尔马林保存的尸体，发现tPBM的穿透率为4.4%~10.4%，而红光的穿透率为0.3%~6.3%；穿透具有完整软组织的颅骨时，NIR在枕骨处的穿透率最高，为11.7%，在颞骨的穿透率最低为0.9%，红光的穿透率可忽略不计 [22]。Farzad Salehpour等人曾总结，tPBM (630~810 nm)的平均穿透率在C57BL/6小鼠(颅骨)中为60%~70%，在BALB/c小鼠(颅骨)中为1%~10%，在Sprague-Dawley大鼠(头皮加颅骨)中为10%~40%，在兔颅骨中为20%，猪(头皮加颅骨) 0.11%，人(头皮加颅骨) 0.2%~10% [23]。为当前和今后研究tPBM的使用提供了信息。这些研究为光对AD的影响的探索奠定了基础。

4. PBM起效的可能机制

根据光生物学的第一定律，光子必须被特定的发色团吸收才能对生物系统产生PBM效应。有研究确定线粒体光受体细胞色素C氧化酶是可见光/NIR的主要发色团 [12]。线粒体功能障碍是AD早期发生的一种病理性事件，许多证据表明，线粒体功能失调是AD加重的病理学原因。

细胞色素C氧化酶(Cytochrome C oxidase, CCO)是位于线粒体膜外的电子传递链中的末端酶，它在真核细胞的生物能学中起着核心作用。电子传递链通过一系列氧化还原反应，促进电子穿过线粒体内膜的传递。这些电子转移过程使线粒体膜上产生质子梯度，从而驱动ATP合成酶的活性，通过氧化磷酸化驱动高能量的三磷酸腺苷(ATP)的形成 [24]。ATP是许多细胞功能所必需的。许多人认为可以光刺激线粒体生色团，即CCO，从而增加ATP的形成 [25] [26]。

然而，2019年的一项研究发现，经基因工程编辑的，不表达任何活性CCO的细胞经660 nm波长的光照射后，有与野生细胞(wild type cells)相同的反应 [27]。CCO假说受到质疑。

5. 实验进展

5.1. 小鼠实验

在针对AD动物模型的治疗中发现，弱光不仅能够显著降低大脑皮质和海马中Aβ斑块体积和数量，还能有效减少Aβ诱发的一系列神经损伤。

Lu等人，向成年雄性大鼠双侧海马CA1区注射Aβ1-42，随后对大鼠进行连续5天，每天2分钟的tPBM治疗。结果表明tPBM改善了海马神经退行性变以及长期空间和再认记忆损伤 [7]。

Zinchenko等人通过在小鼠双侧海马CA1区注射Aβ (1-42)肽诱发AD。在小鼠麻醉状态下，利用发光二极管给予(tPBM, 1267 nm, 32 J/cm²)，实验天数为9天，间隔一天进行。每次实验时长61 min，每照射17 min，间隔5 min。免疫组化表明与未治疗的动物相比，经治疗后的小鼠的Aβ斑块沉积明显减少。行为测试表明，tPBM可以改善小鼠的认知、记忆和神经系统状态 [16]。

Blivet等人将β25-35肽注入瑞士雄性小鼠的海马体。使用其创新的装置RGn500，对小鼠进行tPBM (850 nm)治疗。该装置可以在10分钟内释放8.4 J/cm²，每天一次，连续7天地同时照射头和腹部。通过Y迷宫和被动回避实验，小鼠的记忆能力得到改善，而Aβ1-42、pTau、氧化应激(脂质过氧化)、凋亡(Bax/Bcl2)和神经炎症均明显减轻 [28]。

Comerota等人研究发现，暴露于NIR (600~1000 nm) 4周(90 s/day，5 days/week)的wt小鼠的中枢神经系统突触小体上的Aβ寡聚体结合显著减少，并可阻止Aβ寡聚体对长时程增强的抑制。同样，APP转基因小鼠的中枢神经系统突触内源性Aβ显著减少。并且进一步发现，在wt和tg2576小鼠中，这些现象都伴随着突触线粒体膜电位的增加 [29]。此后，Comerota使用相同的暴露方法，发现NIR可显著降低hTau小鼠大脑皮层和海马的总蛋白提取物中内源性总tau蛋白和tau寡聚体的水平(p < 0.05)，并且在3xTgAD小鼠中观察到了相似的结果 [30]。

5.2. 临床试验

PBM能够有效缓解AD的病理症状已在临床试验中得到证实。

Salehour等人报道了一例患者的治疗情况，该患者被诊断为认知功能减退和嗅觉功能障碍。这位患者每天在家中接受两次PBM治疗，每次25 min，使用三种不同的可穿戴LED (635 nm和810 nm, 10 Hz)设备。两周后，患者的蒙特利尔认知(Montreal Cognitive Assessment)评估得分从18分提高到24分，工作记忆问卷(Working Memory Questionnaire)得分从53分提高到10分。艾伯塔嗅觉测试(Alberta Smell Test)和花生酱气味检测测试显示嗅觉功能障碍被逆转。患者生活质量测量提高，照顾者压力减轻 [31]。

Berman等人对MMSE测量在15~25之间受试者(n = 60)进行PBM实验。他们使用了LED (1060~1080 nm, 10 Hz)，对受试者进行每天6 min连续28天的NIR刺激。结果显示，受试者的执行功能(时钟绘制、即时回忆、实践记忆、视觉注意力和任务转换)以及脑电图振幅和连通性测量都有改善的趋势。但其增加线粒体和蛋白酶体中的ATP并诱导神经可塑性的结果并不具有统计学意义 [32]。

Chao等人为了检验经颅和鼻内PBM疗法对痴呆患者的疗效，他们使用了“Vielight Neuro Gamma”(神经伽玛)装置，它可以经颅经鼻向大脑输送NIR，功率密度为25~100 mW/cm²，以40 Hz脉冲NIR (810 nm)的形式给默认模式网络(default mode network, DMN)实施每次20 min的tPBM治疗。4名痴呆患者接受常规护理(UC)，另外4名痴呆患者在家中进行为期12周，每周三次的PBM治疗。受试者在基线、6周和12周接受阿尔茨海默病认知评估量表(ADAS-COG)和神经精神病学问卷(NPI)的评估，在基线和12周进行动脉自旋标记灌注磁共振成像(MRI)和静息功能磁共振成像(MRI)评估。结果发现，在基线时，UC组和PBM组在人口统计学和临床上没有差异。12周后，tPBM组的ADAS-COG (p = 0.007)和NPI (p = 0.03)均有改善，脑血流灌注增加(p < 0.03)，DMN后扣带回皮质与侧顶叶之间的连通性增强。这种连通性的增加与痴呆患者认知能力的提高有关 [33]。

Lim通过810 nm脉冲LED和633 nm连续LED治疗4名AD患者，在一年的观测中，四名患者认知能力均显著提高 [34]。

这些研究表明PBM是治疗AD的一个潜在的候选方案。

5.3. 健康人

Khoury等人也同样使用了vielight经颅装置，比较了受试组和对照组的扫描结果。使用功能磁共振成像(fMRI)研究NIR是否能改变正常年轻人的静息(任务阴性)和/或诱发(任务阳性；如手指敲击)大脑活动模式。fMRI结果显示，虽然光照对脑血流和整体静息状态下的脑活动(任务阴性)没有影响，但在有光和无光条件下，手指敲击后(任务阳性)的诱发脑活动模式存在明显差异。诱发脑区(包括壳核、初级体感和顶叶联合皮质)，总的结果趋于抑制或减少它们的活动。他们还发现，虽然光对壳核和初级体感皮层以及大脑其他部分的静息功能连接没有影响，但它确实对顶叶联合皮质的功能连接有影响 [35]。此外，还有两项针对健康人的人体研究报告称，PBM可改善注意力和短期记忆 [36] 和执行功能 [37]。这些研究是对AD治疗认识的一个重大突破，表明非侵入性PBM在治疗人类AD方面具有巨大的潜力。

6. 思考与展望

6.1. 安全性

PBM治疗是一种光治疗的形式，它是一个非热过程 [38]。有关于PBM副作用的报道，但都是轻微、短暂、少见的，包括轻微的头痛、睡眠困难和头皮轻度瘙痒。到目前为止，还没有关于PBM治疗的严重副作用和安全问题的报告。有实验对大鼠进行了为期一年的连续tPBM (CW, 70 mW ± 16%, 808 nm)治疗，大脑皮层表面的功率密度为10 mW/cm²，未观察到与治疗相关的病变、诱发的瘤变或毒理学上显著的异常，证明了tPBM的长期安全性 [39]。将连接到LED或激光设备的光纤植入BALB/c小鼠或Sprague-Dawley大鼠的侧脑室，NIR没有造成明显的行为缺陷，表明NIR光谱可以应用于颅内，没有毒副作用 [40]。以CW或PW两种方式，用半导体激光器(808 nm)对成年大鼠进行70天的tPBM治疗。发现在375 mW/cm²的功率密度下，大鼠具有良好的耐受性，不会产生明显的行为或组织学缺陷。然而，在750 mW/cm² CW模式下，神经和组织学均出现损害，但其导致神经功能缺损和组织病理学损伤的是热损伤而不是组织–光子的相互作用；在PW模式下，由于血流可以散热，并未发现神经损伤 [41]。证明PBM使用的安全范围较大。

6.2. 优点

激光光源的光束辐照面积窄且只能产生单一波长光线，价格较贵，具有一定局限性。研究发现，激光和LED能产生相似的光生物学效应 [33]，且波长范围广、辐照面积宽、费用较低。由于PBM具有良好的耐受性，且无副作用，因此PBM疗法有了作为痴呆患者家庭治疗方案的潜力 [42]。除此之外，PBM还有实时性、无创性、可床边开展等优势。

7. 展望

PBM治疗AD打开了突破性的战略，并清楚地证明tPBM可能是预防或延缓AD治疗靶标。但针对AD的tPBM可能需要长期持续使用下去，在受试者当中观察到，当PBM治疗停止时，受试者的认知状况出现倒退 [43]。光在大脑中的穿透会受到多个组织(头皮、颅骨、硬脑膜、血液和脑脊液)的阻碍而衰减，如果能够将光在脑中的能量数字化，将有助于优化PBM参数和提高tPBM治疗的疗效。许多可控的因素还需要大量的临床研究来发现和改善，使治疗方案标准化。许多研究的样本量较小，以及不清楚家庭PBM是否严格按照要求操作，未来的研究应该考虑增加其他量化的、标准化的方法来记录受试者的变化。同时，还需要更多的研究来更好地理解PBM作用的分子机制。尽管仍有许多悬而未决的问题，但通过无创的tPBM刺激神经元线粒体提高神经代谢活性可能是预防或延缓可能导致痴呆的年龄相关性认知衰退的有价值的工具。

基金项目

青岛市卫健委医药科研计划(2017-WJZD079)。

NOTES

^*通讯作者。