腦缺血激光治療

1、腦缺血激光治療田豐 周妍煌 宋雪菲 張穎寅 陳志凱摘要：低能量激光輻射對(duì)遭受局部缺血（如缺血型中風(fēng)）的哺乳動(dòng)物具有細(xì)胞保護(hù)作用以及增加中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元存活率的作用。為治療腦缺血缺氧引起的疾病提供了有效的治療方法。關(guān)鍵詞：低能量激光輻射，腦缺血缺氧Ischemia laser treatmentTian Feng Zhou Yanhuang Song Xuefei Zhang Yinying Chen ZhikaiAbstract: Cytoprotective effect and increase of survival of neurons in the Central Nervous

2、System (CNS) of mammals following ischemia (as in stroke), by low energy laser (LEL) irradiation .At the same time,it provids a new method to treat the ischemiaKey words: low energy laser (LEL) irradiation, Ischemia,一、引言腦缺血缺氧一直困擾著人類的生活，其中表現(xiàn)最為突出新生兒氧缺血性腦病(HIE)是一種較復(fù)雜的疾病,是新生兒其最大的常見(jiàn)病.其腦細(xì)胞代謝異常在其發(fā)病中起重要作用,常

3、引起新生兒死亡,和其后神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育障礙,為了降低新生兒病死率及致殘率，迫切需要一種有效治療方法的出現(xiàn)。激光作為上個(gè)世紀(jì)四大發(fā)明之一，具有單色性好、相干性好和方向性好三大特點(diǎn)。同時(shí)激光在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的臨床應(yīng)用范圍廣，精確性高，副作用小，是臨床治療某些疾病的理想方法，在醫(yī)學(xué)科學(xué)和臨床實(shí)踐中起著越來(lái)越重要的作用。 弱激光（lel:low level laser）即照射不會(huì)對(duì)生物組織直接造成不可逆損傷的激光，首當(dāng)其沖的成為了研究的熱點(diǎn)。最近發(fā)現(xiàn)低能量的的激光（lel:low energy laser）照射可以在不同的生物學(xué)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)多種多樣的生理過(guò)程，作用于外傷的低能量激光輻射產(chǎn)生的效用，已經(jīng)被應(yīng)用于皮

4、膚、周圍神經(jīng)和骨骼肌的治療中。Assia et al (Temporal parameters of low energy laser irradiation for optimal delay of post traumatic degeneration of Ito rat optic nerve, Brain Research 476: 205-212, 1989)指出低能量的激光照射碾碎的視神經(jīng)，可以延遲后損傷過(guò)程的惡化和疤痕組織的形成。Schwartz指出lel與腫瘤壞死因子(TNF：tumor necrosis factor)的聯(lián)合使用可以增強(qiáng)腫瘤壞死因子的作用；有人提出受損周圍神

5、經(jīng)的再生可以被lel加速 (Rochkind S. Stimulation effect of laser energy on the regeneration of traumatically injured peripheral nerves. The Krim National Medical Inst. Morphogenesis and Regenerations Vol. 73: pp. 48-50, 1978)。以前曾有人提出損傷的周圍神經(jīng)的再生可以被加速（Rochkind S. Stimulation effect of laser energy on the regenera

6、tion of raumatically injured peripheral nerves.The Krim National Medical Inst. Morphogenesis and Regenerations Vol. 73: pp. 48-50, 1978)Nissan M. Rochkind S. et al（HeNe laser irradiation delivered transcutaneously: its effect on sciatic nerve of rats. Laser. Surg. Med. Vol. 6: pp. 435-438, 1996)也證實(shí)經(jīng)

7、皮的lel施于坐骨神經(jīng)，誘使被照射的神經(jīng)發(fā)出的電信號(hào)振幅加強(qiáng)，也就是動(dòng)作電位增大。以前有過(guò)報(bào)道，低能激光照射可以減輕由骨骼肌細(xì)胞引起的炎癥反應(yīng)(Bibikova A. & U. Oron. Promotion of muscle regeneration following cold injury to the toad (Bufo Viridis) gastrocnemius muscle by low energy laser irradiation. Anat. Rec. (1993) vol. 235 pp. 374-380 and N. Weiss & U. Oron

8、 Enhancement of muscle regeneration in the rat gastrocnemius muscle by low energy laser irradiation. Anat. Embryol. (1992) Vol. 186 pp. 497-503).以上的現(xiàn)象表明lel輻射允許在細(xì)胞在苛刻的條件下如較低濃度或沒(méi)有氧氣供應(yīng)的環(huán)境下維持他們的生存能力。被輻射的細(xì)胞很可能沒(méi)有惡化到與未被輻射的細(xì)胞相同的程度，因此炎癥反應(yīng)，特別是被損傷了的正在惡化的組織的炎癥反應(yīng)有顯著的減少。而且，輻射被發(fā)現(xiàn)可以增強(qiáng)受損骨骼肌的新血管的形成過(guò)程（Bibikova A. Belk

9、in A. and Oron U. Enhancement of angiogenesis in regenerating gastrocnemius muscle of the toad, (Bufo Viridis)。by low energy laser irradiation. Anat. Embryol. (1994) Vol. 190 pp. 597-602).這一系列的發(fā)現(xiàn)為低能量激光在治療腦缺血缺氧領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了可能。且最終證實(shí)低能量激光輻射對(duì)遭受局部缺血（如缺血型中風(fēng)）的哺乳動(dòng)物具有細(xì)胞保護(hù)作用以及增加中央神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元存活率的作用。二、激光治療原理（一）腦缺血的原因及危

10、害 腦動(dòng)脈瘤栓塞、腦動(dòng)脈粥樣硬化、頸椎增生壓迫椎動(dòng)脈，心臟病和低血壓等均能引起腦缺血的發(fā)生。常見(jiàn)癥狀包括： 一側(cè)視力喪失，一側(cè)上肢或下肢或手部無(wú)力，部分肢體麻木或感覺(jué)異常；失語(yǔ)、眩暈、復(fù)視；患者突然倒地，但意識(shí)完全清楚，并且立即可以自行站起。 缺血性腦損傷包括兩種情況：一是局部腦血管閉塞,即腦卒中,該病變導(dǎo)致缺血中心區(qū)不可逆的神經(jīng)損傷和周邊缺血半暗帶區(qū)的可逆性神經(jīng)損傷;另外一種是全腦血流量的減少或中斷(如心源性休克!冠狀動(dòng)脈閉塞等原因),這種情況所導(dǎo)致的腦缺血損傷部位具有選擇性,對(duì)缺氧損傷敏感的神經(jīng)細(xì)胞此時(shí)易發(fā)生缺血性病變。 在受損或急性局部缺血（無(wú)氧氣供應(yīng)）的情況下，哺乳動(dòng)物的中央神經(jīng)系統(tǒng)的

11、神經(jīng)元幾乎沒(méi)有重新生長(zhǎng)的能力。由于一個(gè)或更多的給大腦供血的動(dòng)脈的閉塞就可以引起大腦中某一區(qū)域的神經(jīng)細(xì)胞或其他細(xì)胞的供氧戲劇性減少或完全沒(méi)有氧氣供應(yīng)。伴隨這些事件的，將是大腦神經(jīng)元逐漸惡化最終導(dǎo)致急性缺血區(qū)域的壞死。最終由于大腦神經(jīng)細(xì)胞的功能紊亂而出現(xiàn)下體癱瘓、四肢麻痹等明顯的臨床綜合病癥。（二） 細(xì)胞再生的可能成年動(dòng)物腦中神經(jīng)細(xì)胞的再生發(fā)生在兩個(gè)區(qū)域:其中一個(gè)位于側(cè)腦室壁的腦室下層（subventricularzone,SVZ),該區(qū)可產(chǎn)生新的內(nèi)源性神經(jīng)元,并沿嘴側(cè)遷移路徑(rostralmigratorystream，RMS)遷移至嗅球(olfactorybulb，OB)；另一區(qū)域?yàn)楹ｑR齒狀

12、回(dentatgyrus,DG)的顆粒下層(subgranulazone,SGZ),SGZ的干細(xì)胞可發(fā)育形成新的顆粒細(xì)胞正常的生理刺激和病理刺激均可調(diào)控神經(jīng)再生。腦缺血后神經(jīng)再生的調(diào)控機(jī)制還不是很清楚，但Jin等研究發(fā)現(xiàn)腦缺血損傷后體內(nèi)SVZ和SGZ區(qū)的神經(jīng)再生可能和內(nèi)源性FGF22和SCF的產(chǎn)生有關(guān)。腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-berived neurotrophic factor，BNDF)也可以促進(jìn)腦缺血后神經(jīng)再生。紅細(xì)胞生成素(Erythropoietin,EPO可能是另一種影響腦缺血后神經(jīng)再生的重要因素。腦缺血缺氧可以導(dǎo)致EP的增加,EPO受體在SVZ區(qū)存在表達(dá)。谷氨酸機(jī)制可能

13、也參與了全腦和局部性腦缺血后SGZ區(qū)神經(jīng)的再生的調(diào)節(jié)。（三） 激光的選擇 低能量激光對(duì)生物組織的潛在作用自從牙利外科醫(yī)生Mester在上個(gè)世紀(jì)60年代末以來(lái),就成為一個(gè)有爭(zhēng)論、很活躍的研究課題。低能量激光照射可以產(chǎn)生多種生物調(diào)節(jié)效應(yīng)(biomodulationeffects),其中免疫調(diào)節(jié)效應(yīng)研究的較早,較為深入,而這種調(diào)節(jié)作用既可以是刺激作用,也可能是抑制效應(yīng),具有雙重調(diào)節(jié)性。弱激光照射可以影響機(jī)體免疫功能，對(duì)神經(jīng)組織和功能有刺激作用，還可以引起生物機(jī)體內(nèi)一系列其他的生物效應(yīng)。 1、激光生物刺激作用具有如下特點(diǎn)： (a) 刺激或抑制：激光照射小劑量起刺激作用，而大劑量反而起抑制作用；大小劑量

14、的劃分則隨生物的結(jié)構(gòu)和機(jī)能的不同而不同。 (b) 積累作用：小劑量He-Ne激光有積累作用，即以一次大劑量照射或?qū)⒃搫┝糠殖尚┝慷啻握丈?，所起的生物效?yīng)一樣大。 (c) 拋物線效應(yīng)：即照射次數(shù)有閥值，效應(yīng)不隨次數(shù)正比增大，有一極大值，達(dá)極大值后，再增加照射次數(shù)，刺激作用反而減弱，甚至變成抑制作用。 2、弱激光刺激作用的機(jī)理研究： 人們提出了很多假說(shuō)主要有 ：（1）Gurvich生物場(chǎng)理論： 這種理論認(rèn)為，完整機(jī)體的組織和器官的聯(lián)系并不限于體液的作用和神經(jīng)系統(tǒng)的控制機(jī)制。由于每一細(xì)胞、組織、器官及其周圍都存在著生物場(chǎng)，從而使高級(jí)水平的結(jié)構(gòu)（機(jī)體、器官）能夠?qū)Φ图?jí)水平的結(jié)構(gòu)（組織、細(xì)胞）施加正常

15、的影響。 （2） Mester的線偏振光定向電場(chǎng)力改變細(xì)胞膜的構(gòu)想假說(shuō)： 這種理論認(rèn)為，細(xì)胞膜是類脂雙分子層結(jié)構(gòu)，而類脂分子是電偶極子。當(dāng)用線偏振光照射細(xì)胞時(shí)，線偏振光的電場(chǎng)力強(qiáng)迫類脂分子極化方向沿著偏振光的電場(chǎng)方向重新排列，結(jié)果改變了細(xì)胞膜上類脂雙分子層的構(gòu)象，從而影響到了與細(xì)胞膜有關(guān)的每一個(gè)過(guò)程，如細(xì)胞的能量代謝、免疫過(guò)程的和酶的反應(yīng)等。 另外還有Lnyushin的生物等離子體學(xué)說(shuō)、光色素吸收激光能量調(diào)節(jié)生命過(guò)程假說(shuō)、細(xì)胞膜受體作用導(dǎo)致細(xì)胞的光照活化效應(yīng)假說(shuō)等，但是沒(méi)有一種假說(shuō)能得到普遍接受。弱激光血管內(nèi)照射醫(yī)療機(jī)理在于對(duì)生物酶活性的提高，而生物酶活性的提高在于弱激光引起氨基酸分子的共振和

16、頻率加強(qiáng)以及引起氨基酸分子從低一級(jí)向上一級(jí)的躍遷，這種機(jī)理我認(rèn)為同樣適用于腦缺血的治療。三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 發(fā)明者用以下三個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了，利用低能量激光進(jìn)行腦缺血缺氧治療的可行性。1、實(shí)驗(yàn)一：12只成熟的重量在250300克的Sprague-Dawley rats的左頸動(dòng)脈可由頸部前中線縱向切割頸獲得，之后用絲線（40）將其結(jié)扎。六只老鼠的大腦被二極管激光照射。在輻射前縱向切割頭皮以暴露頭骨。激光源（波長(zhǎng)807mm，最大輸出功率為400mW）附在頭骨的頂骨（構(gòu)成頭頂和頭兩側(cè)壁的顱骨）的兩點(diǎn)處，一個(gè)在眼睛之間，另一個(gè)在其之后1cm。輻射的持續(xù)時(shí)間為兩分鐘。在預(yù)備實(shí)驗(yàn)中激光束通過(guò)頭骨后的散射由紅外探測(cè)器測(cè)

17、量。到大腦組織的激光能量密度為8mW/sq. cm。其它六只老鼠有激光器附予其頭骨上，但是沒(méi)有能量源的連接。在各種神經(jīng)紊亂的外科手術(shù)后，小鼠被跟蹤研究。所有未接受激光照射的老鼠表現(xiàn)出左邊眼皮下垂和較輕微的神經(jīng)學(xué)上的動(dòng)力不足（motor neurological deficits）在左頸動(dòng)脈被阻塞12小時(shí)后。被激光照射的六只老鼠表現(xiàn)如下：有一只老鼠只表現(xiàn)出左邊的眼皮下垂，其他的老鼠既沒(méi)有眼皮下垂的表現(xiàn)也沒(méi)有其它neurological deficits.。2、實(shí)驗(yàn)二：用與實(shí)驗(yàn)一中處理大鼠一樣的方法將15只重量在2535克小鼠的左頸動(dòng)脈阻塞。七只小鼠被與實(shí)驗(yàn)一種一樣的激光照射。輻射通過(guò)覆蓋頭骨的皮

18、膚進(jìn)行。激光的輸出能量被設(shè)置，令小鼠暴露在能量為5 mW/sq. cm的激光下兩分鐘。在頭骨上的激光束被散射到直徑大概為1.5cm的范圍內(nèi)，只有在頂骨中心的一束輻射起作用。輻射覆蓋了大腦的整個(gè)背部。其它8只小鼠作為對(duì)照組，經(jīng)歷與被激光輻射小鼠同樣的過(guò)程，但是激光器沒(méi)有被打開(kāi)。由左頸動(dòng)脈結(jié)扎導(dǎo)致小鼠中風(fēng)后，每天觀測(cè)小鼠的神經(jīng)紊亂（不足）和體重減少的情況，結(jié)果見(jiàn)表格1。 從表格1可以看出，神經(jīng)缺陷neurological deficits例如有眼皮下垂、后退的的局部麻痹（表現(xiàn)為移動(dòng)有困難）等的現(xiàn)象顯著高于用于對(duì)比的未被照射的小鼠。此外，八分之七被考查的對(duì)照小鼠由于左頸動(dòng)脈的結(jié)扎導(dǎo)致體重下降一半并最

19、終導(dǎo)致死亡。被照射的小鼠沒(méi)有因?yàn)樽箢i動(dòng)脈的結(jié)扎而導(dǎo)致體重驟減甚至死亡。因此得出以下結(jié)論，激光照射很有可能對(duì)中央神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)細(xì)胞或在整體上對(duì)中央神經(jīng)系統(tǒng)有保護(hù)的效用。這種效用在這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭凶柚鼓切┩ǔ?dǎo)致死亡的不利結(jié)果的發(fā)生?？梢韵胂笸瑯拥谋Ｗo(hù)機(jī)制很有可能在人類的中風(fēng)和其他缺血情況中對(duì)其中央神經(jīng)系統(tǒng)有著有利的作用。3、實(shí)驗(yàn)三 作為以上實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，低能激光輻射穿透人類頭骨的實(shí)驗(yàn)通過(guò)一個(gè)新鮮的人頭骨進(jìn)行。應(yīng)用GaAs二極管激光器(最大輸出功率為800mW)，并將laser meter至于頭骨空腔的內(nèi)部以探測(cè)穿透頭骨后的激光散射（用激光紅外探測(cè)器）和激光能量。在激光穿透頂骨區(qū)域（厚約8mm）的頭骨

20、壁后，激光束的直徑由在頭骨外部的2mm散射到了頭骨腔內(nèi)的3.5cm。在頭骨空腔內(nèi)的能量密度為3mW/sq.cm.。由于人類鱗狀骨區(qū)域（旁邊區(qū)域）厚度大概為5mm，故可以料想激光的穿透能量會(huì)比較好。以上的研究表明人類的頭蓋骨可以當(dāng)作“天然的透鏡”散射激光束，從而是大腦的大部分區(qū)域被激光輻射。如果外部的激光源工作在一合適的輸出能量范圍下，通過(guò)低能激光穿透人類頭骨而將能量傳遞給腦細(xì)胞的方法是可行的。這些能量可以在中風(fēng)和其它相關(guān)的紊亂發(fā)生后對(duì)腦細(xì)胞進(jìn)行有利的生物刺激。四、 設(shè)備的組成設(shè)備10示意圖 設(shè)備10包含了多種激光源，例如二極管激光，提供頭蓋骨的多方向和多焦距的輻射。光源（12）附在由金屬、塑料

21、或其他遮擋輻射的材料組成的頭骨覆蓋物（14）上，光源由附在頭骨覆蓋物內(nèi)部或外部的激光控制器（15）控制。每個(gè)光源通過(guò)“引導(dǎo)”（16）（例如光纖或者波導(dǎo)），將激光能量運(yùn)送到頭骨。激光源12與包含一個(gè)或者更多的可以移動(dòng)激光源遠(yuǎn)離或者靠近頭蓋骨從而控制引導(dǎo)（16）末端與頭骨間距離的驅(qū)動(dòng)器（20）相連接。頭骨覆蓋物（14）能覆蓋整個(gè)頭骨包括腦干、或者交替的只覆蓋一部分。設(shè)備10包含一個(gè)或更多的指示燈（22），指示燈能提供各種各樣的操作指示信號(hào)，例如故障警告信號(hào)。頭骨覆蓋物（14）在頭骨接觸周邊有密封材料（24）以防偏離的輻射逃逸。設(shè)備10還包含了有液晶顯示的計(jì)時(shí)器（26）是操作者對(duì)輻射過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

22、。設(shè)備40設(shè)備40基本上與設(shè)備10一樣，同樣的相同的數(shù)字標(biāo)號(hào)代表相同的組成元素，它對(duì)于新生兒非常的適用。在生產(chǎn)的過(guò)程中，新生兒常遭受與壓力有關(guān)的不同的類型的的問(wèn)題，例如大腦中氧氣和血液的供應(yīng)不足是引起嬰兒病態(tài)和死亡的主要誘因。引起大腦受損和其他不利結(jié)果的因素的綜合復(fù)雜的。嚴(yán)重的組織缺氧局部缺血和拖延的但不是很嚴(yán)重的組織缺氧都能引起大腦損傷。(Low J A, Cerebral perfusion, metabolism and outcome; Curr Opin Pediatr 7(2): pp. 132-9 April 1995)。許多病態(tài)的情況與組織缺氧有關(guān)，例如組織缺氧局部缺血腦?。╤

23、ypoxic-ischemic encephalopathy）、腦癱、頭小畸形、智力低下等等。設(shè)備40在處理新生兒中有顯著的作用，例如在分娩過(guò)程中，其激光源（12）可以快速、高效的運(yùn)輸激光能量到新生兒的頭蓋骨中。在它的這種用途中，如果需要的話設(shè)備（40）可能不裝配頭骨覆蓋物（14）。根據(jù)特定的要求為激光源（12）計(jì)算出不同的能量傳輸系數(shù)。激光源的位置和激光束進(jìn)入頭骨的路徑是取決于多種因素，例如基于新生兒解剖學(xué)的考慮（例如基于鹵門的解剖學(xué)特點(diǎn)）等等。五、總結(jié)低能量激光器的使用，可以方便的對(duì)腦部缺血進(jìn)行有效的治療，但整個(gè)治療裝置體積較大，不利于進(jìn)行家庭化，激光源的選擇種類也不夠多，還有待發(fā)展。參考

24、文獻(xiàn)：Amir (Rishon le Zion, IL) . Ischemia laser treatment. United States Patent.Pal Greguss. BIOSTIMULATION OF TISSUE BY LASER RADIATION. SPIE Vol. 1353 Lasers and Medicine (1989)Cezary PeszyñskiDrewsa, Andrzej Klimek", Marek Sopiñskia, DominikObrzejtaa. Laser biostimulation of the patients suffering from multiple sclerosisin respect of biological influence of laser light. Pr