Laserterapian mekanismit

Matalatehoista laservaloa (LLLI) käytetään nykyisin laajalti eri lääketieteen osa-alueilla. Useita hypoteeseja LLLI:n vaikutuksista on selitetty, mutta tähän asti matalatehoisen laservalon positiivisia vaikutuksia elimistöön ei ole täysin ymmärretty.

Mester aloitti laserin biologisten vaikutusten tutkimisen jo 1960-luvun alkupuolella. Tutkimukset keskittyivät laservalon vaikutukseen kroonisten säärihaavojen arpeutumisen nopeuttajana. Matalatehoisen lasersäteilyn havaittiin lisäävän tietyntyyppistä solujakautumista, joka erityisesti näkyi fagosytoosiin osallistuvien valkosolujen määrän lisääntymisenä. Fibrosyyttien toiminta kiihtyi ja kollageenimuodostus moninkertaistui. Nämä muutokset olivat voimakkaimmillaan haavauma-alueilla sen jä1keen, kun niissä oli ensin tapahtunut veri- ja lymfasuoniston uudismuodostusta ja niissä oli runsaasti granulaatiokudosta.

Arndt-Schulzin lain mukaan heikot ärsykkeet aktivoivat elimistön toimintoja, voimakkaat hidastavat niitä tai saavat ne lakkaamaan kokonaan.

Laserin kudosvaikutuksia on tutkittu ihmissoluviljelmillä ja koe-eläimillä.

Useita paikallisia ja systeemisiä biologisia prosesseja tapahtuu sairaassa elimistössä laservalon vaikutuksesta. Optimaaliset parametrit täyttävän laservalon vaikutus on tasapainottava ja se lisää organismin sopeutumiskykyä sekä kiihdyttää paranemisprosessia.

LLLI:n kliinisten ja biologisten vaikutusten ensimmäinen vaihe on energiakvantin absorboituminen kudoksiin, josta seuraa primäärisiä fotofyysisiä ja valokemiallisia reaktioita. Absorptioprosessit ovat riippuvaisia sekä biologisen kohteen optisista ominaisuuksista että laservalon säteen parametreistä.

Ultravioletti-, näkyvän- ja infrapunavalon aallonpituuksilla on biologisia vaikutuksia.

Valon ansiosta organismissa kehittyvät fotobiologiset prosessit lepäävät valokemiallisten reaktioiden ja niistä syntyvien fotofysikaalisten prosessien perustalla.

Fotofyysiset vaikutukset rajoittuvat pääasiassa kohteen lämpenemiseen (0.1-0.3°C) sekä lämmön diffuusioon kudoksissa. Valokemialliset reaktiot rakentuvat valoa absorboivan aineen atomeissa olevien elektronien virittymiseen. Molekyylitasolla ne ilmenevät aineen fotoionisaationa, sen pelkistymisenä tai foto-oksidaationa, molekyylien fotodissosiaationa, sekä niiden toisiintumisena - fotoisomeerisenä muutoksena.

Seuraava vaihe vuorovaikutuksessa laservalon ja organismin välillä on positiivisten parantavien koko kehon vaikutusten syntyminen. Näitä reaktioita käytetään LLLI:ssä. LLLI:n kliinisten vaikutusten on todettu perustuvan kahteen pääprosessiin. Ensimmäisessä pääprosessissa resonoivat valokvantit absorboituvat yhteen tai useampaan kromoforimolekyyliin (ensisijaisiin vastaanottajiin), toinen pääprosessi on energian ei-resonoiva lämpö-absorbtio biologisiin molekyyleihin ja veteen. Ei-resonoivan energian absorptio aiheuttaa makromolekyylien ja solukalvorakenteiden paikallista lämpenemistä, mikä puolestaan aiheuttaa näiden rakennemuutoksia ja vastaavasti toiminnan muutoksia.

Lämpöero korostuu kalvorakenteissa joka johtaa Na+ ja K+ ionien ulosvirtaukseen soluista, proteiinikanavien avautumiseen sekä molekyylien ja ionien kuljetuksen kasvuun.

Lasersäteily aiheuttaa biologisten kudosten lämpöjakauman sekalaisuutta, mikä johtuu absorboivien keskusten (biologisten kalvojen, proteiinien, liuoksen ionien jne.) epätasaisesta sijoittumisesta. Tällainen epäsäännöllisyys voi vaikuttaa merkittävästi aineenvaihdunnallisiin prosesseihin kudoksissa ja soluissa, koska se muokkaa solukalvoja ja muuttaa niiden sähköistä jännite-eroa.

LLLI:n vaikutusteho kudoksissa voidaan arvioida mitattavilla solukalvojen mikromuutoksilla tai solukalvojännitteen muutoksilla. Nämä arvot määrittää lämpötilagradientti, joka vuorostaan riippuu solukalvon lähialueiden lasersäteilyn absorptiokerrointen erosta. Tämä antaa ymmärtää, että säteilyn polarisaatio tai koherenttius eivät vaikuta säteilytyksen tehoon ja lopputulokseen. Tärkein parametri näyttäisi olevan säteilyn aallonpituus. Tämä liittyy erilaisten epätasaisesti kudoksiin jakautuneiden aineiden valokirjon absorptiokerrointen eroihin.

Tällaisissa käsittelyissä laservalon tärkeimmät edut tulevat ilmeisiksi: suuri spektritiheys ja monokromaattisuus, jotka takaavat suuren biologisten kudosten lämpöjakauman vaihtelun solujen mikrorakenteiden lasersäteilyn absorptiokerrointen erosta.

Monet tutkijat ovat todenneet tämän biostimulaation vaikutuksien riippuvuuden monokromattisuudesta sekä koherenttiuden tai polarisaation vähemmästä vaikutuksesta.

M.A.Kaplan (1997) totesi eri aaltopituuksilla toimivien lasereiden huomattavia vaikutuksia. Punaisella valolla (630 nm, 640 nm) on osoitettu olevan yleisesti stimuloiva vaikutus. Sininen valo (470 nm,480 nm, 490 nm) sekä oranssi ja keltainen (570 ja 580 nm) valo vähentää biologista aktiviteettia. Muut tutkijat ovat todenneet helium-kadmium laserin (441 nm) ja typpilaserin (337 nm) biologisia vaikutuksia. Vihreällä (500 nm) ja violetilla (415 nm) valolla on todettu myös olevan biostimulatiivisia vaikutuksia. Galliumarsenikki-puolijohdelaserilla (890 nm) on todettu olevan hiusverisuonten verenkiertoa kiihdyttävä vaikutus.

Karu (1986), Abergel (1984) sekä Cisneros (1984) ovat osoittaneet lasersäteilyn lisäävän kollageenimuodostusta ja siten vaikuttavan mm. keloidin muodostukseen. Patologisen runsas keloidimuodostus lakkaa HeNe -lasersäteilyn vaikutuksesta, arven väri vaalenee ja jo syntyneet arpimuodostumat mataloituvat. Helium-Neon laserin on todettu lisäävän kollageenimäärää ihmisen sidekudossolujen viljelmässä (Bulton ja Marshall, 1986). Samassa tutkimuksessa havaittiin kollageenituotannon lisääntyvän eniten soluissa, jotka ennen käsittelyä sisälsivät vain vähän kollageenin esiastetta (prokollageenia). Tämä selittää ehkä sen, miksi monesti on havaittu laserin nopeuttavan vanhojen, hitaasti paranevien haavojen umpeutumista, kun taas tuoreiden haavojen paranemisnopeudessa ei ole huomattu muutoksia laserhoidon jälkeen (Karu, 1988). Dysonin ja Youngin (1986) mukaan olennaisia tekijöitä haavan paranemisessa ovat elektromagneettisen säteilyn aallonpituus, sekä sykkivän säteilyn taajuus. Kokeellisissa olosuhteissa he ovat havainneet aallonpituuksien 632, 660, 820 ja 870 nm aktivoivan makrofageja vapauttamaan yhdisteitä, jotka lisäävät arpikudosta muodostavien fibroblastien jakaantumista. Ero oli selvä kontrolliin nähden. Sen sijaan 880 nm:n aallonpituudella annettu säteilytys hidasti fibroblastien jakaantumista ja näin ollen paranemista.

N.F.Gamaleya on ehdottanut, että LLLI:n biologiset vaikutukset perustuisivat luonnollisiin valonsäätelymekanismeihin, joita on todettu eläimillä. Samantyyppisten toimintojen mekanismi tunnetaan paremmin kasveilla, joissa ei vain valonsäätelymekanismit, vaan myös primääristen fotoreseptoreiden toiminnan tuntemus on vakiintunut. Perustuen teoriaan, jossa eläinsolussa on kasvisolujen fytokromien tyyppisiä systeemejä, helium-neon laserin vaikutuksen katsotaan perustuvan siihen, että sen valonaaltopituus korreloituu näiden systeemien osien absorptiokerrointen kanssa.

Eri koekohteiden biologisissa vaikutuksissa on todettu olevan yhtäläisyyksiä porfyriiniyhdisteiden absorptiospektrien kanssa. Näitä ovat mm. hemoglobiini, sytokromit, sytokromisarjan entsyymit;katalaasi sekä superoksididismutaasi.

S:M:Zubkova (1987) ja G.E.Brill (1992) ovat esittäneet, että antioksidanttisysteemiset entsyymit saattavat toimia Helium-Neon laservalon ensisijaisina vastaanottajina. Nämä tutkivat ferroprotoporfyriiniä sisältävää entsyymiä, katalaasia, sekä supeoksididismutaasia (SOD) joka sisältää useita metalleja (Cu2+, ZN2+, Mn2+) voimakkaasti sitoutuneina proteiineihin. Molemmilla entsyymeillä on absorptiopiikki 633 nm kohdalla. Katalaasin ja SOD:n toiminnan kiihdyttäminen punaisella valolla säteilyttäen vaikuttaa positiivisesti organismin antioksidanttisysteemeihin, jonka seurauksena rasvojen peroksiiidin hapettuminen vähenee. Tällä on vuorostaan fysiologisia vaikutuksia monissa taudeissa.

T.I.Karu (1989,1994) esitti hypoteesin LLLI:n vaikutuksista solujen hengitysketjun komponentteihin. Hän esitti, että He-Ne laservalon kromoforit olisivat sytokromi a sekä sytokromioksidaasi.

Tämän teorian mukaan LLLI: n toimintamekanismi etenisi seuraavasti:

1) hapenpuutostiloissa entsyymien ja hengitysketjun välittäjäaineiden määrä sekä mitokondrian solukalvon potentiaali laskevat;

2) LLLI uudelleenaktivoi nämä entsyymit (esim. sytokromioksidaasi), joka vuorostaan palauttaa elektronien liikkeen hengitysketjussa, siten muuttaen mitokondrian kalvopotentiaalia. Tällöin mitokondrian solukalvopotentiaali nousee, ATP:n tuotanto soluissa helpottuu ja O2+:n kuljetus aktivoituu. ATP.n tuotannon, sekä O2+ ionikonsentraation nousu saavat aikaan solunsisäisten prosessien kiihtymistä.

G.I.Klebanov et. al. (1998) muodosti hypoteesin LLLI:n fotodynaamisesta vaikutusmekanismista. Hypoteesi on pääpiirteittäin seuraavanlainen:

1. Punaisen valon kromoforeina toimivat sisäsyntyiset porfyriinit, jotka pystyvät absorboimaan valoa tällä aaltopituudella ja ovat tunnetusti valolle herkistäviä aineita. Porfyriinien määrä organismissa nousee monen taudin ja toimintahäiriön yhteydessä.

2. Matalatehoista valoa absorboivat porfyriinit herättävät valoherkisteisiä radikaalireaktioita, mukaan lukien lipidiperoksidien aiheuttamat solukalvojen hapettumiset. Tämän seurauksena vapaassa muodossa olevan hapen määrä nousee ja solukalvojen ionien läpäisevyys, myös O2+ ionien määrä nousee. Solun ulkopuolisten O2+ ionien määrä on 3-4 kertaa suurempi kuin solun sisällä. Siten pienet muutokset läpäisevyydessä saavat aikaan O2+ ionien siirtymistä solun sisälle.

3. O2+ ionien määrän nousu leukosyyttien solulimassa käynnistää happiriipuvaiset prosessit, jotka antavat leukosyyteille ensiherätteen (engl. priming). Ensiherätteelle keskeistä on, että leukosyyttien vuorovaikutus minkä tahansa alhaisessa pitoisuudessa olevan heräteaineen kanssa, joka ei johda solujen välittömään aktivaatioon, silti johtaa leukosyyttien toimintakyvyn nousuun. Tämän heräteaineen lisäyksen ilmentymä on, että näiden solujen vaste seuraavalle normaalipitoisuudessa olevalle vasteaineelle on moninkertainen.

4.Solun toimintakyvyn kasvu johtaa erilaisten biologisesti aktiivisten molekyylien (typpioksidi, superoksidi anioniradikaali, hypokloriitti anioni, jne.) tuotannon kasvuun. Joillakin näistä on bakteereja tuhoava vaikutus, ja ne kykenevät myös vaikuttamaan mikroverenkiertoon. Leukosyyteissä oleva indusoituva entsyymi, typpioksidisyntaasi, aiheuttaa typpioksidin muodostuksen. Tämä molekyyli on niinsanotun endoteeliperäisen relaksoivan tekijän (EDRF) esiaste, joka säätelee verisuonten laajentumista ja mikroverenkierron vilkastumista. Tämä on yksi peruste laserterapian suotuisille kliinisille vaikutuksille.

On ehdotettu, että koska hapella on absorptiovyö 640 nm kohdalla, se absorboi aktiivisesti punaista valoa, muuttuu singletti -tilaan ja käynnistää hapettumisreaktioita kudoksissa.

Kokeet ihmisen punasoluilla ovat osoittaneet, että lähi-infrapuna alueella oleva LLLI (700-900 nm) vaikuttaa punasolujen solukalvoen muokkautuvuuteen. Tämä vaikutusmekanismi saattaa päätökseen molekulaarisen hapen valokemiallisen virittymisen synnyttämän singletti-hapen (jolla on absorptiohuiput lähellä 586, 640, 762, 1060 nm)aiheuttaman sytoplasman ensivaiheen vahingoittumisen.

Emwemeka (2000) työryhmineen on tutkinut infrapunalaserin (870 nm) vaikutusta kirurgisten haavojen paranemiseen jäniksillä. Haavat paranivat ilman infektioita ja syntyneiden arpien vetolujuus oli testiryhmässä merkitsevästi parempi kuin kontrollijäniksillä, joilla infektioita oli 63-88%. Laseria annettiin päivittäin 10 minuutin ajan. Histologisten tutkimusten mukaan laserkäsittely lisäsi fibroblastien lukumäärää ja kollageenimuodostusta.

Dyson ja Young (1986) havaitsivat myös sykkivän laserin (yhdistetty infrapunalaser, 904 nm ja helium-neon -laser 632,8 mn) 700 Hz:n taajuudella käytettynä lisäävän kokeellisen ihohaavan solulukumäärää ja nopeuttavan fibroblastien järjestäytymistä arpikudoksessa. Ero oli selvä 1200 Hz:n hoitotaajuuteen nähden.

Walker (1988) havaitsi laserhoidon lievittävän kolmoishermosärkyä. Hän totesi myös, että kymmenen hoitokertaa kerran viikossa oli selvästi tehokkaampi tapa hoitaa kolmoishermosärkyä kuin kymmenen peräkkäistä hoitokertaa. Ero oli tilastollisesti merkittävä. Näyttäisi siltä, että laserhoidoilla on kumulatiivinen vaikutus eli mitä useampi hoitokerta, sen parempi kivunlievitys.

On huomiotava, että kaikki yllämainitut esimerkit LLLI:n ensisijaiset akseptorit eivät ole solutoimintojen erikoistuneita säätelijöitä eikä niiden käynnistyminen laservalon vaikutuksesta voi selittää yhtenäistä kokonaisvastetta, joka on näkyvissä sekä solu- että koko kehotasoilla olevissa aineenvaihdunnan parametrien koordinoiduissa muutoksissa.

Laservalolla on positiivinen vaikutus eläviin soluihin eri toimintahäiriöissä. Onko mahdollista, että pääasiassa ulkopuolinen biosysteemiin vaikuttava fysikaalinen tekijä toimisi hoitavana tai tasapainottavana tekijänä? Tätä on aika vaikea kuvitella. On paljon loogisempaa epäillä, että ulkopuolinen fysikaalinen tekijä toimii solujen ja organismin sisäisten säätelyjärjestelmien kautta, optimoimalla niiden toimintaa.

G. E. Brillin (1997, 1999) mukaan tällainen sisäinen säätelyjärjestelmä olisi guanilaattisyklaasi - syklinen guanosiinimonofosfaatti - typpioksidi - syntetaasi. Tämä on jakamaton järjestelmä. Typpioksidisyntetaasin aktivaatio johtaa guanilaattisyklaasin aktivaationn ja syklisen guanosiinimonofosfaatin (cGMP) kertymiseen.

Guanylaattisyklaasi katalysoi syklisen guanosiinimonofosfaatin (cGMP) biosynteesin.Guanylaattisyklaasimolekyylin ei-valkuaisaineinen osa on porfyriini kompleksi, jossa on mangaani raudan sijasta sitoutuneena. Tämän kompleksin olemassaolo guanylaatti-syklaasin rakenteessa mahdollistaa sen punaisen valon kvanttien absorption.

Guanylaattisyklaasi-cGMP systeemin osallistumisesta LLLI:n biologisiin vaikutuksiin on nähtävissä LLLI:n lopullisten vaikutusten ja guanylaattisyklaasi-cGMP systeemin vaikutusten yhtäläisyyksissä. cGMP vaikutuksia ovat: vasodilataatio, solujen mitoottisen toiminnan kiihtyminen - haavojen paranemisnopeus kiihtyy; sekä punasolujen aggregaation hidastuminen. Samantyyppisiä tuloksia on saaatu myös Helium-Neon laserin vaikutuksesta. Typpioksidia muodostuu soluissa typpioksidissyntaasi-entsyymin vaikutuksesta. Tämän entsyymin prosteettinen ryhmä sisältää aineita, jotka kykenevät absorboimaan punaisen valon fotoneja. Sisäsyntyinen typpioksidi aktivoi guanylaattisyklaasin sen toimiessa yhdessä hemin kanssa.

G. E. Brill (1997) ehdotti, että tällaisten valoherkkien systeemien toiminta olisi yhteydessä solunsisäisten cGMP määrien kanssa. cGMP-molekyyli on yleispätevä laukaiseva tekijä, joka osallistuu valosignaalien kuljetuksessa sekä erikoistuneissa silmän verkkokalvon soluissa, että soluissa joilla ei ole erityisiä fotoreseptoreita.

Gasparyan, Brill, Mäkelä (2004) totesivat, että laservalo voi aktivoida angiogeneesin, joka vuorostaan parantaa iskeemisen kudoksen veren- ja hapensaantia. Myös laservalon todettiin vaikuttavan kantasolujen tuotantoon ja niiden kulkeutumiseen vaurioituneille auleille helpommin.

On todettu, että cGMP primääri lisääntyminen soluissa toimii punaisen valon voimistavan vaikutuksen välittäjänä. On huomattavaa, että suorat mittaukset pystyvät osoittamaan cGMP:n määrän kasvun HeNe lasersäteilytyksen vaikutuksesta.

Siten matalatehoisen näkyvän ja infrapuna- laservalon vaikutusmekanismit sisältävät solutason ja molekyylitason prosesseja koko kehossa ja kudoksissa.

Tiivistäen nykyisten tutkimusten tuloksia, LLLI aiheuttaa energiatuotantoprosesseja vaurioituneissa kudoksissa joissa aineenvaihdunta on vajavaista, kiihdyttää entsyymien toimintaa, vähentää kudosten hapenkulutusta samalla kiihdyttäen mitokondrian toimintaa, nostaa glykolyyttista toimintaa muissa kudoksissa.

Toissijaiset vaikutukset ilmenevät monimutkaisina mukautumis- ja korvaavina prosesseina jotka ovat seurausta primäärivaikutuksista koko elimistössä. Tärkeimmät näistä ovat:

1) solujen aineenvaihdunnan ja toiminnan säätely
2) korjaavien prosessien stimulaatio
3) anti-inflammatorinen toiminta
4) hiusverenkierron aktivaatio ja kudosten verensaannin paraneminen
5) analgeettinen vaikutus
6) vastustuskyvyn nousu
7) eri elinten ja toimintamekanismien heijasteet toiminnallisesti
8) veren hapenmäärän nousu

Laserterapialle ominaiset piirteet siten perustelevat sen käytön patogeenisena terapiamuotona. Sitä käyttäessä on tärkeätä huomioida ei vain elimistön kokonaistila, ja patologisen prosessin kliiniset ominaisuudet, vaan myös kaikki siihen liittyvät taudit, potilaan ikä ja ammatilliset vaikutteet. Valoterapian käyttö on menestyksellisintä taudin ollessa vielä toiminnallisesti muutettavissa, vaikka nykyiset toimenpiteet kohdistuvatkin jo paljon vaikeampien tautien ja vaivojen hoitoon.