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認識光生物調節PBM

1. 光能吸收：粒線體中的細胞色素c氧化酶 (CCO) 吸收紅光與近紅外光。
2. 能量轉換：CCO吸收光能後，啟動電子傳遞鏈，增加三磷酸腺苷 (ATP) 生成，為細胞提供能量。
3. 活性氧調節：PBM幫助平衡細胞內的活性氧 (ROS) 水平，促進細胞信號傳導，避免氧化壓力。
4. 細胞信號傳導：PBM觸發細胞信號通路，活化轉錄因子（如NF-κB）和生長因子（如TGF-β），影響基因表現。
5. 細胞功能改善：透過上述機制，PBM促進細胞增殖、分化、遷移，並減少細胞凋亡，有助於組織修復。
6. 抗炎與止痛：PBM抑制炎症反應，減少炎症細胞因子釋放，並影響神經末梢，達到止痛效果。

光生物調節療法 (PBM)

1. 光生物調節療法 (PBM) 簡介

1.1. 定義 PBM：光線作為療法

光生物調節 (Photobiomodulation, PBM) 是一種利用特定光線進行治療的方式，主要使用低能量、非游離性的光源，例如雷射 (LASER) 和發光二極體 (LED)，發出可見光紅光 (約 600-700 nm) 和近紅外光 (NIR, 約 700-1100 nm) 範圍內的光線。此過程強調其非熱效應，意味著其治療效果並非來自於熱能。

PBM 的名稱演變反映了對其作用機制理解的深化。早期常被稱為「低能量雷射療法」(Low-Level Laser Therapy, LLLT) 或「冷雷射」(cold laser) 療法，因為最初使用的是低功率雷射，且其能量不足以產生熱效應。然而，隨著研究發現 LED 也能產生類似的生物效應，且為了更精確地描述光線對生物體功能的「調節」作用，學界逐漸採用「光生物調節」(PBM) 這一術語。約在 2015 年，PBM 和 PBMT (光生物調節療法) 正式成為該領域的標準術語。

PBM 的基本概念可以類比自然界中光與生物的互動。如同植物利用陽光進行光合作用，或人體皮膚在陽光照射下合成維生素 D 一樣，PBM 也是利用特定波長的光線觸發體內特定的生物化學反應，從而達到治療目的。

1.2. 簡史：從意外發現到現代應用

利用光線進行治療的概念源遠流長。數千年前的古印度已有利用陽光治療疾病的記載。18 世紀起的歐洲醫學文獻中，也開始出現陽光用於治療皮膚潰瘍、腫瘤甚至佝僂病等疾病的報告。丹麥醫師 Niels Finsen 因使用光線治療皮膚結核病而獲得 1903 年諾貝爾醫學獎，瑞士醫師 Auguste Rollier 隨後也大力倡導日光療法 (Heliotherapy)。

現代 PBM 的發展與雷射技術的發明密不可分 (紅寶石雷射 1960 年，氦氖雷射 1961 年)。關鍵性的突破發生在 1967 年，匈牙利醫師 Endre Mester 在進行雷射致癌風險的動物實驗時，意外發現他所使用的低功率紅寶石雷射非但沒有導致癌症，反而促進了實驗鼠的毛髮生長和傷口癒合。這一偶然的發現開啟了 LLLT/PBM 的研究序幕，Mester 將此現象稱為「雷射生物刺激」(Laser Biostimulation)。

其後，美國國家航空暨太空總署 (NASA) 等機構也對光療進行了研究，例如用於促進太空中的植物生長和加速太空人的傷口癒合，進一步驗證並推動了該領域的發展。自 1990 年代以來，隨著研究的深入（累積了數萬篇論文和數千項隨機對照試驗）以及監管機構的認可（例如美國 FDA 核准用於緩解疼痛），PBM 的應用日益廣泛。

2. PBM 的科學基礎：細胞層面的作用機制

2.1. 細胞的能量工廠：粒線體的關鍵角色

粒線體 (Mitochondria)，常被稱為細胞的「能量工廠」，被認為是 PBM，特別是紅光與近紅外光作用的主要場所。細胞內粒線體的數量和代謝活性會影響其對光線的反應程度，因此富含粒線體的細胞，如神經元和肌肉細胞，對 PBM 的反應尤為顯著。

可以將粒線體想像成細胞內的微型引擎。當細胞處於壓力、受損或缺氧狀態時，這些引擎的效率可能會下降。PBM 就像是為這些引擎進行的一次「調整」或「優化」，幫助它們恢復高效運轉。

2.2. 關鍵分子：細胞色素 C 氧化酶 (CCO) 吸收光線

在粒線體中，吸收紅光與近紅外光的主要生色團是細胞色素 C 氧化酶 (Cytochrome c Oxidase, CCO)，它是粒線體電子傳遞鏈的最終酶 (複合體 IV)。CCO 含有血紅素 (heme) 和銅中心等吸光結構。

目前最廣泛接受的理論認為，在細胞壓力或缺氧狀態下，一氧化氮 (Nitric Oxide, NO) 會與 CCO 結合，抑制其活性，進而阻礙能量產生。PBM 的光子能量被 CCO 吸收後，能夠打破 NO 與 CCO 之間的結合鍵，使 NO 從 CCO 上解離下來，這個過程稱為「光解離」(photodissociation)。

這個機制解釋了為何 PBM 對於受損或功能不佳的組織似乎特別有效。健康的細胞可能較少有 NO 抑制 CCO，因此對光線的反應相對較小。可以將 NO 想像成暫時阻塞引擎 (CCO) 的障礙物，而 PBM 光線就像一把特定的鑰匙，能夠移除這個障礙，讓引擎恢復正常運轉。

2.3. 釋放能量：促進 ATP 的產生

當抑制性的 NO 從 CCO 解離後，CCO 的活性恢復或增強，使得電子在電子傳遞鏈中的流動更加順暢。

電子傳遞效率的提高會導致粒線體膜電位 (Mitochondrial Membrane Potential, MMP) 升高。

升高的 MMP 進而驅動三磷酸腺苷 (Adenosine Triphosphate, ATP) 的合成。ATP 是細胞主要的能量貨幣，其產量的增加為細胞修復、正常功能運作和存活提供了必要的能量。

延續引擎的比喻，移除障礙物 (NO) 讓引擎 (CCO) 運轉得更快，更有效地為細胞的電池 (ATP) 充電。這額外的能量幫助細胞進行自我修復並更好地完成其工作。

2.4. 細胞信號：一氧化氮 (NO) 與活性氧 (ROS)

從 CCO 解離出來的 NO 會釋放到細胞內及周圍組織中。NO 本身是一種重要的信號分子，它可以引起血管舒張，改善局部血液循環和氧氣供應。

PBM 同時也會調節細胞內活性氧 (Reactive Oxygen Species, ROS) 的水平。雖然高濃度的 ROS 對細胞有害，但由 PBM 產生的低水平、短暫的 ROS（可能主要來自粒線體）卻扮演著重要的信號傳遞角色，這個過程稱為「氧化還原信號傳遞」(redox signaling)。

NO 的釋放就像打開道路（血管），讓更多的運輸卡車（氧氣）到達需要的地方。而 ROS 的調節則像使用受控的信號彈（低水平 ROS），在不造成大範圍損害（高水平 ROS）的情況下，通知修復隊伍（細胞通路）前來工作。這種對 NO 和 ROS 的雙重調節作用凸顯了 PBM 劑量和參數選擇的重要性。過高或過低的光線劑量可能產生過多的 ROS 或干擾 NO 平衡，反而導致負面效果，這與 PBM 療效的「雙相劑量反應」特性相符。必須精確控制光照參數（如能量密度、功率密度等），才能達到產生足夠信號分子以觸發療效，同時避免造成細胞損傷或過度抑制/刺激的治療窗口。

2.5. 連鎖反應：下游信號通路與細胞反應

初始的變化（ATP 增加、ROS/NO 信號、可能伴隨的鈣離子濃度變化）會觸發細胞內一系列複雜的信號傳遞級聯反應。這包括活化轉錄因子（如 NF-κB, AP-1），這些因子如同細胞內的指令官，調控著基因的表達。

最終，這些信號傳遞導致多種有益的細胞層面結果，包括：

  • 促進細胞增殖、遷移和分化（對組織修復至關重要）。
  • 減少細胞凋亡（程序性細胞死亡）。
  • 調節炎症反應（減少促炎因子，增加抗炎因子）。
  • 神經保護作用，促進神經新生和突觸形成。
  • 減輕氧化壓力。

整個過程就像引擎調整和信號彈觸發了一連串的行動：發出指令（基因表達）→ 召集建築隊伍（細胞增殖）→ 撲滅火災（抗炎）→ 加固結構（神經保護）→ 建立新的連接（神經新生）。

2.6. 粒線體之外：其他潛在機制

雖然粒線體和 CCO 是 PBM 研究的核心焦點，但科學家們也發現了其他可能的機制。有證據表明，PBM 可能直接影響細胞膜上的光敏感離子通道（例如瞬態受體電位通道 TRP channels，可能透過視蛋白 opsins 或細胞內水分吸收近紅外光觸發），進而影響鈣離子內流和細胞信號傳遞，這可能獨立於 CCO 的作用。

此外，一些較少被探討的光物理效應也可能參與其中，例如光線對細胞內水分子結構的影響、機械力傳導（細胞對物理力的反應）、生物光子信號（細胞自身發光）以及光線與蛋白質振動的共振效應（共振識別模型 Resonant Recognition Model, RRM）。這些機制或許能解釋 PBM 的一些全身性效應或對腦電波 (EEG) 等神經振盪的影響。這些非粒線體機制的可能性表明，PBM 的作用比最初想像的更為複雜和多樣化，這或許也能解釋為何 PBM 能夠應用於如此廣泛的組織類型和疾病狀況。

光生物調節 (PBM) 激活的分子途徑

當紅光或近紅外光照射細胞後，光能會被粒線體中的細胞色素C氧化酶（CCO）吸收，導致ATP產生增加、一氧化氮（NO）釋放，以及微量活性氧（ROS）與鈣離子（Ca²⁺）的上升，這些改變共同激活多條訊息傳導通路，包括PI3K-Akt、CaMK、MAPK/ERK及CREB等關鍵通路。ROS的產生能抑制促炎訊號NF-κB的活化，進而減少IL-1β、IL-6與TNF-α等發炎因子的表現，發揮抗神經發炎的作用；而GSK3β的抑制則可調節Bax/Bcl與β-catenin等凋亡相關蛋白，達到抗細胞凋亡的效果。同時，CREB與c-Fos等轉錄因子的活化可促進神經營養因子BDNF的表現與突觸蛋白PSD95的上升，支持神經新生與突觸形成。整體而言，PBM不僅提供能量補充與修復訊號，也透過分子層級的精細調控，促進細胞的存活、抗發炎、神經保護與再生，是一種多重路徑整合的生物調節策略

3. PBM 的臨床應用與益處

3.1. 廣泛的治療效果：疼痛、炎症與癒合

PBM 在臨床上展現出多方面的治療潛力，其中最廣泛應用的是緩解疼痛、減輕炎症和促進組織修復。

  • 疼痛緩解： PBM 被廣泛用於治療急性和慢性疼痛，特別是肌肉骨骼相關的疼痛。其止痛機制可能涉及減輕局部炎症、抑制痛覺神經纖維（Aδ 和 C 纖維）的傳導、增加血清素水平以及促進內啡肽釋放等。例如，運動員常使用 PBM 來處理肌腱炎、肌肉拉傷等運動傷害，以加速恢復並控制疼痛。臨床研究也顯示 PBM 對於膝骨關節炎、慢性頸痛以及手術後疼痛（如拔牙後）具有緩解效果。
  • 炎症減輕： PBM 能夠有效調節炎症反應，透過降低促炎性標誌物（如前列腺素 E2、介白素-1β、腫瘤壞死因子-α）的水平，並提升抗炎反應 。此外，PBM 引起的血管舒張有助於清除炎症區域的滲出物和水腫。例如，PBM 可用於減輕創傷或手術後的腫脹和炎症反應，並輔助治療類風濕性關節炎等炎症性疾病。
  • 組織修復與傷口癒合：： PBM 能加速各種類型傷口的癒合過程，包括糖尿病足潰瘍、壓力性潰瘍、手術傷口、燒燙傷等，並促進骨骼、肌腱、神經等組織的再生。其作用機制涉及刺激纖維母細胞活性、促進膠原蛋白合成、誘導血管新生（形成新的血管）以及增加細胞增殖和遷移能力。例如，PBM 可用於醫美療程（如換膚、化學剝脫）後加速皮膚恢復，改善慢性糖尿病足潰瘍的癒合狀況，以及促進受損神經的再生。

3.2. 皮膚健康：皮膚科的應用

PBM 在皮膚科領域的應用日益廣泛，涵蓋了治療和美容等多個方面。

  • 治療的病症：： 研究顯示 PBM 可有效應用於皮膚年輕化（改善皺紋）、治療痤瘡（青春痘）及其疤痕、改善肥厚性疤痕、促進脫髮（特別是雄性禿）的毛髮生長、治療色素異常疾病（如白斑）、緩解炎症性皮膚病（如乾癬）、治療單純皰疹病毒感染，甚至有助於減輕紫外線對皮膚的損傷。此外，PBM 也常被用於各種皮膚治療（如雷射換膚）後，以減輕炎症反應並加速癒合。
  • 治療優勢：： 相較於某些傳統療法，PBM 提供了一種非侵入性、通常具有成本效益且安全性良好的治療選擇。

3.3. 大腦健康：神經學與精神醫學應用概覽

將 PBM 光線穿透顱骨照射到大腦組織，稱為「經顱光生物調節」(transcranial PBM, tPBM)，是近年來備受關注的研究方向。

初步研究和臨床試驗顯示，tPBM 在多種神經及精神相關疾病領域具有潛在應用價值，包括：

  • 神經退化性疾病：： 如失智症/阿茲海默症和帕金森氏症。
  • 腦血管疾病：： 如中風後的恢復。
  • 腦損傷：： 如創傷性腦損傷 (TBI)。
  • 精神疾病：： 如憂鬱症和焦慮症。
  • 神經發展障礙：： 如自閉症譜系障礙 (ASD) 和注意力不足過動症 (ADHD)。
  • 認知功能提升：： 在健康人群或輕度認知障礙者中，tPBM 也被研究用於改善認知功能。

其在大腦中的作用機制被認為與增強神經新生和突觸可塑性、減少神經炎症、改善腦血流以及提升神經元的粒線體功能有關。

3.4. 其他潛力領域

  • 眼科學：： 用於治療老年性黃斑部病變、糖尿病視網膜病變、乾眼症等眼疾。PBM 可減少視網膜細胞凋亡、支持細胞存活、加速角膜癒合、減輕眼部炎症並改善視力。
  • 癌症治療副作用管理：： 有助於減輕化療或放療引起的副作用，如口腔黏膜炎、放射性皮膚炎、淋巴水腫、神經病變性疼痛等。然而，需注意的是，儘管目前證據顯示 PBM 用於皮膚年輕化等特定應用是安全的，即使對癌症康復者也是如此，但在活躍腫瘤附近使用 PBM 仍需謹慎評估，因其刺激細胞代謝的特性可能存在理論上的風險。這種細緻的應用策略——避免直接刺激腫瘤，同時利用其修復和抗炎特性來處理治療的副作用——反映了該領域對 PBM 在腫瘤學中角色的日益深入的理解。
  • 運動表現：： 提升肌肉力量、耐力以及運動後的恢復速度。
  • 其他：： 還包括體雕/減脂、周邊神經病變、纖維肌痛症等。

PBM 應用範圍的廣泛性（從皮膚、肌肉到大腦、眼睛）強烈暗示其核心機制（粒線體功能增強、炎症調節、血液循環改善）作用於許多病理過程中共同的基礎細胞過程。這表明 PBM 可能透過調節細胞健康和功能的根本途徑來發揮作用。

3.5. 成功的關鍵：影響治療效果的因素

PBM 並非一種「萬能丹」，其療效高度依賴於精確的參數設置。以下是影響治療成功的關鍵因素：

  • 波長 (Wavelength)：： 決定光的穿透深度和被哪種生色團吸收。
  • 能量密度 (Fluence, J/cm²)：： 指單位面積接收到的總光能量。
  • 功率密度 (Irradiance, mW/cm²)：： 指單位面積接收到的光功率。
  • 治療時間 (Duration/Time)：： 每次照射的持續時間。
  • 脈衝結構 (Pulse Structure)：： 光線是連續輸出 (CW) 還是脈衝式輸出 (PW)，以及脈衝的頻率、佔空比等。
  • 治療次數與頻率 (Number and Frequency of Sessions)：： 總共需要多少次治療以及治療的頻率。
  • 光源類型 (Device Type)：： 雷射與 LED 的效果差異仍在研究中，LED 通常更易於獲取。
  • 組織變異性 (Tissue Variability)：： 個體的組織特性，如膚色、含水量、血紅素含量等，會影響光的穿透和吸收。

必須再次強調「雙相劑量反應」(Biphasic Dose Response) 的概念：存在一個最佳的光照劑量窗口，過低或過高的劑量都可能導致療效降低甚至產生負面影響。這種對參數的嚴格依賴性解釋了過去研究中結果不一致的現象，也凸顯了標準化和優化治療方案的挑戰性。這意味著需要更精準的治療方法，針對不同疾病和個體差異調整參數，才能最大化 PBM 的療效。

4. 安全性與重要考量

4.1. PBM 安全嗎？總體安全性評估

總體而言，在遵循既定參數和指南的前提下，PBM 被廣泛認為是一種安全且耐受性良好的治療方法。許多研究，包括一些大規模試驗和系統性回顧，都報告了良好的安全性記錄和患者依從性，其非侵入性的特點也是其優勢之一。

關於腫瘤安全性，雖然 PBM 刺激細胞代謝的機制曾引發理論上的擔憂，但目前的證據表明，對於特定應用（如皮膚年輕化），即使在癌症康復者中，PBM 在既定參數範圍內也是安全的。特別是紅光 PBM，似乎不會誘導 DNA 損傷。然而，在活躍腫瘤附近直接照射仍需謹慎。PBM 相較於藥物治療或侵入性手術，其良好的安全性是推動其在多個醫學領域被廣泛研究和應用的重要因素。

4.2. 潛在的副作用

PBM 的副作用通常較輕微且短暫。最常見的報告，尤其是在皮膚科應用中，是輕度的暫時性紅斑（皮膚發紅）。

在其他應用中，例如 tPBM 治療 ASD，有報告提及少數參與者出現輕微的頭痛或短暫的過度興奮/多動，但這些症狀通常很快消失。只要使用恰當的參數和方法，嚴重不良事件的報告非常罕見。

4.3. 注意事項/禁忌症

儘管 PBM 整體安全，但在某些情況下仍需謹慎：

  • 懷孕：： 由於對胎兒的影響未知，通常不建議孕婦使用。
  • 活躍癌症：： 避免直接照射已知的原發性或繼發性腫瘤部位，儘管 PBM 可用於管理癌症治療的副作用，仍需要仔細權衡風險和效益。
  • 眼睛：： 應避免光線直接照射眼睛，尤其是使用雷射光源時，除非是在專業控制下進行眼科 PBM 治療。
  • 光敏感性：： 患有光敏感性疾病或正在服用光敏性藥物的個體可能需要特別注意。

4.4. 專業指導的重要性

為了確保 PBM 治療的安全性和有效性，尋求專業指導至關重要：

  • 診斷：： 在開始 PBM 治療前，應由醫療專業人員進行準確診斷，特別是對於疼痛等症狀，以排除其他嚴重疾病的可能性。
  • 參數選擇：： 鑑於治療效果高度依賴於正確的參數（波長、劑量等），治療最好由受過訓練的專業人員執行或在其指導下進行。
  • 家用設備：： 市場上家用 PBM 設備日益增多，患者需要接受關於正確使用方法、安全注意事項以及合理預期的教育。需要注意的是，針對 LED 設備的監管可能相對寬鬆。

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