什么是光生物調節(jié)？
光生物調節(jié) (PBM) 是活細胞對“光能”光子的代謝和細胞學反應。光生物調節(jié) (PBM) 是活細胞對光子（即光能）的代謝和細胞學反應，包括可見光譜以及近紅外 (NIR) 和紫外 (UV) 波段的電磁輻射 (EMR)。[1]
“光”表示光、“生物”表示“活細胞”和“調制”的串聯(lián)以改變或施加影響，術語光生物調制描述了活細胞中響應光而發(fā)生的生化反應[2]。

光生物調節(jié)發(fā)生在所有生物中（見圖）。它自然發(fā)生在暴露在陽光下的細胞中，但也會發(fā)生在人工產生的光的特定波長（顏色）中。它存在于植物、動物和細菌中[3]。它刺激生長，為細胞呼吸和繁殖提供能量，刺激 DNA 修復，并賦予細胞、組織和器官的分子維持能力。在包括靈長類動物和人類在內的復雜生物體中，它參與神經系統(tǒng)的生長和管理、控制循環(huán)系統(tǒng)中的血流、刺激免疫反應并影響干細胞發(fā)育。

無花果。光生物調節(jié)通過陽光自然發(fā)生并使用生物光子學進行治療
光生物調節(jié)也可用于治療，以加快損傷的恢復、恢復器官功能、減輕疼痛和炎癥，或對抗細菌、病毒或真菌的微生物感染[4]。可以對人和動物進行治療，包括例如寵物、馬和駱駝。
盡管電磁輻射會在整個光譜范圍內影響生物，但光生物調制僅限于某些光譜帶。具體而言，如下圖所示，PBM 發(fā)生在電磁光譜的 NIR、可見光和紫外波段（波長從 1.4 μm 到 300 nm 的光）中，這些波段位于紅外光譜的長波部分之間，稱為 IRB（產生僅熱）和包含電離輻射（破壞 DNA）的短波 UVC。
請注意，在電磁波譜的這一部分[5] 中，習慣上用光的波長[6]而不是頻率來描述顏色（光頻率大到無法用數字表示）。同樣，能量以電子伏特 (eV) [7]而非焦耳來描述（因為單個分子的能量太小而無法方便地以焦耳表示）。
由于 NIR 和可見光波段的光子比遠紅外光子 (10–3 eV) 攜帶的能量高兩個數量級 (> 1 eV)，因此 PBM 的作用機制主要是化學作用，而不是熱能。相比之下，長波 IRB 和 IRC 光子產生熱量（光熱效應），但包含的能量不足以直接調用光化學或光生物機制。
因此，PBM 的作用機制與熱療的作用機制截然不同，即“熱生物調節(jié)”（TBM）——通過紅外線桑拿、加熱墊、蒸汽浴室和按摩浴缸提供的治療。由于其能量優(yōu)勢，光療在治療上通常優(yōu)于熱療。

光生物調節(jié)在有陽光和人造光的情況下自然發(fā)生。光對活細胞的影響可能是有益的，也可能是有害的，這取決于吸收的光子能量，由光的參數描述

• 波長又名顏色（微米或納米）

• 功率密度又名輻照度（W 或 W/cm2）

• 總能量（劑量）又名注量，單位（eV、J 或 J/cm2）

反應因生物體、組織和細胞類型而異。寬光譜光源（如太陽光）通常包括有益光線和有害光線，其凈影響取決于光的色溫，即光譜混合，以及每個組成波長的總能量劑量。
生物體很容易被短波紫外線 UVC 破壞，其能量含量高 (E > 4 eV)。幸運的是，從太陽發(fā)出的自然 UVC 和短波 EMR（例如 X 射線和伽馬射線）被地球磁場、電離層和大氣層阻擋[8]（包括平流層臭氧 (O3) 和水蒸氣）。對流層）。如果沒有這種保護罩，持續(xù)的 DNA 損傷將威脅到生命本身的可持續(xù)性。
由于存在皮膚損傷、燒傷和皮膚癌的風險，醫(yī)生避免使用人工紫外線光源（即 λ < 400 nm）進行治療（除非治療對所有其他療法均無反應的嚴重皮膚?。?。具有諷刺意味的是，美黑沙龍中紫外線的非醫(yī)療用途不屬于 FDA 管轄范圍，基本上是作為一個不受監(jiān)管的醫(yī)療行業(yè)運作[9]
相比之下，PBM 作為治療方案的醫(yī)療應用（稍后描述）受到嚴格的醫(yī)療設備監(jiān)管（通常作為 II 類設備或可能作為 III/IV 類激光器）。治療通常在一個成熟的安全波長范圍內進行，這些波長占據近紅外（NIR、IRA）和 950 nm 和 400 nm 之間的可見光譜。
治療性 PBM 的光源因制造商和設計而異。除了使用過濾的陽光（不舒服）和氣體放電管（易碎）的不受歡迎（和幾乎過時）的方法之外，當今大多數治療性 PBM 都采用電子控制的人造光源，包括激光器或 LED 陣列，旨在發(fā)射精確指定的 EMR 帶寬. 盡管激光 PBM 以低功率密度（冷激光）運行，但故障風險仍然代表眼睛安全風險[10]，需要在監(jiān)督下使用安全眼鏡。從本質上講，基于 LED 的系統(tǒng)不存在失明風險，因為在高電流下 LED 會變熱并失去量子效率，從而將其亮度限制在安全水平內。

無花果。光生物調節(jié)和 PBM 治療中使用的光源

植物不是生物能源的唯一來源
在整個 20 世紀，生物學家、植物學家和教育家自信地聲稱，地球上的所有生命都從陽光刺激植物的光合作用中獲取能量。在光合作用過程中，位于植物葉片中的葉綠體將陽光（光子能）和原料（氫、氧、碳）轉化為單糖（葡萄糖），以碳水化合物的形式將能量儲存在植物體內[11]。食用這種植物的動物攝取這些碳水化合物，將它們轉化為能量 (ATP) 并儲存脂肪以促進新陳代謝。
瀕死的植物和動物反過來為參與腐爛和分解過程的細菌提供食物來源，回收原始元素以在后續(xù)生命周期中重復使用。這個封閉的生物循環(huán)形成了我們地球生物圈廣為人知的食物鏈（見圖）[12]。
然而，并非所有死去的生物都會分解成簡單的元素和低分子量的副產品。在“生物成因理論”中，PBM 驅動的植物和動物死亡，隨后細菌作用、沉淀和數十萬年的高溫和壓力，被認為將這些生物尸體的一部分轉化為黑色、蠟質的有機層被稱為“干酪根” [13]。干酪根被認為是石油的幾種前體之一，石油是一種儲存大量能量的高分子量有機化合物（因此稱為“化石”燃料）。鑒于原油分子的穩(wěn)定性，腐爛有機物的原料一旦轉化為石油，就會從食物鏈中永久移除。

自世紀之交以來，我們對生物能源動力學的理解有了顯著提高。今天，眾所周知，生物多樣性適應多種相互競爭的能量收集和生命周期機制，包括以下情況：

• 葉綠體中的光合作用并不是將陽光轉化為能量的唯一方法。細菌、古細菌和動物也具有能夠吸收光并將其直接轉化為可用和儲存的能量的機械和光化學機制[14]。

• PBM 的直接轉化過程采用通常位于細胞和細胞器膜中的吸光發(fā)色團。例如，存在于植物和動物中的細胞器線粒體能夠將陽光直接轉化為 ATP [15]，而無需依賴葉綠體制造的糖類（即沒有光合作用的 PBM）。

• 一些細菌能夠通過吸收光產生 ATP，通過固定硫化合物（存在于火山噴口附近）[16]，即在沒有任何光的情況下產生 ATP，或它們的某種組合來產生它們自己的能量。

• 理論證據表明，真核細胞中存在的細胞器可能以前作為自由漂浮的原核生物存在[17]，后來為了共生生存優(yōu)勢而被宿主真核生物吸收（內共生理論）。

光生物調節(jié)的普遍性，即廣譜生物體直接捕獲太陽能的能力，現(xiàn)在被認為是地球生命的基本組成部分。
動物 PBM 主要來自與線粒體作用相關的分子細胞色素 c 氧化酶 (CCO) 中生色團的光吸收（單擊上面的 PBM 選項卡了解更多詳細信息）。CCO 光生物調制發(fā)生在從紅光 (650 nm) 到近紅外光 (950 nm) 波段波長的透明光學窗口[18] 中，其中光不會被水 (H2O) 或血液顯著吸收，即氧化和脫氧血紅蛋白（分別標記為 OxyHb 和 DeoxyHb）。[點擊PBM標簽了解更多詳情]
在光生物調節(jié)中，必須吸收光以引起光化學、光生物或生理反應。但僅吸收不足以確保 PBM 響應。相反，PBM 活動由其“作用譜”描述。正如 Hartmann 在 1983 年所描述的，“作用光譜[19]是不同波長的光在引起特定生物反應方面的相對有效性的圖，在理想條件下，它應該模擬吸收光譜的分子的吸收光譜。光，其光化學變化會導致這種效果。”
雖然銅亞群的作用光譜已被證實是細胞色素的明顯表現(xiàn)，但CCO的光吸收光譜與其作用光譜并不相同。Karu 等人 對 CCO 的作用光譜進行了廣泛的研究。使用可見光和近紅外光譜中不同波長的光刺激哺乳動物細胞[20]（見下圖）。其他研究已經確定了作用譜的變體[21]。

在一系列波長范圍內測量 DNA 合成、RNA 合成、蛋白質生成和附著（RNA 轉錄）的速率，進行了一些觀察：
CCO 作用光譜有四個不同的峰，與僅顯示兩個主要峰（加上一個較小的次峰）的 CCO 光吸收光譜不同。
DNA 合成、RNA 合成和蛋白質附著的峰值和最大速率點出現(xiàn)在不同的 EMR 波長下。
CCO 作用光譜中的最短波長峰值與脫氧血紅蛋白的光吸收重疊，從而降低了任何光刺激的 PBM 幅度。
從這些觀察中可以得出各種結論。首先，在 CCO 中沒有優(yōu)化 PBM 的理想波長。僅出于這個原因，窄光譜光源（如激光）對于最大化哺乳動物細胞和組織中的 PBM 反應并不理想。其次，由于血紅蛋白會阻擋紅光[22]，因此 CCO 作用光譜中的最短波長峰值只能在血流最少的上皮層內被激活。
并非所有動物光生物調節(jié)都僅限于 CCO 和線粒體的作用。其他膜結合分子和細胞器[23]如高爾基體、內質網等也正在研究 PBM 活性及其相應的作用光譜。

PBM 的照度依賴性
除了隨 EMR 波長變化之外，PBM 響應的幅度取決于條件，隨光照變化，包括傳輸能量的速率（即光功率或功率密度），以及傳輸的總能量（即 PBM 劑量）。在生物物理學中，光功率（以瓦特或 W/cm2 為單位）稱為輻照度[24]，總能量（以焦耳為單位，J/cm2）稱為注量[24]。在光醫(yī)學和放射學中，通量被認為是治療的“劑量”。
像許多生物現(xiàn)象一樣，光照對光生物調節(jié)的刺激和抑制作用的影響是雙相的[25]，其中功率和能量的大小共同決定了 PBM 的大小。PBM 的兩變量雙相劑量響應可以用 3D Arndt-Schultz 響應曲線[26]表示，如下圖所示，其中在任何給定功率下，能量與時間成正比。
在低功率水平（或低劑量能量）下，很少或沒有 PBM 發(fā)生。通過將功率水平增加到一個實質性但安全的水平，可以通過限制暴露時間來控制總劑量。在更高的功率水平（強光）下，必須減少曝光時間。相反，在較低的光功率水平下，必須增加暴露時間以產生相同程度的生物調節(jié)。

在更高劑量或更高功率水平下，PBM 刺激減弱。在更高的水平上，PBM 刺激益處被完全取消，取而代之的是抑制作用，導致暴露對 PBM 活動的凈負面影響。
寬光譜帶寬光源（如太陽）雖然負責地球上大多數植物的光合作用，但在刺激動物和哺乳動物的光生物調節(jié)方面效率低下，因為太陽會產生大量的紫外線和紅外線輻射（見下圖）[27]。通常到達地球表面的陽光包括 53% 的紅外光、42% 的可見光和 4% 的紫外光[28]. 由于引起動物 PBM 的 CCO 吸收發(fā)生在太陽 2,250 nm 總光譜的 300 nm 窄帶上，因此需要大量時間來吸收來自太陽的大量紅光和紅外光。長時間暴露還包括曬傷（來自紫外線過量）和脫水（因過度吸收紅外線導致過熱）的不利風險。
在另一種觀點中，如果照明的目標是在安全溫度范圍內最大化 PBM [29]，例如低于 43°C 至 45°C，那么任何不涉及產生 PBM 的熱量產生都是對生物體 PBM 的浪費性誤用熱預算，即在沒有光化學益處的情況下產生熱量。可以通過將照明源限制為有益光譜來避免該問題，方法是過濾陽光或更實用地通過采用人造光源（例如激光器或 LED 陣列）作為照明源，并將光譜限制在有用波段。

光生物調節(jié)如何工作？
光生物調節(jié) (PBM) 的作用機制是將光能轉移到細胞和細胞器內的分子中，導致化學、電化學和熱反應以及引起細胞代謝和基因表達變化的轉化光生物調節(jié)通過能量轉移過程發(fā)生在原子和分子水平 [點擊上方的 PBM 了解更多信息]。攜帶精確能量（稱為量子）的光子[30]將其轉移到活細胞及其細胞器內的分子中。特定細胞吸收的光子數量（以及能量數量）取決于其類型和結構，以及入射光的波長。
部分光被反射或散射，永遠不會進入細胞。一些能量被吸收。剩余的未被吸收的能量通過細胞進入下一層細胞。
根據熱力學定律[31]，一部分被吸收的光不可避免地會產生熱量，即產生光熱響應。吸收光的其他部分以光電效應、光化學反應或其某種組合的形式刺激光生物調節(jié)。如下圖所示，吸收的光子可能會導致鍵斷裂或鍵形成，從而導致分子的吉布斯自由能發(fā)生變化。

吸收的能量導致以下過程的某種組合：

• 電子發(fā)射（以及隨后的電荷傳輸），尤其是在神經回路中

• 分子中的化學轉化導致結構變化、價態(tài)轉變以及分子儲存勢能 (PE) 的相應變化

• 由電場力 qE（漂移傳導）引起的移動離子動力學 (KE) 傳輸的電化學躍遷；或者由于電荷濃度梯度（一維的 dNq(x,t)/dx，三維的?2Nq(r,t)）導致擴散電流。

• 瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱誘導分子動力學（熱振動）包括低頻振蕩（遵循經典牛頓動力學），在某些情況下包括量化高頻振動（聲子），迄今為止在蛋白質、DNA 和生色團中觀察到的機制[32]。

熱量產生涉及 PBM 的副產品和水、脂質、血液和其他與光生物調節(jié)無關的生物分子的光吸收。根據能量守恒原理，這四個過程消耗的能量總和等于細胞吸收的總光子能量。由于不可避免地會產生廢熱，因此 PBM 過程會增加熵（根據熱力學定律）。盡管環(huán)境中的整體混亂增加了，但所產生的高能分子具有比周圍環(huán)境或它們來自的原材料更高的能量和更低的熵。
但是什么決定了光是否有足夠的能量來調用 PBM？根據量子物理學，光子必須超過特定的最小能量才能激發(fā)光化學（并因此產生 PBM）響應，低于此能量將不會發(fā)生 PBM 或光化學反應。只要每個光子提供的能量（被發(fā)色團吸收）超過正常代謝過程中 ATP 化學提供的能量，吸收的能量就應該足以為 PBM 提供燃料。
下圖比較了電磁波譜中各種波長的光的能量與重要生物分子的鍵能。在三磷酸腺苷的水解[33]通過該反應給出
ATP ? AMP + PPi + 0.47 eV
能量分子 ATP 轉化為環(huán) AMP 和釋放 0.5 eV 的磷分子。ATP 分子比脂肪、酒精或蛋白質分子含有更多的能量。在電磁波譜中，任何波長短于 2.5 μm 的紅外光都比 ATP 具有更多的能量。不幸的是，水阻擋近紅外線的長度超過 1 μm。因此，PBM 僅出現(xiàn)在 NIR 和可見光譜（小于 1 μm）中，而不出現(xiàn)在遠紅外 (FIR) 波段。
雖然遠紅外光子攜帶的能量太少，但對于紫外光譜中的 EMR，可能會發(fā)生生物和生理損傷，包括在 UVA 波段 3.4 eV 下形成嘧啶二聚體（DNA 損傷）[34]，在 4.4 eV 下形成細胞膜損傷UVB 波段[35] 中的eV，UVC 波段中 11 eV 的核糖損傷（DNA 骨架）[36]。

在真核細胞中，有幾個發(fā)色團參與能量轉換。特別是在植物中，生色團葉綠素-a、葉綠素-b 和β-角蛋白（位于葉綠體中）協(xié)同進行光合作用，將陽光轉化為糖（葡萄糖），尤其是在存在紫色、藍色、橙色和紅色光波長的情況下。然后將糖傳遞給線粒體，轉化為三磷酸腺苷或 ATP，這是真核生物的主要能量來源。然而，糖并不是線粒體中唯一的能量來源。

線粒體細胞色素-C 氧化酶中的 PBM
線粒體不依賴葉綠體，還含有自身的生色團，能夠捕獲光并將其直接加工成 ATP（或增強糖向 ATP 的轉化）。一種這樣的光敏分子，細胞色素-c 氧化酶或 CCO，執(zhí)行 ATP 生成的最后一步，該過程因紅光和近紅外光的存在而增強（但與葉綠體不同的是，不會受到紫光、藍光或橙光的影響）。
在同時含有葉綠體和線粒體的植物細胞中，這兩種細胞器之間的生化相互作用現(xiàn)在似乎比最初認為的要復雜得多 [38] [點擊 PBM 標簽了解詳情]。在動物生命（缺乏葉綠體）中，線粒體 ATP 的生成依賴于從周圍環(huán)境輸入細胞的原材料（碳源）。
細胞器線粒體[39]的 PBM 機制如下圖所示，其中紅色和近紅外光譜中的光被細胞器內包含的細胞色素 C 氧化酶分子吸收，刺激增加 ATP 生成和局部釋放一氧化氮 (NO)，一種負責調節(jié)動物血管舒張和循環(huán)的信號分子。
PBM 過程釋放進入細胞核并刺激轉錄和基因表達的基因信使，其中包括生長因子、酶、聚合酶和其他蛋白質[40]。核如何知道要制造哪些分子尚不清楚?；虮磉_可能受啟動子分子的調控（與大腸桿菌的 lac-操縱子[41]反饋和控制在知道何時合成乳糖酶和何時不合成方面的工作方式相同）或可以想象可以通過表觀遺傳控制，調節(jié)沉默或放大的調節(jié)分子特定基因和表型的轉錄和表達[42]。
在 PBM 過程中，細胞色素-c 氧化酶還會產生催化劑和活性氧 (ROS) [43]，包括超氧陰離子 O2–、過氧化氫 H2O2、羥基自由基 OH 和過氧化氫自由基 HO2。在 PBM 期間，線粒體釋放 Ca2+ 一種影響細胞能量學的神經遞質。ATP 的產生和 NO 的釋放表明一系列有利于維持細胞活力的反應 [有關 CCO PBM 的更多詳細信息，請單擊上面的 PBM 選項卡]。PBM 的結果有益于細胞及其包含的組織、器官和生物體。

什么是光生物調節(jié)療法？
光生物調節(jié)療法 (PBT) 是光能的治療應用，用于對抗疾病、修復損傷、緩解疼痛、管理器官和免疫系統(tǒng)功能障礙、減少炎癥以及解決各種神經和年齡相關的健康問題。
PBT 還被先發(fā)制人地用于避免疾病、預防傷害、改善大腦健康和認知、促進健康以及提高運動和田徑運動的表現(xiàn)。如前所述，雖然光生物調節(jié)在陽光下自然發(fā)生，但 PBM 也可以使用人造光進行治療。與包含有益、中性和有害（短波紫外線）波長混合的陽光不同，通常會暴露大部分身體，在治療性 PBM 中，僅包含安全和有益波長的光被選擇性地局部應用于受影響的器官和組織。
作為不斷擴大的光醫(yī)學領域的關鍵組成部分，光生物調節(jié)療法（PBT、PBMT）有意刺激細胞、組織和器官中的有益生理作用。PBT 治療可能包括治療疾病、損傷、器官功能障礙和自身免疫疾病的醫(yī)學療法，包括炎癥、疼痛管理和傷口愈合（見圖）。

非醫(yī)療“健康”用途包括對抗日常疼痛、支持健康和身體健康、改善睡眠和放松、減輕壓力、提高能量、緩解疲勞和減緩衰老過程。其他應用包括增強免疫系統(tǒng)以先發(fā)制人地抵御傳染病。
PBT 還用于競技運動，以自然地提高運動員的表現(xiàn)（不使用藥物或類固醇），降低運動損傷的風險和嚴重程度，控制過度勞累或過度伸展引起的疼痛，并在受傷發(fā)生時加速恢復。

光生物調節(jié)療法簡史
如下圖的時間線所示，最早記錄的利用陽光促進健康可以追溯到公元前 1550 年左右的埃及王朝[44] 的紙莎草紙。古代醫(yī)生注意到陽光和特別是某些顏色（一種稱為色光療法的治療）有助于人們從疾病中康復。
印度河流域（古印度）和前帝國時期的中國也采用了早期利用光來促進健康的做法。在希臘，科學家們專注于陽光的醫(yī)療益處，他們將其稱為日光療法（對赫利俄斯神的引用，意為太陽）。羅馬人將希臘光療商業(yè)化為“日光浴室”，隨著羅馬帝國的擴張，日光浴室在歐洲廣受歡迎。
在 1800 年代，醫(yī)生和科學家開始研究光療生物醫(yī)學的機制。1903 年，Niels Ryberg Finsen 博士因使用煤氣燈和弧光燈產生的光成功治療尋常狼瘡而獲得諾貝爾醫(yī)學獎[45]，光療科學獲得了國際認可。

在 1960 年代，激光技術的出現(xiàn)帶來了健康問題，即激光（功率水平太低而不會引起灼傷）可能會導致癌癥。匈牙利布達佩斯塞梅維什大學 Endre Mester 教授的系統(tǒng)研究揭示了一個意想不到的結果[46]。不僅老鼠剃毛和用激光照射不會患上癌癥，而且實驗組的頭發(fā)長得比對照組快得多。
到 1971 年，研究表明，激光不僅可以刺激頭發(fā)生長，還可以加速傷口愈合。盡管激光顯示出令人興奮的醫(yī)療效果，但 1960 年代和 70 年代的激光是大型設備，由易碎的玻璃管（充滿氣體）構成，并由易碎的精密對準透鏡構成，并且需要大而重的電源。
1996 年，在美國宇航局航天飛機計劃的支持下，威斯康星大學的 Harry T Whelan 博士報告了在光療中首次使用 LED 作為激光的替代品[47]。1999 年，他展示了 LED 和激光一樣，可以有效加速傷口愈合。2003 年，他發(fā)表了關于甲醇誘導的視網膜毒性的治療性 PBM 的開創(chuàng)性工作[48] - 數據提供了證據科學支持，即紅光和紅外光刺激細胞色素-c 中的 ATP 產生，細胞色素-c 是線粒體中的膜結合生色團。這是指導研究光生物調節(jié)真正機制的光化學起源而不是光熱起源的關鍵發(fā)現(xiàn)。
一般來說，20 世紀的光生物調節(jié)治療工作集中在激光器或 LED 的靜態(tài)驅動上——在整個治療過程中，光激發(fā)要么持續(xù)開啟（連續(xù)波操作），要么在一組靜態(tài)條件下脈沖。作為記錄，“光生物調節(jié)”一詞的首次使用發(fā)生在 1997 年[49]，但當時并未被普遍接受（部分原因是該術語未在經常被引用的醫(yī)學主題中正式注冊）直到 2016 年的標題 (MeSH) 數據庫）。[50]
千禧年之交為光生物調節(jié)帶來了新的生命（和新方法）。從 2001 年開始，光療法的先驅開發(fā)者和“完美之光”(APL) 的創(chuàng)始人丹·謝爾 (Dan Schell) 開始試驗將多個波長的 LED 排序成具有不同照明條件和持續(xù)時間的復雜激發(fā)模式，并將結果編目以定義以及針對疾病和損傷的完善的組織特異性治療方案和方案。
2012 年，Schell 先生與擁有分子生物學、納米技術和光子學專業(yè)知識的電氣工程師和半導體物理學家 Richard K Williams 合作。作為一位受人尊敬的串行-并行企業(yè)家，Richard 是納斯達克 IPO 半導體公司 Advanced Analogic Technologies Inc（股票代碼 AATI）的創(chuàng)始 CEO/CTO。作為功率半導體和電力電子領域的 IEEE 名人堂獲得者和多產的發(fā)明家（擁有 350 多項專利），Richard 開創(chuàng)了許多技術，包括用于智能手機背光調光的光子系統(tǒng)、LED 相機閃光燈、動態(tài) LED 背光（和伽馬校正） ) 用于高清電視。
將 APL 的協(xié)議和 ABP 的生物光子學專業(yè)知識與 Ken Lin 先生的全球制造和運營專業(yè)知識相結合，ABP 開發(fā)并發(fā)布了世界上第一個具有動態(tài)電流控制和可編程序的醫(yī)療級 LED PBT 生物光子系統(tǒng)。
ABP 的 PBT 系統(tǒng)采用具有卓越光學耦合的 3D 可彎曲 LED 墊、基于軟件的微控制器波形合成、基于層次的菜單和直觀的 UI/UX（用于明確用戶選擇組織特定協(xié)議），ABP 的 PBT 系統(tǒng)為醫(yī)生和臨床醫(yī)生提供了無與倫比的治療控制，使其世界上最靈活、最通用的 PBT 系統(tǒng)。
特別值得注意的是，ABP 的 G1 光生物調節(jié)治療系統(tǒng)是歷史上第一個菜單驅動的基于軟件的 PBT 系統(tǒng)，通過美國 FDA 的詳盡審核，并獲得臺灣嚴格的 FDA 的行業(yè)認可 GMP 認證。ABP 還在光生物調節(jié)方面開發(fā)了廣泛的美國和國際專利 IP 組合。其上市戰(zhàn)略包括將其 PBT 業(yè)務分為兩家公司，一家用于醫(yī)療產品，另一家用于醫(yī)療服務和客戶培訓，相對于……

• Applied BioPhotonics Ltd 設計和制造醫(yī)療級專業(yè) PBT 系統(tǒng)，獲得所有必要的政府和行業(yè)安全認證和批準。

• LightMD Inc 調查治療策略并記錄案例研究，同時與使用 ABP 產品的醫(yī)生和醫(yī)院合作并向其提供醫(yī)療建議和支持。

PBT – PBM 的治療應用
光生物調節(jié)的治療應用被稱為光生物調節(jié)療法（又名 PBT 或有時 PBMT）。通常在治療人類和其他哺乳動物（例如狗、貓、馬和駱駝）的背景下描述，PBT 解決了非常廣泛的生理狀況，主要是因為 PBM 天然存在于幾乎所有組織類型中，即

• 神經組織

• 肌肉組織

• 上皮組織

• 結締組織

一般而言，光醫(yī)學和 PBT 的功效取決于患者病情的性質、所執(zhí)行的治療方案以及所采用的光子傳遞系統(tǒng)。
僅 PubMed 就發(fā)表了超過 300,000 篇論文，支持 PBM 方案有效應用的經驗證據的優(yōu)勢是驚人的。作為初級保健或輔助使用，PBT 不再局限于替代醫(yī)學的范圍。它成功治療疾病和損傷的能力可以與當今最好的藥理學解決方案相媲美。然而，由于治療的病癥（包括慢性病、罕見病和致命疾?。┑亩鄻有?，僅基于對已發(fā)表論文的回顧很難確定最佳治療方案。
患者通常將 PBT 作為復雜侵入性外科手術（如關節(jié)置換）或危險/有毒藥物方案的替代方案，尤其是那些醫(yī)生無法自信地提供治療成功的方案。例如，在獸醫(yī)學中，部分癱瘓的狗經常通過 PBT 重新獲得完全的運動控制，避免需要進行危險的背部手術（費用超過 10,000 美元）。在其他情況下，當藥物無效或禁忌時（例如，在許多對藥物無反應的慢性疾病或免疫功能低下的患者中），PBT 通常是唯一可用的補救措施。與藥物不同的是，PBT 無成癮性和無毒，對肝、腎和免疫功能沒有不利影響。
PBT 能夠對抗各種看似無關的醫(yī)療狀況的能力基于其基本作用機制——將光子作為不帶電的能量傳遞給細胞和細胞器，以通過光化學過程增強細胞的新陳代謝和內在（自然）修復機制。使用不帶電的粒子比電療法和磁療法更可取，以避免干擾身體的自然電化學反應。PBT 使用物理機制來刺激化學反應與藥物的使用形成鮮明對比，后者僅依賴于化學反應，通常涉及分子試劑（細胞和組織外來的化合物），具有不可預見的后果和副作用。
PBT 成功治療看似無關的組織類型的能力基于活細胞的共性（而不是它們的差異），例如在哺乳動物生命中：

• 所有分化的細胞（和組織）類型都來自共同的干細胞祖先。

• 所有細胞都需要能量才能發(fā)揮作用。

• 所有細胞（某些血細胞除外）都含有線粒體。

• 所有細胞都包含在 DNA 中編碼的基因，并通過 RNA 轉錄轉化為蛋白質。

• 所有細胞都調節(jié)基因表達以動態(tài)控制其表型以響應不斷變化的環(huán)境。

• 所有細胞都受組織 pH 值和局部血液灌注及其氧氣供應的影響。

• 所有細胞都必須與其他細胞通信（電、化學或電化學）。

• 所有細胞都包括細胞修復機制（包括通過核酸內切酶活性修復 DNA）。

• 大多數細胞含有影響代謝過程的光敏發(fā)色團。

盡管在所有動物細胞中調用了共同的作用機制，但 PBT 的有益作用是組織特異性的，根據它們的組織類型，神經、肌肉、上皮和結締組織類型不同。因此，所有細胞中存在的光化學機制會根據受照組織類型產生不同類型的反應。雖然 PBT 治療的光照條件，即光波長、輻照度、通量、調制、光傳輸和吸收，決定了特定組織中 PBT 的能量耦合和 PBM 的大小，但細胞學反應的類型是由細胞類型決定的，而不是物理的照明。
根據已發(fā)表的治療報告、臨床試驗和 ABP 自己的案例研究，下圖描述了適合光生物調節(jié)療法治療的條件，按組織類型排列，即神經、肌肉、上皮和結締組織。
神經組織
據報道，光生物調節(jié)療法對神經組織的用途包括大腦和中樞神經系統(tǒng)以及周圍神經系統(tǒng)，包括骨骼肌、內臟器官和皮膚的傳入和傳出神經。神經組織中的主要 PBM 機制包括改善循環(huán)、減少組織炎癥、增加氧氣供應、使組織 pH 正?；?、加速傷口愈合和調用選擇性神經發(fā)生。
PBT 對計時神經回路（即大腦和自主神經系統(tǒng)）的益處包括調節(jié)蠕動收縮（消化、呼吸、痙攣）和腦波同步（喚起放松或精神集中）。研究性腦療法包括 mTBI/腦震蕩、注意力缺陷障礙 (ADD) 和阿爾茨海默氏癥/癡呆癥的治療。
PBT 的一項主要神經應用是疼痛管理——非藥物鎮(zhèn)痛，不受甾體和 NSAID 化合物的不良副作用和腎臟損害，或面臨阿片類藥物和阿片類藥物成癮危險的風險。從機制上講，皮膚、器官、結締組織和骨骼表面上的傷害感受器（疼痛傳感器）直接對 PBT 做出反應，從而減輕局部疼痛并減少傳遞到大腦的疼痛信號。PBT 為所有傷害感受器提供緩解，包括機械、酸性、創(chuàng)傷性冷/熱和多功能類型。

肌肉組織
據報道，光生物調節(jié)療法對肌肉組織的用途包括對骨骼（橫紋?。?、通過平滑肌的內臟器官和心肌的影響。PBT 對肌肉組織的一般作用包括改善循環(huán)和組織氧合以及對抗炎癥和支持免疫反應以對抗微生物感染，并加速受傷肌肉的組織再生。
特別是在骨骼肌中，PBT 治療的好處包括增加組織氧合和增強生物動力學能力，增加抽筋的乳酸閾值，以及控制局部炎癥和水腫。PBT 產生的彈性蛋白和膠原蛋白增加還可以改善肌肉柔韌性和擴大的運動范圍，從而最大限度地降低高血壓、扭傷和肌肉撕裂的風險。在田徑和體育運動中，可以在劇烈運動之前使用治療以最大程度地減少受傷的風險（并合法地提高表現(xiàn)），作為鍛煉方案的一部分，在項目之間保持肌肉溫暖和松弛，以增強呼吸（肺活量和血氧） )，或在活動后輕輕放松肌肉，抑制抽筋，并加強拉伸。
對內臟器官（平滑）肌肉和心肌組織的益處主要是增強血液灌注、輸送氧氣和使 pH 值正?；詫寡装Y和感染風險。PBT 不僅可以減輕骨骼肌的腫脹、水腫和疼痛，還可以減輕橫膈膜（肺）、胃和腸的自主神經肌肉的腫脹、水腫和疼痛。

上皮組織
上皮組織作為皮膚（身體抵抗磨損和環(huán)境損害的保護層）和消化、呼吸、內分泌和免疫系統(tǒng)的內部（內臟）器官的內襯存在于整個身體中，不僅具有保護作用，而且用于實現(xiàn)半多孔膜，用于將激素、酶、粘液、消化產物和其他生化分子傳入或傳出器官。
光生物調節(jié)療法已在上皮組織上得到證實，包括存在于各種器官中的簡單和分層的鱗狀、立方狀、柱狀和傳遞細胞類型。
PBT 對上皮組織的一般作用包括通過重建彈性蛋白和膠原蛋白來保持組織完整性、預防感染和炎癥（特別是周圍的傷口或潰瘍）、保持健康的 pH 值和修復損傷。在甲狀腺、前列腺、卵巢、垂體和甲狀腺等激素腺中，PBT 有助于調節(jié)激素的產生和控制新陳代謝。在唾液腺、乳腺和汗腺等分泌腺中，PBT 還可用于疏通毛孔并預防感染和炎癥。
PBT 的抗炎功效還有助于襯里循環(huán)和淋巴系統(tǒng)的囊泡以及支氣管氣囊中的上皮組織，以維持健康的心肺功能。這種機制通過血液灌注有益地支持氧氣輸送（即使大多數上皮缺乏血泡），而不是從相鄰組織接收營養(yǎng)。

結締組織
遍布全身的結締組織包括脂肪中的疏松結締組織、致密的結締組織（韌帶和肌腱）；軟骨和骨骼中的特殊骨骼結締組織；和專門的血管結締組織，包括血液和淋巴組織。
考慮到其多樣化的功能，PBT 根據其在體內發(fā)揮的功能或結構作用影響多種結締組織。在脂肪組織中，據報道，PBT 通過釋放甘油三酯和許多其他仍在研究中的機制來縮小脂肪細胞。還已知 PBT 可增加用于再生醫(yī)學的脂肪衍生干細胞的增殖，包括體內和體外軟骨治療方案。
對于包含韌帶和肌腱的致密結締組織，PBT 通常用于治療關節(jié)疼痛、治療過度伸展和修復其他運動損傷。結締組織的愈合和疼痛管理涉及多種機制，包括改善循環(huán)、刺激組織修復、減少腫脹和對抗炎癥。對于特殊的骨骼結締組織，PBT 可提高骨骼和軟骨的創(chuàng)傷后生長速度。
PBT 在循環(huán)系統(tǒng)中的好處包括改善血液灌注、減少紅細胞聚集、增強免疫反應、降低感染率、保持淋巴細胞和 T 細胞的健康種群，以及縮短病毒攻擊的恢復時間。PBT 還有助于管理適當的免疫反應，以避免過敏和自身免疫性窘迫。

PBT 處理的生物光子控制
在現(xiàn)代光生物調節(jié)療法中，一系列 LED 或低功率激光以治療方式局部應用于組織或器官，以刺激身體的自然愈合過程。
在包括 PBT 在內的所有形式的光醫(yī)學中，光能量傳輸系統(tǒng)包括光源（即 LED 或激光器）、電源（穩(wěn)壓電源）、電子控制系統(tǒng)和用戶界面（UI/UX）。這種系統(tǒng)統(tǒng)稱為生物光子學（其中前綴 bio 是指“活細胞”，而光子學是指對光子（即光）的電子控制）。生物光子 PBT 系統(tǒng)的要求包括：
通過 PBM 提供足夠的能量以達到有效的治療效果。
防止能量過量以避免抑制治療效果（雙相反應）。
提供足夠的光焦度以在合理的時間內執(zhí)行治療，讓患者和進行治療的治療師都感到舒適。
控制光學傳輸以防止眼睛損傷和管理燒傷風險（安全）
覆蓋足夠大的治療區(qū)域，以實際治療器官或肌肉，而不會過度重復或延長治療時間。
最大限度地減少光學反射和折射散射造成的能量損失。
生物光子設計中的實際考慮示例如下圖所示：

PBT 光子系統(tǒng)的實際考慮因素包括光學治療區(qū)域；治療師和患者的舒適度；光耦合效率和光均勻性；和安全。在光學區(qū)域覆蓋方面，使用小光斑尺寸的光（激光或單個 LED）治療大型器官或肌肉需要反復移動光源并再次執(zhí)行相同的治療。這種艱巨的“治療、移動、重復”過程可能會讓治療師感到不舒服，而且對患者來說很耗時，尤其是在每個位置所需的時間超過幾分鐘的情況下。
生物光子系統(tǒng)的另一個重要方面是光的均勻性。盡管光源面積自然較小，但激光有利地表現(xiàn)出不依賴于激光束源和患者皮膚之間的距離的光功率密度。
LED 的情況并非如此，其中穿透皮膚的光強度和穿透光的深度都受 LED 與患者之間距離的影響。前面顯示的手持式或 LED 墻板的使用清楚地說明了患者皮膚的明顯反射和較差的光均勻性。反射或折射光是浪費的能量，對光生物調節(jié)或治療效果沒有貢獻。光線均勻性差意味著某些組織可能會接收到過多的光線，而其他部分則幾乎處于黑暗中。
與光源相關的另一個關鍵方面是光學穿透深度。如下所示，對于任何給定波長的光，來自 LED 光源的吸收光的穿透深度取決于 LED 或 LED 陣列（此處顯示為手持棒）與患者皮膚之間的距離。如果距離很遠，光能會傳播到更大的組織區(qū)域，但穿透的深度會更小。距離越小，皮膚表面的光功率密度越高，光線穿透越深，但治療面積減少。
在幾分鐘或幾十分鐘的治療過程中，將魔杖保持在一個特定的距離和一個特定的位置，充其量是不切實際的，而且對于治療師來說也是不舒服的。PBT 的治療益處因光功率傳輸而變化很大，這是不可預測的 [請參閱 ABP 的產品部分，了解解決這種均勻性和深度難題的方法]。

醫(yī)療生物光子系統(tǒng)設計中最關鍵的考慮因素之一是安全性——精確控制輸送到患者組織的能量的大小和持續(xù)時間，以最大限度地提高功效，同時避免對皮膚和眼睛造成危險的光線水平。
如前所示，雖然長時間將魔杖固定在原位可能不舒服或不切實際并產生不一致的結果，但任何通過增加光功率來加速治療的嘗試都會增加意外造成灼傷或導致失明的風險。
如下圖所示，光源的功率（顯示在 y 軸上）是設置生物光子系統(tǒng)功能和安全性的關鍵參數。在高功率水平下，細胞被光燃燒和破壞，即被燒蝕。激光手術中采用短時高功率激光脈沖[38]。在強脈沖光 (IPL) 療法（一種通過首先破壞皮膚來刺激皮膚愈合的有點奇怪的方法）中，使用高功率閃光燈燈泡來燒掉上皮層 [39]。
眼睛安全閾值（見眼睛圖標）發(fā)生在比細胞消融開始低得多的功率水平。對于高于此閾值的功率水平，必須使用安全眼鏡確保適當的眼睛安全。安全眼鏡是激光光醫(yī)學的關鍵要求，部分原因是激光脈沖發(fā)生得如此之快，以至于眼睛沒有時間眨眼來阻止危險的暴露。

在同一圖中，x 軸代表治療中傳遞的總能量（劑量）。劑量以焦耳（或每面積焦耳）為單位，是功率和時間的乘積。對于恒定功率治療 E = P?t，劑量本質上是時間的度量。
在激光手術中使用的高功率水平，通常為 10 MW/cm2 至 10 GW/cm2，脈沖持續(xù)時間保持較短，使用微秒到皮秒的持續(xù)時間以最大限度地減少熱擴散到周圍組織中。在亞皮秒激光手術中，細胞實際上是汽化的，幾乎沒有熱量傳遞到相鄰的細胞。相比之下，強脈沖光 (IPL) 是一種持續(xù) 1 到 10 毫秒（這就是它刺痛的原因）的熱過程，輻照度為 10 kW/cm2，總能量密度為 10 到 50 J/cm2。
光生物調節(jié)治療的功率水平遠低于燒蝕過程（通常低于 1 W/cm2）。報告的輻照度值因治療區(qū)域而異，特別是對于光斑大小取決于光傳輸方法（直接、光纖、光學）的激光器。鑒于光生物調節(jié)的雙相行為，選擇 PBT 劑量（在期刊中報道的通常范圍為 1 到 10 J/cm2）超過最小 PBM 閾值但低于組織脫水的開始。
為了最大限度地減少治療時間以適應手持探頭，激光 PBT 采用比 LED PBT 更高的功率水平，這種條件不太適合低劑量治療。
由于激光器可以在高于或低于光學安全極限的情況下運行，即使它們在低功率水平（冷激光器）下的臨床使用也需要持續(xù)監(jiān)督。在整個治療過程中必須嚴格使用安全眼鏡，因為激光故障，無論多么不可能，都可能導致不安全的快速電涌。相比之下，使用基于 LED 的傳輸系統(tǒng)的 PBM 本質上是眼睛安全的，不會造成眼睛損傷。
此外，除了更高的故障安全風險之外，在高輻照度下操作激光只是為了更快地提供小通量（低劑量）PBT 治療并沒有治療益處。相反，在高光功率密度下，激光束均勻性和治療時間（即在特定位置進行治療的時間）的微小變化可能會導致劑量的大變化和治療功效的更大可變性。
激光治療中的一種常見誤解（或誤傳）是，功率越大的激光發(fā)射的光越深，功率越低。這種說法根本沒有科學的支持。更高的輻照度（光功率）僅意味著一次傳輸更多的光子（更亮的光）。單個光子具有的能量（或它可以穿透物質的深度）與光的亮度或光子行進的速度（實際上在給定的材料中是恒定的）無關。相反，根據現(xiàn)代物理學（量子力學），光子的能量（及其相應的穿透深度）僅由其波長（顏色）決定。
因此，光生物調節(jié)療法中光的穿透深度取決于其波長和被治療的組織。例如，如下圖所示，兩種不同顏色的激光發(fā)出的光不同地穿透手指。雖然來自 3 mW 激光器的大部分紅光完全通過手指，但來自更強大的 5 mW 激光器的較短波長的綠光被完全阻擋，進一步證明了 PBT 治療的深度不是由手指的功率決定的。

來源。

（轉自：光生物調節(jié) - Applied BioPhotonics Ltd.）