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第五章 光生物调节：细胞色素 c 氧化酶与双相剂量

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第五章 光生物调节：细胞色素 c 氧化酶与双相剂量

从小鼠的毛发到临床指南

1967 年，匈牙利外科医生恩德雷·梅斯特（Endre Mester）测试低功率红宝石激光会不会使小鼠致癌。结果并没有致癌；相反，被照射的剃毛皮肤，毛发比未照射小鼠长得更快 (Mester et al. 1968)。此后几十年，「低强度激光治疗」被尝试用于伤口愈合、疼痛和炎症，起初用激光，后来也用发光二极管；近年来，这一领域采用了光生物调节（photobiomodulation，PBM）的名称：用辐照度低到不会明显加热组织的红光和近红外光，改变细胞的活动。

被提出的机制

证据

目前主流的解释以细胞色素 c 氧化酶（CCO）为中心，它是线粒体呼吸链的复合体 IV，负责把电子传给氧。它的铜中心和血红素中心在红光和近红外波段有吸收。卡鲁（Tiina Karu）测得的细胞反应作用光谱，在约 620、680、760 和 820 nm 附近出现峰值，与 CCO 在不同氧化态下的吸收相似 (Karu 1999)。被提出的一个环节是一氧化氮：NO 与氧竞争结合 CCO，使呼吸变慢；光可以使它解离，让呼吸和 ATP 生成恢复 (Karu et al. 2005)。下游的线粒体膜电位变化、短暂的活性氧爆发和钙信号，被认为会激活转录因子，从而改变炎症和细胞存活 (Hamblin 2017)。

注

这一机制尚无定论。其他被提出的光吸收体包括对光和热敏感的离子通道，以及膜表面的结构化水；不同波长下起主导作用的机制可能不同 (Freitas and Hamblin 2016)。本书把 CCO 的解释当作证据最充分的工作模型，而不是已确立的事实。

计算光子和焦耳

光生物调节用波长、辐照度（单位面积功率，mW/cm²）和能量密度即剂量（单位面积能量，J/cm²）来描述，剂量等于辐照度乘以时间。设备标签常常只给出「功率」；对组织而言，重要的是皮肤处的辐照度，而它强烈依赖于距离（第八章）。

推导

660 nm 和 850 nm 光子的能量、10 mW/cm² 中的光子数，以及在三种辐照度下给出 1、4、10 J/cm² 剂量所需的时间。

# Dose (fluence, J/cm²) = irradiance (W/cm²) × time (s).
h, c = 6.626e-34, 2.998e8
for nm in (660, 850):
    E = h * c / (nm * 1e-9)
    print(f"{nm} nm photon: {E / 1.602e-19:.2f} eV; 10 mW/cm² = {0.010 / E:.1e} photons per cm² per s")

print()
print("seconds needed for a dose of     1 J/cm²   4 J/cm²  10 J/cm²")
for mw in (5, 25, 100):
    print(f"  at {mw:3d} mW/cm²             " + "".join(f"{H / (mw / 1000):10.0f}" for H in (1, 4, 10)))

# For scale: clear midday sunlight carries very roughly 30 mW/cm² between 600 and 900 nm.
print("100 mW/cm² of red and near-infrared ≈ 3 × that part of midday sunlight")
# 660 nm photon: 1.88 eV; 10 mW/cm² = 3.3e+16 photons per cm² per s
# 850 nm photon: 1.46 eV; 10 mW/cm² = 4.3e+16 photons per cm² per s
#
# seconds needed for a dose of     1 J/cm²   4 J/cm²  10 J/cm²
#   at   5 mW/cm²                    200       800      2000
#   at  25 mW/cm²                     40       160       400
#   at 100 mW/cm²                     10        40       100
# 100 mW/cm² of red and near-infrared ≈ 3 × that part of midday sunlight

100 mW/cm² 的强力灯板，在红光和近红外波段给出的能量，是正午阳光在同一波段的几倍。它也会明显加热皮肤，这一点对它的任何疗效说法都很重要：仅仅是温热就能增加皮肤血流。

双相剂量反应

证据

在细胞、动物和部分临床研究中，对光的反应呈双相模式，常被比作药理学中的阿恩特–舒尔茨（Arndt–Schulz）规律：光太少没有效果，适中的剂量有效果，更大的剂量效果减弱甚至产生抑制。黄（Huang）等人在综述中指出，许多细胞研究在约 1 J/cm² 及以下的剂量就观察到效应；在一个小鼠伤口模型中，2 J/cm² 比 50 J/cm² 更有效；而几十 J/cm² 的剂量在体外常常是抑制性的。最佳剂量取决于波长、辐照度、细胞类型和组织状态，同样的剂量以不同辐照度给出，效果也未必相同 (Huang et al. 2009)。

推导

一个示意性的双过程模型：一个会饱和的促进效应，减去一个在较高剂量才出现的抑制效应。所有参数都不是测量值；模型只是说明一条带有「窗口」的曲线是如何产生的。

# A two-process picture of the biphasic dose response (all parameters illustrative):
#   stimulation saturates:  S(H) = H / (H + Hs)
#   inhibition starts later: I(H) = (H/Hi)² / (1 + (H/Hi)²)
#   net response:           R(H) = S(H) − w · I(H)
Hs, Hi, w = 2.0, 20.0, 1.5             # J/cm², J/cm², weight

def net(H):
    S = H / (H + Hs)
    I = (H / Hi) ** 2 / (1 + (H / Hi) ** 2)
    return S - w * I

for H in (0.3, 1, 2, 4, 6, 10, 20, 40, 60):
    r = net(H)
    bar = ("+" * round(20 * r)) if r >= 0 else ("−" * round(-20 * r))
    print(f"{H:5.1f} J/cm²: net {r:+.2f} {bar}")

best = max((h / 10 for h in range(1, 600)), key=net)
zero = next(h / 10 for h in range(int(best * 10), 1000) if net(h / 10) < 0)
print(f"best dose ≈ {best:.1f} J/cm²; net effect turns negative above ≈ {zero:.0f} J/cm²")
#   0.3 J/cm²: net +0.13 +++
#   1.0 J/cm²: net +0.33 +++++++
#   2.0 J/cm²: net +0.49 ++++++++++
#   4.0 J/cm²: net +0.61 ++++++++++++
#   6.0 J/cm²: net +0.63 +++++++++++++
#  10.0 J/cm²: net +0.53 +++++++++++
#  20.0 J/cm²: net +0.16 +++
#  40.0 J/cm²: net -0.25 −−−−−
#  60.0 J/cm²: net -0.38 −−−−−−−−
# best dose ≈ 5.5 J/cm²; net effect turns negative above ≈ 26 J/cm²
双相剂量反应的双过程模型。阴影区 1–10 J/cm² 是文献中常报告为促进作用的范围；在任何真实组织中，峰值的位置都必须靠实验确定。

无论真实参数是多少，这个模型给出的实际教训都成立：多不等于好。为了「保险」把照射时间加倍的人，可能从曲线的促进段移到效应消失的那一段。

在人身上已经证明了什么

证据

最明确的临床支持来自癌症支持治疗。多国癌症支持治疗协会与国际口腔肿瘤学会（MASCC/ISOO）推荐：对接受造血干细胞移植的患者和接受头颈部放疗的患者，使用约 630–660 nm 的低强度红色激光，按规定参数进行口腔内光生物调节，以预防口腔黏膜炎，即化疗和放疗引起的疼痛性口腔溃疡 (Zadik et al. 2019)。这是在规范方案下、由受过训练的人员实施的特定用途。

对于其他许多用途，例如肌肉恢复、关节疼痛、脱发、皮肤老化和认知，试验数量不少，但大多规模小，所用波长、剂量和设备差别很大，而且由于光看得见、又发热，往往很难做到盲法。结果参差不齐。本书不声称红光或近红外光能治疗或预防上述任何一种情况。

假说 · 尚未验证

尚未确立。 在健康皮肤上，几焦耳每平方厘米的红光和近红外光照射之后，短时间内血流的增加是由皮肤变暖引起的，而不是光化学效应。该假说预测：与能产生同样皮肤温升的假照射相比，真实光照不会使血流灌注增加到值得重视的程度。如果第八章的实验中真实光照超过等热量假照射的幅度达到预先规定的界值，假说就被推翻。

参考文献

Freitas, Lucas Freitas de, and Michael R. Hamblin. 2016. “Proposed Mechanisms of Photobiomodulation or Low-Level Light Therapy.” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 22 (3): 7000417.
Hamblin, Michael R. 2017. “Mechanisms and Applications of the Anti-Inflammatory Effects of Photobiomodulation.” AIMS Biophysics 4 (3): 337–61.
Huang, Ying-Ying, Aaron C.-H. Chen, James D. Carroll, and Michael R. Hamblin. 2009. “Biphasic Dose Response in Low Level Light Therapy.” Dose-Response 7 (4): 358–83.
Karu, Tiina. 1999. “Primary and Secondary Mechanisms of Action of Visible to Near-IR Radiation on Cells.” Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 49 (1): 1–17.
Karu, Tiina I., L. V. Pyatibrat, and N. I. Afanasyeva. 2005. “Cellular Effects of Low Power Laser Therapy Can Be Mediated by Nitric Oxide.” Lasers in Surgery and Medicine 36 (4): 307–14.
Mester, E., B. Szende, and P. Gärtner. 1968. “The Effect of Laser Beams on the Growth of Hair in Mice.” Radiobiologia, Radiotherapia 9 (5): 621–26.
Zadik, Yehuda, Praveen R. Arany, et al. 2019. “Systematic Review of Photobiomodulation for the Management of Oral Mucositis in Cancer Patients and Clinical Practice Guidelines.” Supportive Care in Cancer 27 (10): 3969–83.

Fan, Y. (2026). Crystal Piezoelectricity, Iron-Nickel Meteorites and Photobiomodulation: Alpha-Quartz, Tourmaline Pyroelectricity, Widmanstätten Diffusion and Near-Infrared Cytochrome c Oxidase in Solid-State Physics and Biophotonics [晶体压电性、铁镍陨石与光生物调节] (Version 1.0.0). 5D Library. https://doi.org/10.5281/zenodo.23698498 · Licensed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0).