670nmLED对糖尿病视网膜病变的光生物调节作用及其机制研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.53MB 53 页 15积分

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摘要

糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR）是糖尿病最常见和最严重

的微血管并发症之一，也是常见的致盲性眼病，表现为视网膜毛细血管损伤。目

前视网膜激光光凝术是治疗 DR 的主要手段，但是光凝治疗本身是一种损伤式治疗，

副作用较大且价格昂贵，因此需要研究新型高效的治疗方法。其中，利用光生物

调节作用治疗 DR 是研究人员正在积极探索的一种新方法。光生物调节常用的光源

是低强度激光和发光二极管（lighting emitting diode，LED）。与激光相比，LED

产热小、毒副作用低、安全便宜，因此本文采用 670nm 波长的 LED 光源，探讨 LED

对糖尿病视网膜病变的光生物调节作用及机制，并提出一种 DR 用 LED 光生物调节

治疗仪器的设计开发思路。

1、开展细胞实验，观察 670nm LED 对缺氧条件下猴脉络膜-视网膜（内皮）

细胞株（RF/6A）细胞活力、细胞色素 C 氧化酶和 ATP 浓度的影响。结果表明 LED

照射后显著增强细胞活力，提高缺氧损伤 RF/6A 细胞色素 C 氧化酶活性和 ATP 浓

度，LED 照射能有效抑制氯化钴对细胞造成的缺氧损伤。

2、基于上述研究和相关文献，本文提出一种 DR 用 LED 光生物调节治疗仪器

的设计开发思路。鉴于医疗器械在设计和开发中的缺陷易导致严重不良事件，对

产品设计和开发过程进行风险分析和评价，能够确保产品满足用户的需求并符合

法律法规的要求。为此本文在设计和开发输入阶段对 DR 用 LED 光生物调节治疗仪

器开展风险分析，保障拟开发产品的安全有效。

综上，本文初步证明了 LED 照射对糖尿病视网膜病变的光生物调节作用，探

讨了可能的调节机制，为 DR 用 LED 光生物调节治疗仪器的设计开发及设计和开发

中的风险分析奠定基础。

关键词：发光二极管（LED）光生物调节糖尿病视网膜病变作用机

制

ABSTRACT

Diabetic retinopathy (DR) is one of the most common and most serious diabetic

microvascular complications.It is the major cause of blindness with retinal capillary

damage. At present, retinal laser photocoagulation is one of the most effective treatment

means; however the treatment itself is a pathological process with serious side effects

and the cost is expensive. Then it becomes necessary to find a new and efficient

treatment method for DR. Among them, photoboimulation for DR is one of the new

therapies that are being actively explored. Low power laser and light emitting diode

(LED) are the most common light sources for photoboimulation. Compared with laser,

LED has less heat production and toxic side effects, it is safe and cheap, therefore, it

will be valuable to study and apply LED. So this paper studied the effects and

mechanism of photobiomodulation for DR by 670nm LED and gave a concept of a LED

therapy device for DR.

1. An experimental study has been done to study the effects of 670nm LED

irradiation on cell viability, cytochrome c oxidase activity and ATP concentration of

hypoxic RF/6A. The result of the experiment showed that LED irradiation can

significantly enhance cell viability, increase cytochrome c oxidase activity and ATP

concentration of hypoxia RF/6A, in such a way hypoxia damage caused by cobalt

chloride can be inhibited by LED irradiation.

2. Based on experimental data above and related literatures, a concept of a LED

therapy device for DR is given. As errors in design and development process can easily

result in adverse events, risk analysis and assessment during design and development

period can make product meet the needs of users and comply with legal requirements. A

risk analysis for the design and development input of the diabetic retinopathy LED

therapy device has been done.

In conclusion, this paper demonstrated that photobiomodulation of 670nm LED

may be effective for DR, discussed the possible mechanism of photobiomodulation,

moreover, laid foundations for design and development LED therapy device for DR and

risk analysis and assessment during the period.

Key Word: lighting emitting diode （LED ）， photobiomodulation ，

diabetic retinopathy，effect，mechanism

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 研究背景及意义 ............................................. 1

§1.2 研究内容 ................................................... 3

§1.3 研究方法 ................................................... 3

§1.4 技术路线 ................................................... 3

第二章光生物调节作用 ................................................ 5

§2.1 低强度激光的光生物调节作用 ................................. 5

§2.2 低强度激光光生物调节作用的机理 ............................. 6

§2.3 相干光与非相干光的光生物调节作用 ........................... 6

§2.4 LED 的光生物调节作用 ........................................ 7

§2.4.1 LED 的发光原理和特性 .................................. 7

§2.4.2 LED 的光生物调节作用的研究进展 ........................ 8

§2.5 670nm LED 光生物调节作用与糖尿病视网膜病变 ................. 10

§2.6 本章小结 .................................................. 11

第三章 670nm LED 光生物调节作用的实验研究 ........................... 12

§3.1 实验材料 .................................................. 12

§3.1.1 实验细胞 ............................................. 12

§3.1.2 实验试剂 ............................................. 12

§3.1.3 实验试剂的配制方法 ................................... 12

§3.1.4 实验设备 ............................................. 13

§3.2 实验方法 .................................................. 13

§3.2.1 细胞培养及缺氧模型的建立 ............................. 13

§3.2.2 实验分组和 LED 照射方法 ............................... 15

§3.2.3 细胞活力检测 ......................................... 15

§3.2.4 细胞色素 C 氧化酶活性检测 ............................. 16

§3.2.5 ATP 浓度检测 ......................................... 17

§3.3 实验结果 .................................................. 18

§3.3.1 氯化钴最佳作用浓度的确定 ............................. 18

§3.3.2 LED 最佳照射剂量的确定 ............................... 19

§3.3.3 670nm LED 照射对细胞色素 C 氧化酶活性的影响 ........... 19

§3.3.4 670nm LED 照射对细胞 ATP 浓度的影响 ................... 20

§3.4 讨论 ...................................................... 20

§3.4.1 氯化钴诱导细胞缺氧损伤 ............................... 20

§3.4.2 670nm LED 照射影响细胞活力 ........................... 21

§3.4.3 670nm LED 照射影响细胞线粒体细胞色素 C 氧化酶活性 ..... 21

§3.4.4 670nm LED 照射影响细胞 ATP 浓度 ....................... 22

§3.4.5 LED 光生物调节作用治疗糖尿病视网膜病变的可能机制 ..... 22

§3.5 本章小结 .................................................. 23

第四章一种 DR 用 LED 光生物调节治疗仪器的设计思路及设计开发中的风险分析

初步探讨 ............................................................ 24

§4.1 一种 DR 用 LED 光生物调节治疗仪器的设计思路 ................. 24

§4.2 一种 DR 用 LED 光生物调节治疗仪器设计开发中的 FMEA 风险分析 .. 25

§4.2.1 医疗器械设计和开发中风险管理的重要性 ................. 25

§4.2.2 一种 DR 用 LED 光生物调节治疗仪器的 DFMEA 分析初步探讨 .. 28

§4.3 本章小结 .................................................. 30

第五章结论和展望 ................................................... 31

§5.1 结论 ...................................................... 31

§5.2 展望 ...................................................... 32

附录 ................................................................ 33

附录一一种 DR 用 LED 光生物调节治疗仪器的设计和开发输入 .......... 33

§1.1 LED 光生物调节治疗仪器的法规要求 ........................... 33

§1.2 眼科激光不良事件数据分析 ................................... 37

附录二风险分析方法 ............................................. 38

附录三一种 DR 用 LED 光生物调节治疗仪器可能的危害 ................ 41

参考文献 ............................................................ 44

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 ........................ 50

致谢 ................................................................ 51

第一章绪论

§1.1 研究背景及意义

糖尿病是一种以高血糖为主要标志的内分泌代谢病。糖尿病的发生是由于遗

传和环境因素相互作用，造成胰岛素分泌缺陷或胰岛素作用缺陷，从而引起蛋白

质、脂肪、水和电解质等一系列代谢紊乱。随着生活水平的提高和老龄化进程的

加速，糖尿病的患病率正在呈快速上升趋势，成为继心脑血管疾病、肿瘤之后的

另一个严重危害人类健康的慢性疾病。目前全球糖尿病患者已达 2.85 亿，2035 年

将有 4.38 亿糖尿病患者。糖尿病现在影响着世界上 7%的成年人群。发病率相对最

高的地区是北美洲，该地区 10.2%的成年人患有糖尿病，其次是中东和北非地区，

发病率为 9.3%。糖尿病患者数量最多的是西太平洋地区，糖尿病患者数为 7700 万。

东南亚有 5900 万糖尿病患者。国际糖尿病联盟（IDF）2010 年 3 月 25 日发表声明

说中国的糖尿病患者达 9240 万，已超过印度成为世界上糖尿病患者人数最多的国

家。预计 2030 年中国的糖尿病患者将达 5 亿，糖尿病已经成为 21 世纪的一种流

行性疾病。

糖尿病的并发症累及多个器官，尤其是损伤眼、心、血管、肾和神经，严重

影响患者的身心健康，并给个人、家庭和社会带来沉重的负担。

糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy,DR）是糖尿病最常见和最严重的

微血管并发症之一，也是常见的致盲性眼病[1]。研究结果显示，糖尿病视网膜病变

发生是在遗传的基础上，由高血糖导致视网膜多元醇通路活性增加、蛋白质非酶

糖基化、毛细血管细胞代谢紊乱、自由基氧化作用、血管内皮生长因子增多等诸

多因素共同作用的结果[2]，其典型的改变是微循环障碍和微血管基底膜增厚。糖尿

病视网膜病变根据眼底改变的不同分为非增殖型（nonproliferative diabetic

retinopathy，NPDR）、增殖型（proliferative diabetic retinopathy，PDR）和

糖尿病性黄斑水肿。NPDR 是初期改变，PDR 是一种进展型改变，黄斑水肿可与以

上两种类型同时存在。NPDR 出现出血点和微动脉瘤时为轻度，若出现棉毛斑和视

网膜内微血管异常并进一步发展出现静脉串珠样改变，则病情加重；PDR 的特点是

眼底出现视网膜新生血管和纤维组织增生，新生血管可以发生在包括视盘在内的

视网膜所有组织，病程早期视网膜新生血管小，纤维增殖也较少，随后新生血管

和纤维组织逐渐增多；糖尿病性黄斑水肿源于视网膜血管通透性异常，病变介于

NPDR 和 PDR 之间，黄斑区大面积毛细血管异常导致弥漫性黄斑水肿。

流行病学资料显示，病程在 5 年内的Ⅰ型糖尿病患者的 DR 发生率为 13%，病

670nm LED对糖尿病视网膜病变的光生物调节作用及其机制研究

程在 10-15 年则高达 90%；同样，在Ⅱ型糖尿病患者中，病程 5 年的 DR 发生率为

24%～40%，病程超过 10 年可达 53%～84%[3]。随着我国人民生活水平的提高及糖尿

病患病率的不断上升，尤其在经济较发达的大中城市，DR 的发病率正在逐年增加，

对 DR 的治疗也越来越引起人们的重视[4]。

糖尿病性视网膜病变的治疗包括：控制糖尿病、降低血脂水平、药物治疗、

激光治疗和玻璃体切割[1]，大量的实验和临床研究证实，视网膜激光光凝术是目前

治疗糖尿病眼底病变的最安全有效的措施，也是目前主要的治疗手段。激光治疗

可以在 5 年内使 PDR 患者的严重视力减退从 35％下降至 15％。然而光凝治疗并不

是对所有的病人都有效，应用不当，可能带来严重的不良反应。即使正确的光凝

治疗本身也是一种病理过程，会对视力、视野等造成一定损害[5]。激光手术费用高

昂也给患者带来了沉重的经济负担。因此需要研发新型高效的光学治疗方法。

大量的基础研究和临床应用结果表明，光生物调节作用对生物组织有多种光

生物调节作用，有助于促进缺血、缺氧性损伤和其他软组织损伤等。光生物调节

作用常用的光源有低强度激光和发光二极管（Lighting Emitting Diode，LED）,

低强度激光和 LED 在产生光生物效应上没有显著差异，这为在治疗中使用 LED 光

源提供了可能。

随着半导体技术的飞速发展，各种波长的 LED 在生物医学方面的应用日益扩

大并呈现出良好的发展前景。远红外至近红外（630～1000nm）范围内 LED 照射已

被发现在细胞培养和动物模型中可以有多种生物调节作用[7]，包括改善线粒体功能

[6,8,9]、促进细胞增殖、加速伤口愈合等[10]。LED 与激光相比，产热量小、毒副作用

低、安全便宜，如能证明其对 DR 的治疗作用，将具有极大的应用价值。

Eells 等人[9]的动物实验表明 670nm LED 照射可以改善动物模型视网膜功能，

推测 670nm LED 光生物调节可能通过线粒体细胞色素 C 氧化酶路径对糖尿病视网

膜病变产生治疗作用，这项研究成果发表在国际著名杂志 PNAS 上。但是该研究仅

限于动物水平的研究，目前尚未有细胞分子水平的研究支持并证实这一推论，LED

光生物调节对 DR 具体的调节机制尚不明确。

线粒体是普遍存在于真核细胞中的细胞器，通过氧化磷酸化进行能量转换，

合成能量物质-三磷酸腺苷（ATP）,为细胞的各项活动提供 90%以上的能量，是细

胞能量代谢的中心。近年来发现，线粒体还具有其他重要的生物学功能，包括调

控细胞凋亡、参与细胞信号转导、生成活性氧等[11]。在细胞中，线粒体不断进行

分裂、融合、增殖和降解，线粒体功能低下与糖尿病的发生密切相关。糖尿病视

网膜病变导致的视网膜组织缺氧使得线粒体产能功能降低,不能满足细胞的能量

需求,导致细胞的结构与功能障碍。

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摘要糖尿病视网膜病变（diabeticretinopathy，DR）是糖尿病最常见和最严重的微血管并发症之一，也是常见的致盲性眼病，表现为视网膜毛细血管损伤。目前视网膜激光光凝术是治疗DR的主要手段，但是光凝治疗本身是一种损伤式治疗，副作用较大且价格昂贵，因此需要研究新型高效的治疗方法。其中，利用光生物调节作用治疗DR是研究人员正在积极探索的一种新方法。光生物调节常用的光源是低强度激光和发光二极管（lightingemittingdiode，LED）。与激光相比，LED产热小、毒副作用低、安全便宜，因此本文采用670nm波长的LED光源，探讨LED对糖尿病视网膜病变的光生物调节作用及机制，并提...

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