808nmLED照射对急性缺血性脑卒中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 1.65MB 53 页 15积分

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摘要

随着人们生活方式的转变和人口老龄化进程的加快，脑卒中尤其是缺血性脑卒

中已成为我国主要的公共卫生问题，预防和治疗缺血性脑卒中已经成为我国卒中

防治的重点。针对缺血性脑卒中的治疗，目前常见的、最为有效的是溶栓抗凝治

疗。但是溶栓治疗时间窗较窄，副作用较大，价格昂贵，因此亟待研究新型高效

的治疗方法。其中，以光生物调节作用为基础的经颅近红外低强度激光照射治疗

作为非药物治疗的代表，已取得令人振奋的研究成果。由于 LED 光源和低强度激

光在产生生物效应方面类似，并无显著性差异，因此，本研究采用特定波长的 LED

光源，以神经元为研究对象，探讨 LED 照射对神经元的光生物调节作用及其可能

机制。

1. 通过观察神经元细胞形态，测定细胞活力、细胞色素 C氧化酶活性和 ATP

浓度，探讨 808nm LED 照射对神经元的光生物调节作用及其可能机制。实验证实

808nm LED 照射可以促进神经元线粒体呼吸，调节细胞色素 C氧合酶活性，从而

促进能量代谢，增加 ATP 合成，在一定程度上改善神经元的缺氧损伤，提高神经

元活力，最终促进神经元功能恢复。

2. 根据实验结果和相关文献，提出一种急性缺血性脑卒中用 LED 光生物调节

治疗仪器的设计思路，并结合风险分析方法，在设计和开发输入阶段对急性缺血

性脑卒中用 LED 光生物调节治疗仪器开展风险分析，为仪器设计阶段的风险控制

提供思路，保障拟开发产品的安全有效。

综上所述，本研究证实了 808nm LED 照射对急性缺血性脑卒中的光生物调节

作用，探讨了可能的调节机制，为开发治疗急性缺血性脑卒中的 LED 光生物调节

设备提供依据。

关键词: 发光二极管光生物调节急性缺血性脑卒中作用机制

Abstract

With the peoples’ lifestyle changing and the population aging, stroke, especially

acute ischemic stroke (AIS) has become a major public health problem. The prevention

and treatment of AIS has become the focus of stroke therapy. Currently, the most

effective anticoagulant treatment for AIS is thrombolysis therapy, which however has

some disadvantages, such as the narrow time window of therapy, the serious side effects,

and the high price. Then it becomes necessary to develop a new and efficient method of

treatment as soon as possible. Among them, the transcranial near-infrared laser therapy

(TLT) has been shown to be effective. TLT treatment is based on photobiomodulation of

far and near infrared light. Here, we used light-emitting diode with specific wavelength

to investigate its biological effects to neurons, so as to provide effective evidence for the

mechanisms of photobiomodulation.

1. The effect and mechanism of photobiomodulation for 808nm LED irradiation on

neurons has been studied in this paper. The cell morphology has been observed, the cell

viability and cytochrome C oxidase activity and ATP concentration have been measured.

It was shown that 808nm LED irradiation can improve the mitochondrial function of

neurons, increase cytochrome C oxidase activity and ATP concentration. Thus, 808nm

LED irradiation can inhibit the hypoxia damage and significantly enhance cell viability

of neurons to certain extent, and finally recover the neurons function.

2. A concept of a LED therapy device for AIS has been provided based on the

experimental results and literatures, and a risk analysis during the design and

development input for AIS therapy LED device has been done in order to provide the

guidance for risk control in the design stage of the device and ensure its safety and

effectiveness.

In conclusion, this study demonstrated that photobiomodulation of 808nm LED

may be effective for acute ischemic stroke, discussed the mechanism of

photobiomodulation, and did a risk analysis for AIS therapy LED device, which can be a

foundation for product development.

Key Word: light emitting diode, photobiomodulation, acute ischemic

stroke, effect, mechanism

中文摘要

ABSTRACT

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

§1.1 研究背景 ................................................... 1

§1.2 研究内容及意义 ............................................. 2

§1.3 研究方法 ................................................... 2

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

第二章光生物调节用于急性缺血性脑卒中的治疗 .......................... 4

§2.1 脑卒中的非药物治疗方法 ..................................... 4

§2.1.1 高压氧治疗 ............................................ 4

§2.1.2 激光光生物调节治疗 .................................... 5

§2.2 LED 光源 .................................................... 7

§2.2.1 LED 光源的优势 ........................................ 8

§2.2.2 LED 的光生物调节作用 .................................. 8

§2.3 光生物调节作用的机制 ....................................... 9

§2.4 本章小结 .................................................. 10

第三章 808nm LED 光生物调节作用的实验研究 ........................... 11

§3.1 实验材料 .................................................. 11

§3.1.1 实验动物 ............................................. 11

§3.1.2 实验试剂 ............................................. 11

§3.1.3 实验仪器 ............................................. 13

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

§3.2.1 原代培养大鼠大脑皮层神经元 ........................... 13

§3.2.2 建立神经元缺氧损伤模型 ............................... 14

§3.2.3 实验分组及 LED 处理方法 ............................... 14

§3.2.4 实验指标及其测定方法 ................................. 16

§3.2.5 统计学处理 ........................................... 20

§3.3 实验结果 .................................................. 20

§3.3.1 CoCl2最佳作用浓度的确定 .............................. 20

§3.3.2 LED 最佳功率密度的确定 ............................... 20

§3.3.3 LED 照射对神经元形态和活力的影响 ..................... 21

§3.3.4 LED 照射对神经元 COX 活性的影响 ....................... 23

§3.3.5 LED 照射对神经元 ATP 浓度的影响 ....................... 23

§3.4 讨论 ...................................................... 24

§3.4.1 原代神经元缺氧损伤模型的建立 ......................... 24

§3.4.2 808nm LED 照射对神经元活力的影响 ..................... 25

§3.4.3 808nm LED 照射对神经元 COX 活性的影响 ................. 25

§3.4.4 808nm LED 照射对神经元 ATP 浓度的影响 ................. 26

§3.4.5 808nm LED 的光生物调节作用及可能机制 ................. 27

§3.5 本章小结 .................................................. 27

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

步探讨 .............................................................. 28

§4.1 一种 AIS 用 LED 光生物调节治疗仪器的设计思路 ................ 28

§4.2 一种 AIS 用 LED 光生物调节治疗仪器设计开发中的 FMEA 风险分析 . 30

§4.2.1 医疗器械设计和开发中风险管理的重要性 ................. 30

§4.2.2 一种 AIS 用 LED 光生物调节治疗仪器设计开发中的 FMEA 分析 30

§4.3 本章小结 .................................................. 33

第五章结论与展望 ................................................... 34

§5.1 结论 ...................................................... 34

§5.2 展望 ...................................................... 34

附录 ................................................................ 35

附录一医疗器械安全性评价 ....................................... 35

§1.1 安全性评价 ................................................ 35

§1.2 医疗器械安全性评价 ........................................ 35

§1.3 医疗器械风险管理 .......................................... 36

附录二 LED 光辐射安全标准 ........................................ 40

§2.1 LED 的医学应用 ............................................. 40

§2.2 LED 光辐射安全标准的发展 ................................... 42

§2.3 光辐射危害 ................................................ 43

参考文献 ............................................................ 45

在读期间公开发表的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

脑卒中，俗称脑中风，是一组以局灶性神经功能缺失为共同特征的急性脑血

管疾病。脑卒中发病率高、死亡率高、致残率高、治愈率低，严重危害人类健康，

给个人、家庭和社会造成了沉重负担[1]。我国每年用于治疗脑血管病的费用估计约

120 多亿元，再加上各种间接经济损失，每年因本病的总支出近 200 亿元[2]。

我国每年死于脑卒中的患者超过 100 万，在现有的 400 多万卒中患者幸存者

中，致残率高达 75％，其中 40％为严重残废[3]。为此，我国于 2009 年6月24 日

“世界脑卒中日”正式启动了“脑中风筛查及防控工程”[4]。脑卒中患者中，缺血

性脑卒中（Acute Ischemic Stroke，AIS）的发生率远高于出血性脑卒中，占所有脑

卒中的 80%以上[5]。为此，2009 年9月15 日，卫生部发布了《缺血性脑卒中筛查

和防控指导规范（征求意见稿）》[6]。而今，随着人口老龄化进程的加快和生活方

式的转变，脑卒中尤其是缺血性脑卒中已成为我国主要的公共卫生问题，预防和

治疗缺血性脑卒中已然成为我国卒中防治的重点。

针对缺血性脑卒中的治疗，目前常见的、最为有效的是溶栓抗凝治疗。1996

年，美国食品与药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准重组

组织型纤溶酶原激活剂（rt-PA）用于治疗AIS，近十年来，临床大样本随机对照研

究证实，AIS早期溶栓治疗是安全有效的[7]。溶栓治疗的目的在于溶解血栓，快速

恢复梗死区微循环，以便获得脑血流的早期再灌注，减轻缺血程度，从而限制神

经元细胞及功能的损害[3]。截至2003年年底，我国已经公开的使用溶栓法治疗AIS

的随机临床试验进行了很多，涉及患者总数有5727例[3]。但是，溶栓治疗率不容乐

观[7]，且溶栓治疗风险大，存在很大程度的不足[8]：对某些缺血时间较长的区域，

缺血中心区和易损区较易产生再灌注损伤、梗死后出血和严重的脑水肿，出现严

重的副作用[9]。

世界各国都在致力于研究新型的治疗方法，其中，非药物治疗引起大家的广

泛关注，典型的非药物治疗方法有高压氧治疗和低强度激光治疗，尤其是后者。

以光生物调节作用为基础的经颅近红外激光照射治疗（Transcranial near-infrared

laser therapy，TLT）作为急性缺血性脑卒中非药物治疗研究的代表，在急性缺血性

脑卒中的动物实验[10, 11]和临床试验[12, 13]中取得了令人振奋的研究进展，是目前被

广泛认证效果明显的治疗手段。但是，低强度激光治疗方法的原理和机制还尚未

明确，Wong-Riley[14]猜想低强度激光治疗可以促进线粒体呼吸，调节细胞色素C氧

合酶（Cytochrome c Oxidase，COX）活性，从而促进能量代谢，增加三磷酸腺苷

808nm LED 照射对急性缺血性脑卒中的光生物调节作用及其机制研究

（Adenosine Triphosphate，ATP）合成，最终促进神经元功能恢复，达到治疗急性

缺血性脑卒中目的。

由于波长有限，光谱半宽峰很窄（只有 1-2nm）以及光束较细，低强度激光在

光生物调节中的应用受到了一定限制。不过，在产生生物效应这一点上，研究证

实，低强度激光和单色光无显著性差异[15]，这为开发波长范围和光束面积大的新

型光源提供了可能。其中，发光二极管（Light Emitting Diode，LED）光源受到广

大研究人员的青睐，大量研究论文表明 LED 在物理因子治疗领域扮演着越来越重

要的角色，而且已经陆续应用到肌肉与骨骼的恢复治疗、伤口愈合、座疮治疗等

领域[16, 17]。Eells J.T.[18]等人研究证实，670nm LED 照射对大鼠甲醇诱导的糖尿病

视网膜病变有保护作用，能减轻受损视神经的退变。Wong-Riley[14]等人研究证实，

830nm LED 照射对氰化钾诱导原代大鼠视皮层神经元缺氧损伤有改善作用。而且，

国内 LED 生物光源的制备技术也达到了一定水平[15]，其光束和波长可随意调节，

不会产生热损害，生物组织更易耐受，外观更紧凑，携带更方便，较之激光显示

出更大的优势[16, 19, 20]。因此，本课题采用 808nm 波长 LED 光源，通过实验研究探

讨LED 照射对原代神经元的光生物调节作用及其可能机制，为开发新型的 AIS 用

LED 光生物调节治疗仪提供数据支撑。

§1.2 研究内容及意义

1．通过观察神经元细胞形态，测定细胞活力、细胞色素 C氧化酶活性和 ATP

浓度，探讨 808nm LED 照射对神经元的光生物调节作用及其可能机制。

2．根据实验结果提出一种治疗急性缺血性脑卒中的 LED 光生物调节设备，并

结合风险分析方法，在设计和开发输入阶段对急性缺血性脑卒中用 LED 光生物调

节治疗仪器开展风险分析。

因此，本研究证实了 808nm LED 照射对急性缺血性脑卒中的光生物调节作用，

探讨了可能的调节机制，可为开发治疗急性缺血性脑卒中的 LED 光生物调节设备

提供依据。

§1.3 研究方法

1. 文献综述。收集国内外权威杂志和急性缺血性脑卒中、激光、LED 等关键

词相关的学术文献和报道；

2. 实验研究。结合本课题现有的科学理论，借助细胞分子学相关的方法技术，

拟出测量指标：神经元形态、神经元细胞活力、神经元细胞 ATP 含量、神经元细

胞色素 C氧化酶活性，并对所有指标进行相应的观察、测量和记录；

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摘要：

摘要随着人们生活方式的转变和人口老龄化进程的加快，脑卒中尤其是缺血性脑卒中已成为我国主要的公共卫生问题，预防和治疗缺血性脑卒中已经成为我国卒中防治的重点。针对缺血性脑卒中的治疗，目前常见的、最为有效的是溶栓抗凝治疗。但是溶栓治疗时间窗较窄，副作用较大，价格昂贵，因此亟待研究新型高效的治疗方法。其中，以光生物调节作用为基础的经颅近红外低强度激光照射治疗作为非药物治疗的代表，已取得令人振奋的研究成果。由于LED光源和低强度激光在产生生物效应方面类似，并无显著性差异，因此，本研究采用特定波长的LED光源，以神经元为研究对象，探讨LED照射对神经元的光生物调节作用及其可能机制。1.通过观察神经元细胞形...

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