低活性水平激光治疗间充质基质细胞疗法

文摘

低活性水平激光疗法(低)主要集中在激活细胞内或细胞外的发色团的起始细胞信号通过使用低功率激光。在过去的四十年,意识到激光治疗有可能改善伤口愈合和减轻疼痛和炎症。近年来,低一词已成为再生医学领域的广泛认可。在本文中,我们将描述行动的机制在细胞水平和低强度引入应用程序间充质干细胞和间充质基质细胞(msc)的治疗方法。最后,我们最近的研究结果,低强度增强的msc分化成骨细胞也被描述。

1。介绍

间充质基质细胞(msc)的有前途的来源是各种组织的再生医学和修复治疗一系列的疾病。这些细胞的分化不同的血统是由当地的细胞外基质(ECM)以及空间和时间线索,包括生长因子,和交互。在骨形成、转导和物理信号,如剪切应力和流体流动(1),也影响msc分化的。然而,根本问题,如何控制msc分化的成熟细胞必须回答。特别是,更好的理解如何具体因素可能改变命运的分化msc是必要的。他们快速和选择性分化应该提供潜在的治疗恢复的新方法受损或病变的组织。我们有报道说,激光辐照msc影响细胞分化和细胞分化的可能机制提出了激光(2- - - - - -4]。在本文中,我们将描述激光辐照的作用机制和引入应用程序msc治疗包括我们的研究成果。

激光(由辐射的受激发射光放大)是一个设备产生电磁辐射,相对统一的波长,相位和偏振。这种技术最初是在1960年被梅曼的形式红宝石激光器(5]。激光的特性让众多的医学应用,包括用于外科手术,激活光动力代理,和各种化妆品中消融疗法,所有这些都是基于热产生的激光束,在某些情况下导致组织破坏(6- - - - - -13]。低活性水平激光疗法(低)是一种治疗的人体组织与低功率激光辐照(的几百毫瓦)诱导治疗的变化。为了探索激光的致癌潜力,老爷等人在1967年申请一个低功率红宝石激光器波长694 nm小鼠剃背的皮肤(14]。与他们的预期相反,激光辐照不致癌,而是改善头发的生长。作为第一个研究记录激光的生物学效应,为后续的低强度研究他们的发现成为一个跳板。虽然光学疗法已经被使用了很长一段时间和紫外线疗法有超过一个世纪历史(15),老爷等人的工作在演示激光的影响显著,单色性和相干性的独特特点。随后的实验后,主人和他的同事在1971年报道,低功率激光射线加速伤口愈合(16]。从那时候,众多在体外和在活的有机体内再生医学研究低强度的上下文中展示了各种各样的治疗效果包括改善伤口愈合,胶原蛋白合成、细胞增殖,骨折修复,以及局部血液循环,抑制炎症和疼痛。根据da Silva et al。17),激光的类型最常用于伤口愈合和组织修复是氦氖激光器(氦氖)和二极管激光器,包括gallium-aluminum-arsenic (Ga-Al-As) arsenic-gallium (As-Ga)和indium-gallium-aluminum-phosphide (In-Ga-Al-P)激光。

大量的文献和评论文章18- - - - - -20.)表明,低加速伤口愈合,这里存在一些典型的结果。辐照的人工培养的角质细胞632海里氦氖激光器interleukin-1升高α和interleukin-8 mRNA水平,提升角化细胞迁移和增殖,加速伤口修复(21]。此外,在体外laser-irradiated细胞的研究显示水平升高的血管内皮生长因子(VEGF) [22)和转化生长因子β(TGFβ)表达式23]。这些发现说明了激光增强许多细胞因子和生长因子的表达在角化细胞和成纤维细胞,细胞愈合过程的介质的关键。此外,与lipopolysaccharide-induced小鼠腹膜炎后辐照与904 nm砷化镓(Ga-As)激光,炎症细胞迁移是抑制24]。在鼠模型carrageenan-induced胸膜炎,660 nm In-Ga-Al-P激光抑制炎性细胞因子的产生和炎症细胞的迁移25]。阿尔贝蒂尼领导的一组研究人员正积极追求低强度的抗炎作用研究26- - - - - -46]。在再生医学领域,低加速成骨细胞增殖,骨形成(47),和骨修复48]。各种团体建议胰岛素样生长因子- 1 (igf - 1)的参与49),增殖蛋白激酶(MAPK) /细胞外signal-regulated激酶(ERK) [50,骨形成蛋白(BMP) / Smad信号级联(51]。此外,低所带来的生理效应受损神经元的再生(52- - - - - -55),关节软骨(56),和肌肉组织57- - - - - -59]。到目前为止,已经提出几种机制的生物行动,虽然已经明确。这些包括增加细胞ATP水平(60- - - - - -62年];操纵诱导一氧化氮合酶(间接宾语)活动63年- - - - - -67年];抑制炎性细胞因子如肿瘤坏死因子(TNF)α(61年,68年- - - - - -70年)、白介素- 1 (IL)β(27,70年,71年),il - 6 (25,70年,72年- - - - - -74年),和引发25,70年,72年,75年];upregulation等生长因子PDGF、igf - 1、神经生长因子、FGF-2 [71年,76年- - - - - -78年];线粒体膜电位的改变(79年- - - - - -82年)由于生色团中发现线粒体呼吸链(83年- - - - - -85年];刺激蛋白激酶C (PKC)的激活86年];操纵核因子- (NF -)κB激活(28];诱导的活性氧(ROS) (87年,88年];细胞外基质成分的修改89年];抑制细胞凋亡的79年];刺激肥大细胞脱粒[90年];和upregulation热休克蛋白(91年]。

在下面的文章中,我们将讨论细胞低强度的影响,造成其生物的行为。通过我们的研究,我们发现(i)细胞内感光细胞的存在和视觉感受产生的生理变化,(2)辐照后在细胞信号转导级联修改,和(3)辐照后基因表达的变化。这些不同的影响不会发生在一个孤立的方式。在这里,我们将关注这些影响如何相互作用诱导细胞功能的修改。我们还将总结典型低应用msc治疗的结果。

2。激光细胞反应

为了阐明低功率激光的生物机制影响记录在实验和临床研究中,一个必须考虑激光照射的细胞反应。必须被电子吸收光子吸收光谱属于一些生色团分子或感光细胞(92年]。发色团或感光分子(或分子)之间的能量差在两个不同的分子轨道中电子的能量被光子在可见光谱。在本节中,我们描述了细胞内的光感受器和激光的细胞反应。最特色的低强度相对于其他形式的影响不是通过介导的感应热影响,而是通过这一过程被称为“photobiostimulation。”

2.1。细胞内感光

光生物学的视觉感受是指细胞内过程wavelength-specific感光细胞吸收光子能量(92年]。光感受器是能够吸收的生物分子photoenergy,本质上或通过分子组件。线粒体呼吸链包括多个光感受器,如下所述。

2.1.1。细胞色素氧化酶

酶细胞色素通过细胞色素氧化酶收到呼吸链电子基质通路和传输氧气分子。细胞色素氧化酶已被建议作为内生光感受器在可见近红外区域(超过600海里)(93年]。科学家们在photobiomodulation细胞色素进行了广泛的研究氧化酶,特别是在神经细胞。在神经元功能灭活的河豚毒素的一项研究中,一个压敏电阻器的钠离子通道阻滞剂(94年),近红外辐照恢复陶醉的活性细胞色素氧化酶通过改变其氧化还原状态。在另一项研究中,激光辐照的线粒体细胞色素增加氧化酶活动,polarographically测量水平的耗氧量,以及随后的ATP生产(95年]。许多其他的在体外和在活的有机体内对激光细胞生长的研究报道细胞色素的变化氧化酶活性和ATP生产辐照后(81年,96年- - - - - -103年]。

2.1.2。卟啉

卟啉是一群大环的有机化合物,包含四个吡咯单元加入了次甲基桥。这些主要是绿色或红色的化合物有特定的吸收光谱和发射红色荧光。天然卟啉,包括那些在人体内发现,经常与铁形成复合物或镁离子协调四个吡咯氮原子。例如,铁原卟啉IX (PPIX)复合物(即。,血红素b)形成血红蛋白的辅基,过氧化氢酶和过氧化物酶。线粒体细胞色素也包含iron-porphyrin组(nonhemeb)。PPIX吸收光谱有五个主要的高峰在400到650纳米的范围,与峰高降低随着吸收波长的增加。PPIX的激发三重态,由激光的吸收光子,产生活性氧的原子基态氧传递能量。模式的光动力疗法(PDT),利用这一特性开发抗癌治疗。在这种技术中,病人管理PPIX或其前体,5-aminolevulinic酸(ALA),并与当地激光辐照ROS生成杀死恶性血管肿瘤细胞或上皮细胞(104年]。

2.1.3。黄素蛋白(黄素蛋白)

黄素蛋白是一组蛋白复合物含有核黄素辅基(例如,黄素腺嘌呤二核苷酸(时尚)或黄素单核苷酸(FMN))。大多数黄素蛋白功能黄素酶使用铁、钼、铜、锰等重金属离子作为辅助因子。这些蛋白质主要吸收峰在350到500纳米的范围。黄素蛋白调节一系列广泛的生物过程,如发光、淬火氧化应激的激进分子,DNA修复和细胞凋亡105年]。一些研究人员,包括目前的作者,已公布的角色黄素蛋白作为细胞内photoacceptors [2,3,106年]。

2.1.4。其他组的光感受器

除了以上提到的三个主要群体的光感受器,还有其他类型的细胞,包括视紫红质、胆红素、黑色素,蝶呤,维生素B6,维生素K,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸()氢(NAD (P) H),尿刊酸和色氨酸。

2.2。激光信号级联的变化

很明显,为了转导信号转导途径调节细胞信号从细胞感光细胞吸收光子能量生化机械控制基因转录。许多研究人员认为,光子的能量被细胞内受体导致基因和蛋白质表达的变化通过一系列流程,修改信号级联。然而,知之甚少如何light-stimulated核受体转导信号,或如何将这些信号调节特定基因的表达。我们已经研究了机制促进和抑制干细胞分化,与细胞中一种关注FAD-containing感光细胞(2,3]。我们的研究表明,激活中一种迁移到细胞核,在规范的表达蛋白质位于E-boxsequence下游。理所当然的,细胞功能受一系列其他因素,包括活性氧。因此,我们现在将描述生化变化低引发超出了感光吸收光的能量,在文献中报道。

2.2.1。氧化还原途径

提出了氧和氮自由基线粒体信号转导细胞核。这些物种与NAD反应,NADH、辅酶ii NADPH,谷胱甘肽,谷胱甘肽硫化,硫化硫氧还蛋白和硫氧还蛋白107年]。这些物种的细胞包含几个内生传感器(通常,超氧化物歧化酶(SOD))108年]。活性氧的检测,细胞激活自卫通路通过改变其基因表达模式(109年]。如果这些自卫机制失败,细胞凋亡。活性氧的水平严格确定蛋白质的表达调节细胞增殖,表明氧自由基作为第二信使[110年,111年]。ROS是控制细胞功能中起重要作用[112年]。低功率激光的波长约为630纳米接触细胞产生氧自由基(113年,114年]。我们也发现了显著增加细胞内氧自由基的水平暴露于激光(波长:405海里)87年]。虽然具体机制仍然未知,激光细胞内生成活性氧可能涉及能量转移从PPIX和其他光感受器细胞中。此外,一些组织细胞功能描述由一氧化氮(NO),由激光辐照、调节以及诱导一氧化氮合酶(间接宾语)65年,67年,114年- - - - - -116年]。激光控制的细胞功能的机制被认为是取决于光感受器活动的调节和细胞内ROS水平。

2.2.2。转录因子

一些研究人员报道,上述氧化还原途径引发许多转录因子的表达变化。这里,我们简要描述最合适的转录因子在低强度领域,NF -κB (117年,118年]。发表文章在其他转录因子调节多种细胞功能已经明确表示,他们的表达水平也在暴露于激光辐照改性。作为转录因子,NF -κB可以同时诱导il - 1的表达,2、il - 6,引发,白介素、肿瘤坏死因子-α和其他促炎细胞因子。它还控制apoptosis-related蛋白质的表达,这发挥重要作用在肿瘤细胞生长和不朽。多项研究表明,上述氧化还原途径触发增加NF -κB水平(117年,118年]。这种机制被认为,至少在某种程度上,观察到的低功率激光照射诱发各种细胞因子的表达。Rizzi等人表明,组织学异常增加胶原蛋白浓度和氧化应激创伤后观察。相关的减少诱导一氧化氮合酶过度和胶原蛋白生产表明NF -κB通路信号途径参与肌肉损伤的发病机制118年]。低氧诱导因子(HIF-1)也是一个无处不在的转录因子参与控制细胞和组织对缺氧的反应,特别是在血管生成,造血,厌氧能量代谢。有超过70个基因已经被鉴定为直接目标的关键HIF-1结合位点(119年]。此外,激活蛋白- 1(美联社)参与细胞增殖、转换,和死亡120年]。AP-1不是一个单一的蛋白质,但蛋白质组成的一系列复杂的形成属于小君,”丛书,ATF亚科,识别特定的核目标序列。不同的二聚的组合可以刺激多种基因表达模式。AP-1可以激活生长因子、细胞因子、缺氧、电离和紫外线辐射121年,122年]。

2.2.3。昼夜节律

昼夜节律,大约24小时周期的细胞活动,期间获得进化的早期阶段,从单细胞生物到哺乳动物无处不在。一些哺乳动物生物钟基因共同努力,建立一个稳定的振荡约24小时。生物钟的蛋白质,如脑力Arnt-like蛋白2 (BMAL2),时钟,隐花色素(哭)和时间(每),设置时钟的速度在几乎所有的细胞类型(例如,细胞分裂和其他细胞活动的时间)。哭,疯狂受体在高等植物和果蝇科(123年),利用其发色团时尚辅酶,它经历了疯狂的兴奋。这个观察导致light-excited时尚将电子转移到一个特定的底物。然而,这个理论还没有被测试的有效性。骨代谢(重构)是一个连续稳态过程涉及现有的由破骨细胞骨吸收和形成新骨的成骨细胞。福等人表明,昼夜节律调节骨形成(124年],川崎等人报道,E-box主题,昼夜监管序列,参与的成骨细胞表达骨形成蛋白(BMP) 4 (125年];这些发现表明,哭蛋白质调节各种稳态和生理事件通过E-box元素。我们进行研究的影响激光在细胞内的分布和表达哭使用激光束(波长:405海里),对应的吸收带哭的辅酶时尚(2]。我们将在下面描述的结果。

3所示。低强度的msc治疗

由于低强度被科学证明是有益的治疗方法为许多疾病和患病的情况,这是应用于增强msc增殖和分化。最近三年的报告关于低强度应用msc增殖和分化潜力增加总结表1(126年- - - - - -135年,138年- - - - - -143年]。Abrahamse集团发表了一些文献对低强度的应用干细胞。的细胞效应显著增加增殖和生存能力可能导致的低强度的许多生物医学学科进一步扩大再生医学的成功(144年]。他们报告说,低功率激光照射可以诱导脂肪干细胞活动增加迁移,增殖和生存能力,激活蛋白表达和诱导分化的祖细胞(145年- - - - - -147年]。吴等人报道,低强度人类脂肪干细胞抑制炎症反应,通过调节细胞内和NF -环腺苷酸水平κB活动(129年]。脂多糖(LPS)诱导促炎细胞因子表达抑制了低强度和细胞内营水平,以起到表达下调NF -κB转录活动增加。这些结果表明,低强度可以应用于抗炎疗法干细胞疗法紧随其后。我们报道了激光辐照可以直接初级msc通过改变细胞外钙化的细胞内定位昼夜节律蛋白质,CRY1 [2,3]。图1提出了激光的光束剖面(波长:405海里)研究中使用(面板(a))和小鼠骨髓间充质基质细胞的改变辐照3分钟,然后培养14天在成骨细胞分化培养基(面板(b))3]。茜素红染色显示染色细胞分布在一个圆形区域的直径与激光束。此外,免疫染色结果CRY1蛋白质在图表示2。而CRY1在控制细胞分布在细胞质,细胞核是局部细胞暴露于激光辐照(波长:405海里)。核的时间积累的时钟蛋白质构成的重要一步transcription-translation反馈回路驱动昼夜核心振荡器和控制通过调节蛋白定位和营业额。我们的结果表明,这些激光促进CRY1核本地化和调解CRY1和其他蛋白质的表达E-box的下游,它扮演了一个关键的角色在决定每个位置的表达(3]。我们也报道了激光辐照抑制间充质基质细胞的脂肪细胞的分化2和加速分化成软骨细胞4]。Abramovitch-Gottlib等人报道,随之而来的表型调制的msc对僵化的组织进行了研究和开发结合3 d biomatrix /低系统(148年]。辐照样品的结果显示增强组织形成、磷的山峰,和钙和磷酸盐公司新成立的组织。此外,在辐照样品高山活动显著增强在早期阶段,特别是减少后期的培养阶段。这些发现的细胞和组织参数28天的文化在辐照样品显示更高的骨化水平与对照组相比。他们建议的表面性质3 d晶体biomatrices和低强度biostimulatory影响msc转化为成骨细胞和诱导的体外骨化(148年]。此外,主要用于低强度激光在可见光波长,但是这部小说激光源,如太赫兹激光(太赫兹),最近被追究msc治疗(135年- - - - - -137年]。Alexandrov等人报道,延长暴露于广谱太赫兹辐射导致细胞DNA的特定功能的变化。在辐照msc文化中某些基因被激活,而其他基因是压抑的。许多的msc基因不应对选择辐射条件,显示特定的影响。此外,9个小时的接触造成重大msc基因表达的变化,而反应短时间(2和4小时)明显不明显。因此,他们讨论了太赫兹辐射的影响基因和接触具体的和最有可能是DNA转录水平的137年]。尽管每个研究者使用一种不同类型的激光(即。,wavelength, power, and pulse-width), MSCs proliferative and differentiation potential can be increased. The mechanisms involved remain to be clarified, but LLLT is a valid approach for the preconditioning of MSCs在体外在细胞移植。

4所示。结论

再生医学和干细胞疗法有潜力提供diseases-free,功能组织和器官,改善患者的生活质量。他们也能够改变人类疾病的治疗通过引入组合创新的新疗法,如干细胞疗法和低强度。今天,研究人员进行了密集的基础和临床研究领域的激光医学、光生物学的目的,开发新的诊断和治疗方法。在这里,我们描述了一些最新的研究进展与激光辐照msc的细胞效应。了这种反应的潜在的生物机制显著不同类型的激光器,目标细胞,和其他实验条件。适当使用低强度,培养细胞的增殖率,包括msc、可以增加,这将是非常有用的在组织工程和再生医学。我们必须积累系统的知识库,通过仔细分析当前可用的实验数据,以及数据收集在未来。我们相信,光学生物医学研究将为photodiagnosis开辟新的视野、光疗,msc治疗。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这篇评论文章被KAKENHI格兰特没有支持。25713009从日本促进社会科学(jsp)。

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