Photobiomodulation und Lichtdosis: Wellenlänge, Leistung und Zeit

Was bedeutet Lichtdosis bei der Photobiomodulation?

Die Minutenzahl allein beschreibt keine Lichtdosis. Wir müssen wissen, welches Licht verwendet wird, welche optische Leistung auf eine bestimmte Fläche trifft, wie lange die Anwendung dauert und welches Gewebe erreicht wird. Bei wiederholter Anwendung kommen die Anzahl und die Abstände hinzu. Die Photobiomodulation (PBM) untersucht biologische Reaktionen auf Lichtreize; deren Ausmaß muss nicht proportional zur zugeführten Energie zunehmen. [2] [3]

Die Leistung der Quelle, die auf die Oberfläche treffende Energie und die vom Zielgewebe absorbierte Energie sind unterschiedliche Größen. Haut, Nasenschleimhaut und Blut in einem Gefäß bieten unterschiedliche optische Bedingungen. Dieselbe Dauer oder derselbe Wert in J/cm² lässt sich deshalb nicht automatisch auf einen anderen Anwendungsweg übertragen.

Wellenlänge, Leistung und Zeit: Was sagen die Einheiten aus?

Die folgende Übersicht trennt physikalische Parameter vom biologischen Ergebnis. Jede Größe beschreibt einen anderen Aspekt der Exposition. [3]

Die Größe einer Diode ist von der tatsächlich beleuchteten Gewebefläche zu unterscheiden. Ein Mittelwert für die gesamte Fläche kann außerdem eine ungleichmäßige Lichtverteilung verdecken.

Energie berechnen: mW, Sekunden und Joule

Für die mittlere optische Leistung während der Anwendung gilt:

Zwei rein physikalische Beispiele aus dem Ausgangsmaterial des Autors:

• 5 mW für 10 Minuten: 0,005 W × 600 s = 3 J.
• 10 mW für 5 Minuten: 0,010 W × 300 s = 3 J.

Beide Quellen geben dieselbe Energie ab, jedoch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Die Rechnung belegt nicht, dass beide Verfahren dieselbe zelluläre oder klinische Reaktion auslösen.

Wenn tatsächlich 3 J auf eine Fläche von 1 cm² träfen, betrüge die mittlere Energie pro Fläche 3 J/cm². Bei gleichmäßiger Verteilung derselben 3 J auf 3 cm² wären es 1 J/cm². Dies ist eine Beispielrechnung, keine Dosierungsempfehlung. Aus der Leistung am Diodenausgang lässt sich noch nicht ablesen, wie viel Energie das Zielgewebe absorbiert.

Warum bedeutet mehr Licht nicht unbedingt ein besseres Ergebnis?

Bei PBM wird eine zweiphasige beziehungsweise biphasische Reaktion beschrieben: Ein bestimmter Expositionsbereich kann die untersuchte Reaktion fördern, während eine weitere Erhöhung sie abschwächt oder umkehrt. Damit hängt das häufig genannte Arndt–Schulz-Prinzip zusammen. Es handelt sich jedoch nicht um eine universelle Kurve, aus der sich für jeden Menschen eine Dosis berechnen lässt. [2] [8]

Ein schwacher Reiz führt möglicherweise zu keiner messbaren Veränderung. Auf dem Weg zum Ziel wird Licht zudem reflektiert, gestreut und absorbiert. Umgekehrt erhöht eine stärkere Exposition den Nutzen nicht automatisch. Das Ergebnis hängt vom Gewebe, dessen Zustand und der Messgröße ab: etwa Zellviabilität, Zellbewegung oder einem funktionellen Ergebnis beim Menschen. [8]

Ein untersuchter Erklärungsansatz betrifft die zelluläre Signalübertragung einschließlich reaktiver Sauerstoffspezies. In kleinen Mengen können diese Signale vermitteln, in hoher Konzentration zu Schäden beitragen. Verschiedene Messgrößen müssen aber nicht demselben Verlauf folgen. Es ist eine teilweise mechanistische Erklärung, keine fertige Anleitung zur Dosiswahl. [2]

Was zeigten Versuche mit unterschiedlichen Dosen?

Dieselben J/cm², unterschiedliche Ergebnisse: Lanzafame 2007

In einem Mausmodell für Druckgeschwüre verwendeten Forschende Licht mit 670 nm und dieselbe tägliche Energie pro Fläche von 5 J/cm². Dabei variierten sie Intensität, Dauer und zeitliche Verteilung. Einige Anwendungsregime verbesserten die Wundverschlussrate. Die mittleren Bewertungen des Schweregrades der Geschwüre waren jedoch ähnlich wie bei den Kontrollen. Die Ergebnisse unterschieden sich somit nach Regime und untersuchter Messgröße. [4]

Tierversuch; anhand des öffentlich zugänglichen Abstracts geprüft. Der Verlag nennt mögliche finanzielle Interessenkonflikte mehrerer Autoren; einige waren bei Eastman Kodak tätig. Der Volltext war bei der Vorbereitung nicht zugänglich.

Zellkultur: Chang 2024

An kultivierten menschlichen mesenchymalen Stammzellen aus Fettgewebe untersuchten die Autoren einen 830-nm-Laser und Expositionen von 0–10 J/cm². Die Gruppe mit 5 J/cm² zeigte im Vergleich zu den anderen untersuchten Gruppen eine höhere Viabilität und Migrationsfähigkeit. Das Ergebnis weist auf einen günstigen Bereich unter diesen Versuchsbedingungen hin. Es bestimmt keine Dosis für Nase, Gehirn oder den ganzen Körper. [5]

Laborstudie; geprüft wurden das Abstract und die Erklärung der Autoren, dass keine Interessenkonflikte vorliegen. Die vollständigen Methoden und die Finanzierung ließen sich anhand des zugänglichen Abstracts nicht überprüfen.

Was bedeutet eine Frequenz von 40 Hz?

Bei einer gepulsten Quelle bedeutet 40 Hz 40 Wiederholungen pro Sekunde. Eine vollständige Periode dauert 25 Millisekunden. Die Frequenz allein bestimmt weder die Dauer eines Lichtpulses noch seine Leistung oder den Zeitanteil, während dessen die Quelle Licht abgibt.

Für einfache Rechteckpulse mit einer Leistung von null zwischen den Pulsen gilt: mittlere Leistung = Leistung während des Pulses × zeitlicher Einschaltanteil. Bei 10 mW Pulsleistung und einem Tastgrad von 50 % beträgt der Mittelwert 5 mW; bei 10 % sind es 1 mW. Beide Betriebsarten können mit 40 Hz arbeiten.

Dies ist ein mathematisches Beispiel. Gleiche Frequenz bedeutet weder gleiche Energie noch das gleiche biologische Ergebnis. Beim Gerätevergleich muss klar sein, ob der Hersteller die optische Spitzenleistung oder die mittlere Leistung angibt. Die Pulsfrequenz in Hz ist außerdem von der Lichtwellenlänge in nm zu unterscheiden.

Welche Rolle spielen Wiederholungen und Pausen?

Biologische Prozesse, die ein Lichtreiz auslöst, können nach Ende der Bestrahlung weiterlaufen. Eine weitere Anwendung trifft daher auf Gewebe, dessen Zustand sich bereits verändert haben kann. Das bedeutet weder, dass sich Licht im Körper ansammelt, noch dass jede Anwendung denselben zusätzlichen Effekt garantiert. [2]

Eine, drei oder vierzehn Anwendungen bei Mäusen

Xuan und Kollegen untersuchten 2013 einen transkraniellen 810-nm-Laser nach experimenteller Hirnverletzung bei Mäusen. Eine Anwendung verbesserte einige funktionelle Ergebnisse, drei tägliche Anwendungen brachten einen größeren Nutzen. Bei vierzehn täglichen Anwendungen verschwand der anfängliche Vorteil im neurologischen Score. Am Ende der Nachbeobachtung bestand kein Unterschied zu verletzten Kontrollen mit Scheinbehandlung. [6]

Das spricht dafür, die Anzahl der Wiederholungen zu untersuchen, legt aber keine Anzahl nasaler Anwendungen beim Menschen fest. Die Studie nennt Unterstützung durch NIH, CIMIT und US-amerikanische militärische Forschungsprogramme. Die Autoren erklärten, es bestünden keine Interessenkonflikte; die Geldgeber hätten keine Rolle bei Studiendesign, Analyse oder Veröffentlichung gespielt.

Eine Anwendungspause in einer kleinen Demenz-Fallserie

Saltmarche und Kollegen beobachteten 2017 fünf Menschen über zwölf Wochen bei kombinierter transkranieller und intranasaler PBM. Die kognitiven Testergebnisse der Gruppe verbesserten sich. Während einer geplanten vierwöchigen Pause verschlechterte sich ein Teil der Ergebnisse, allerdings verliefen nicht alle Veränderungen in dieselbe Richtung. Ein Teilnehmer brach die Nachbeobachtung ab und nahm die Anwendung wieder auf; seine abschließenden Tests fehlten. [7]

Ohne Kontrollgruppe lassen sich weder die Ursache der Veränderungen noch die notwendige Regelmäßigkeit oder der eigenständige Beitrag der nasalen Anwendung bestimmen. Während der Anwendung wurden keine unerwünschten Wirkungen gemeldet; fünf Fälle reichen jedoch nicht zur Beurteilung der Sicherheit. Vielight finanzierte die Studie und stellte die Geräte bereit. Zwei Autoren waren bezahlte Berater, einer war Gründer und Geschäftsführer des Unternehmens.

Eine ausführlichere Einordnung finden Sie im Artikel Intranasale Photobiomodulation: Wirkprinzip und wissenschaftliche Forschung.

Lokale und systemische Wirkungen: Was sagt die methodische Literatur?

Moskvin und Khadartsev beschreiben in ihrer Monografie von 2018 die Kombination eines auf systemische Wirkungen ausgerichteten Verfahrens, etwa intravenöser Blutbestrahlung, mit lokaler Beleuchtung des betroffenen Bereichs. Nichtinvasive Blutbestrahlung definieren sie als Anwendung über großen Blutgefäßen. [1]

Zugleich äußern sich die Autoren kritisch zu endonasalen Verfahren. Ihr Buch lässt sich daher nicht als allgemeine Bestätigung intranasaler PBM anführen. Es stellt eine methodische Position der Autoren dar; seine Empfehlungen allein beweisen nicht, dass eine bestimmte Kombination den Einzelmethoden überlegen ist.

Diese Frage muss eine Vergleichsstudie mit klar definiertem Ziel, festgelegten Dosen und Kontrollen prüfen. Unterschiede erläutert der Artikel Laserblutbestrahlung: Methoden und Forschung aus der Herz-Serie.

Was folgt daraus für das Lesen von Anleitungen und Studien?

Eine nasale Anwendung erfordert keinen Einstich in eine Vene. Ein überschaubarer Zeitaufwand und einfache Bedienung können die Einhaltung eines Anwendungsplans erleichtern. Diese praktischen Eigenschaften bestimmen jedoch nicht den klinischen Nutzen. Auch regelmäßige Nutzung muss zusammen mit den konkreten Parametern und dem vorgesehenen Zweck des Geräts beurteilt werden.

• Vergleichen Sie denselben Anwendungsweg, dasselbe Zielgewebe und denselben untersuchten Endpunkt.
• Unterscheiden Sie optische Leistung, Bestrahlungsstärke, Energie und Energie pro Fläche.
• Achten Sie bei Pulsen auch auf die mittlere Leistung und den Tastgrad.
• Beachten Sie die Gesamtzahl der Anwendungen, die Pausen und den Zeitpunkt der Ergebnismessung.
• Halten Sie sich an die Anleitung des jeweiligen Geräts; ein Forschungsprotokoll für ein anderes Gerät oder Verfahren ersetzt sie nicht.

Der Artikel erläutert Grundlagen und ausgewählte Forschungsarbeiten. Er legt kein individuelles Behandlungsprotokoll fest und ersetzt keine verordnete Behandlung. Die zitierten Versuche stellen keine klinische Validierung eines bestimmten Wellnessgeräts dar.