Jak funguje terapie červeným světlem?

Biologický účinek.
PBM (fotobiomodulace) je mnoha výzkumníky označována jako regulátor nebo modulátor, protože obnovuje organismus do stavu homeostázy. Navíc existuje značné množství důkazů o systémových účincích PBM, což znamená, že aplikace na jedno místo těla může zlepšit stav v jiné, vzdálené části těla, která nebyla světlu vystavena. Systémové účinky lze vysvětlit lokálními účinky světla, které se mohou přenášet do jiných míst prostřednictvím cirkulující krve, lymfatického systému nebo nervového systému.

Molekulární mechanismy

Nejprve je důležité pochopit, že neexistuje pouze jeden mechanismus. Například nejde o lék, který působí na jeden konkrétní enzym, sloučeninu nebo receptor (např. serotonin, cholesterol atd.). Existují doslova desítky mechanismů na biochemické a buněčné úrovni.

Navíc může světlo ovlivňovat různé buňky různě – například poškozené a dysfunkční buňky jinak než zdravé. Dokonce má schopnost ovlivnit krev (a tím i zánětlivé mediátory a imunitní buňky), a tím působit na celé tělo prostřednictvím změn v krevních buňkách a sloučeninách, nejen v místě, kam světlo dopadá. Hamblin a kol. to shrnují ve své učebnici z roku 2018:

„Ozařování světlem s nízkou hustotou výkonu bylo popsáno jako neinvazivní, nekarcinogenní, netraumatická procedura, která může přinést terapeutický prospěch u mnoha nemocí a zdravotních stavů a která má málo (pokud vůbec nějaké) vedlejší účinky. Navíc je PBM (fotobiomodulace – změna biologie pomocí světla) používána ke zlepšení lidské pohody v estetických a kosmetických aplikacích, ke zlepšení sportovního výkonu a má rozmanité veterinární aplikace. Biomodulace dosažená PBM umožňuje její použití v situacích, které mohou být zdánlivě paradoxní, protože někdy může stimulovat buňky a tkáně, a jindy je může inhibovat.“

Přehled ovlivněných molekul a drah:

• Cytochrom c oxidáza: Fotoreceptor na mitochondriích, který „přijímá“ fotony světla a spouští děje v mitochondriích.
• Retrográdní mitochondriální signalizace: Mitochondrie komunikují s jádrem buňky o tom, co se děje, a ovlivňují, které geny se v jádře exprimují.
• Světlem ovlivněné iontové kanály: Kanály v buňkách, které regulují tok iontů (vápník, draslík, sodík atd.), některé z nich jsou ovlivněny světlem a spouštějí další děje v buňce.
• Adenosintrifosfát (ATP): Buněčná energie produkovaná mitochondriemi. Mnoho studií ukazuje, že vystavení červenému/NIR světlu zvyšuje produkci ATP.
• Cyklický AMP: Podílí se mimo jiné na protizánětlivých drahách.
• Reaktivní formy kyslíku (ROS): Volné radikály, které hrají roli v buněčné signalizaci. Například ROS vznikají při fyzické aktivitě a signalizují pozitivní adaptace.
• Vápník: Červené/NIR světlo může ovlivnit hladinu vápníku v buňce, což je signál pro řadu buněčných procesů.
• Oxid dusnatý (NO): Je známo, že hladina NO po expozici červenému/NIR světlu stoupá. NO je známý pro svou roli v rozšiřování cév, ale působí i v mnoha dalších signálních drahách.
• Jaderný faktor kappa B: Signální molekula regulující mnoho genů spojených se zánětem a přežitím buněk při stresu.
• RANKL: Protein zapojený do regenerace a remodelace kostí.
• Hypoxií indukovaný faktor: Protein zapojený do adaptace buněk na nízkou hladinu kyslíku.
• Akt/GSK3b/b-kateninová dráha: Týká se přežití buněk a apoptózy.
• Akt/mTOR/CyklinD1 dráha: Zapojená do signálů růstu buněk.
• ERK/FOXM1: Zapojený do regulace buněčného dělení.
• PPARy: Zapojený do zánětlivé odpovědi.
• RUNX2: Zapojený do diferenciace kostních buněk.
• Transformující růstový faktor: Stimulátor produkce kolagenu (např. v kůži).
• Pro- a protizánětlivé cytokiny: Mnoho cytokinů a mediátorů má změněné hladiny po expozici červenému/NIR světlu.
• Vaskulární endotelový růstový faktor: Zapojený do angiogeneze – tvorby nových cév.
• Hepatocytární růstový faktor: Zapojený do zdraví jaterních buněk.
• Základní fibroblastový růstový faktor a keratinocytární růstový faktor: Zapojené do procesu hojení ran.
• Heat-shock proteiny: Zapojené do zánětu, hojení ran a přežití buněk při stresu.
• Melatonin: Červené/NIR světlo zvyšuje produkci „extrapineálního“ melatoninu mimo šišinku.
• Mozkový neurotrofní faktor (BDNF): Zapojený do růstu a regenerace neuronů.

Buněčné mechanismy

• Hojení (kosti, šlachy, rány): Červené/NIR světlo stimuluje a urychluje hojení různých typů poranění.
• Zánět: Světlo ovlivňuje zánětlivé dráhy, snižuje produkci prozánětlivých prostaglandinů a inhibuje dráhu NF-KB.
• Cytoprotekce: Pomáhá chránit buňky před poškozením toxiny.
• Proliferace: Některé typy buněk (např. kožní, kostní) rostou a množí se rychleji po expozici červenému/NIR světlu.
• Migrace: Některé buňky se díky světlu lépe přesouvají na potřebná místa.
• Syntéza proteinů: Světlo stimuluje buňky k produkci více proteinů (např. kolagenu).
• Kmenové buňky: Jsou na červené/NIR světlo obzvlášť citlivé, což může zlepšit jejich růst, pohyb a životaschopnost.

Tkánové mechanismy

• Svaly: Zlepšení výkonu, regenerace a adaptace na zátěž.
• Mozek: Zlepšení kognitivních funkcí, paměti, nálady a ochrana před neurodegenerativními onemocněními.
• Nervy (bolest): Některé studie ukazují, že červené/NIR světlo může tlumit bolest blokováním vedení v nervových vláknech.
• Kůže: Zlepšení elasticity, redukce vrásek, podpora tvorby kolagenu.
• Tuk: Světlo může stimulovat uvolňování tuku z tukových buněk a přispívat ke snížení obvodu pasu.
• Hormonální rovnováha: Pozitivní vliv na funkci žláz, včetně štítné žlázy a pohlavních žláz.
• Produkce melatoninu mimo šišinku: Melatonin působí jako silný antioxidant a chrání mitochondrie.

Dva klíčové mechanismy červené/NIR světelné terapie

1. Stimulace produkce ATP v mitochondriích
Červené/NIR světlo proniká do buněk a aktivuje cytochrom c oxidázu v mitochondriích, což vede k efektivnějšímu využití kyslíku a zvýšené produkci ATP. To je zásadní pro všechny buněčné procesy.

2. Hormetický efekt (mírný stres)
Světlo vyvolává krátkodobý, mírný stres v buňkách, což stimuluje adaptivní reakce: zvýšení antioxidačních a protizánětlivých mechanismů, posílení mitochondrií a celkové zvýšení odolnosti buněk vůči stresu.

Vědci zjistili, že jedním ze specifických mechanismů červeného a blízkého infračerveného světla je to, že tyto vlnové délky světla jsou schopny pronikat do buněk a aktivovat mitochondrie, což přímo vede ke zvýšené produkci buněčné energie. Mnoho výzkumných směrů naznačuje, že mitochondrie jsou klíčovým hráčem, pokud jde o mechanismus, jak červené a blízké infračervené světlo ovlivňuje naše buňky.

Abychom pochopili detailní mechanismy, jak červené a blízké infračervené světlo skutečně zlepšuje funkci mitochondrií, je třeba mít základní představu o tom, jak naše buňky produkují energii. Podle Hamblina, M. a Carrolla, J. a kol. vyrábíme ATP (adenosintrifosfát) prostřednictvím cyklu zvaného „buněčné dýchání“ – což je proces, který nám dává energii na jakoukoli činnost. Díky tomu má naše tělo energii na žvýkání, dýchání, pocení, tvorbu hormonů – zkrátka na vše.

„Několik důkazů naznačuje, že mitochondrie jsou zodpovědné za buněčnou odpověď na červené viditelné a blízké infračervené světlo. Účinky (červeného a blízkého infračerveného světla) na mitochondrie izolované z jater potkana zahrnovaly zvýšený protonový elektrochemický potenciál, větší syntézu ATP, zvýšenou syntézu RNA a proteinů, zvýšenou spotřebu kyslíku, membránový potenciál a zvýšenou syntézu NADH a ATP.“

Buněčné dýchání má čtyři kroky:

1. Glykolýza (první krok buněčného dýchání, kdy dochází k přeměně glukózy/cukru na pyruvát)

2. Oxidace pyruvátu (další krok v přeměně glukózy na ATP, kdy se pyruvát přeměňuje na acetyl-CoA, což umožňuje výrobu ATP)

3. Krebsův cyklus (využívá acetyl-CoA k vytvoření zásoby chemické energie – ATP, NADH, FADH2)

4. Oxidativní fosforylace (poslední krok produkce ATP, kdy mitochondrie využívají látky vzniklé v Krebsově cyklu k výrobě ATP)

Jak elektrony putují touto řetězcovou reakcí, protony jsou pumpovány přes vnitřní mitochondriální membránu do prostoru mezi vnitřní a vnější mitochondriální membránou. Tím vzniká gradient přes membránu, což je v chemii a fyzice označováno jako „potenciální energie“, protože látky ve vysoké koncentraci mají tendenci se pohybovat směrem k nižší koncentraci.

Mitochondrie tuto potenciální energii využívají – když se protony vracejí přes membránu zpět do oblasti s nižší koncentrací, procházejí malým rotujícím „motorem“ zvaným ATP-syntáza, který využívá energii pohybujícího se protonu k výrobě ATP (buněčné energie).

Mitochondrie jsou tedy životodárné, energeticky produkující motory uvnitř buněk všech živých organismů. 

https://www.youtube.com/watch?v=GzwcH3ZYHEA

Naše mitochondrie produkují buněčnou energii ve formě ATP.

A skutečně, mitochondrie tuto potenciální energii využívají – jakmile se proton pohybuje zpět přes membránu do oblasti s nižší koncentrací, prochází malým rotujícím „motorem“ zvaným ATP-syntáza, který využívá energii pohybujícího se protonu k pohánění procesu tvorby ATP (buněčné energie).

Cytochrom c oxidáza je součástí dýchacího řetězce v našich mitochondriích a hraje klíčovou roli při produkci ATP (buněčné energie). Když na fotoakceptor cytochrom c oxidázu dopadnou fotony červeného a blízkého infračerveného světla, pomáhá to mitochondriím efektivněji využívat kyslík k produkci ATP.

Jednou z klíčových částí této produkce energie v našich mitochondriích je fotoreceptor – cytochrom c oxidáza – který umožňuje, aby mitochondrie efektivně využívaly kyslík k pohánění pumpy ATP-syntázy. Když vystavíte své buňky správným intenzitám červeného a blízkého infračerveného světla, „vyplaví“ to oxid dusnatý (NO) z mitochondrií a umožní kyslíku navázat se na cytochrom c oxidázu a pohánět efektivní produkci ATP v buňce.

„Fotoreceptor“ je něco, co absorbuje světelné fotony. První zákon fotobiologie říká, že aby světlo mělo jakýkoli účinek na živou buňku nebo organismus, musí být fotony světla absorbovány něčím v tomto organismu/buňce. Ukazuje se, že takové věci skutečně existují v mnoha různých organismech od rostlin po lidi. Je všeobecně známo, že rostliny mají takový absorbér světelných fotonů – chlorofyl, což je „chromofor“, který přeměňuje fotony na energii, kterou rostlina může využít. Co však většina lidí neví, je, že i lidé mají ve svých buňkách a krvi světlo absorbující sloučeniny (chromofory nebo fotoakceptory) – hemoglobin (v červených krvinkách), cytochrom c oxidázu, myoglobin, flaviny, flavoproteiny, porfyriny a melanin v kůži (to je to, co vám dává opálení). (Poznámka: Ukazuje se, že i obyčejná voda – včetně vody, která vyplňuje naše buňky – je také fotoakceptor, který absorbuje určité vlnové délky světla.)

Pokud se to vše zdá složité, zjednoduším to: Mitochondrie potřebují tento malý enzym zvaný cytochrom c oxidáza, aby se efektivně vázal s kyslíkem a produkoval buněčnou energii (ATP), a červené a blízké infračervené světlo tomu napomáhá. Mitochondrie nemohou efektivně generovat ATP bez kyslíku. Takže cokoli, co zpomaluje využití kyslíku mitochondriemi, zpomalí produkci energie dramaticky.

Ve skutečnosti se NO (oxid dusnatý) váže na cytochrom c a brání mu v navázání kyslíku. Tím v podstatě blokuje využití kyslíku mitochondriemi. Proto v nezdravých buňkách oxid dusnatý brání cytochromu c získat dostatek molekul kyslíku. To brzdí produkci ATP, což je recept na špatnou funkci mitochondrií a tím i špatnou funkci buněk.

Jak ukázalo několik výzkumných skupin po celém světě, červené a blízké infračervené světlo v podstatě brání tomuto párování NO s cytochromem c oxidázou. Vyrazí NO ven a pustí dovnitř kyslík! Tím umožní cytochromu c získat jeho molekuly kyslíku a tím umožní efektivní funkci mitochondrií.

Přesné mechanismy jsou stále předmětem diskusí, ale mnoho výzkumníků (včetně Dr. Michaela Hamblina) se domnívá, že oxid dusnatý (NO) hraje ústřední roli. NO samozřejmě hraje v těle mnoho důležitých rolí, ale když ho máme příliš mnoho, na špatném místě, nebo když naše buňky nemají dostatečnou antioxidační kapacitu k potlačení hromadění NO, může to bránit tvorbě ATP v mitochondriích.

Jak? Oxid dusnatý začíná v mitochondriích soutěžit s kyslíkem.

Toto je podrobněji vysvětleno v mechanismech popsaných Farivarem a kol.: Fyzická aktivita funguje tak, že dočasně vytváří metabolický stres – tedy zatěžuje tělo (cvičení je prostě dřina!) a přechodně zvyšuje množství reaktivních forem kyslíku, tedy volných radikálů. V reakci na tento stres se tělo adaptuje – například zlepšením kardiovaskulární efektivity, lepším zásobením svalů krví a posílením a růstem mitochondrií. Dochází také k potlačení genů spojených s chronickým zánětem a oxidačním stresem (dvě hlavní příčiny stárnutí a nemocí) a naopak k aktivaci genů spojených s tvorbou energie a vnitřním antioxidačním obranným systémem buněk.

„Aktivita cytochrom c oxidázy je inhibována oxidem dusnatým (NO). Tato inhibice se dá vysvětlit přímou konkurencí mezi NO a O₂ o binukleární centrum CuB/a3 cytochrom c oxidázy a je vratná. Bylo navrženo, že laserové ozáření může tuto inhibici zvrátit fotodisociací NO z jeho vazebných míst. Protože tato koordinační vazba je mnohem slabší než kovalentní vazba, je tato disociace možná pomocí LLL (nízkoúrovňového světla). Disociace NO z Cox zvyšuje rychlost buněčného dýchání. Světlo skutečně může zvrátit inhibici způsobenou vazbou NO na cytochrom oxidázu, a to jak v izolovaných mitochondriích, tak v celých buňkách. LLL může také chránit buňky před NO-indukovanou buněčnou smrtí.“

Mitochondrie jsou tedy dočasně vystaveny stresu, který způsobí, že vysílají signály zpět do jádra buňky (kde je vaše DNA) a tyto signály jsou doslova využívány jádrem k určení, které geny mají být exprimovány. Tento jev se nazývá „retrográdní signalizace“. Je to pozoruhodný fenomén, protože většina lidí si myslí, že naše geny určují vše, co se v buňkách děje. Ve skutečnosti však mitochondrie generují signály (na základě prostředí), které zpětně ovlivňují, které geny se v jádře zapnou a vypnou!

Měl bych zde dodat, že do určité míry jsou nuance všech přesných mechanismů, jak červené/NIR světlo ovlivňuje mitochondrie, stále předmětem diskusí mezi vědci, ale všichni se shodují, že červené/NIR světlo skutečně zvyšuje mitochondriální produkci energie.

Tento obrázek ukazuje základní představu mitochondrie s příliš velkým množstvím NO, která neprodukuje ATP efektivně, a jak červené/NIR světlo umožňuje větší přístup kyslíku, což mitochondriím umožňuje produkovat více ATP.

Zejména přechodné zvýšení ROS (volných radikálů) způsobené červeným/NIR světlem aktivuje mnoho stejných obranných systémů buněk jako cvičení. Transkripční faktor NF-KB je aktivován vystavením volným radikálům generovaným červeným a blízkým infračerveným světlem, což podporuje velmi nízkou úroveň zánětlivé odpovědi. Tím se spouští mechanismus zvaný NRF2 dráha a Antioxidační odpovědný element (A.R.E.) – náš vnitřní buněčný antioxidační obranný systém – který pomáhá „uhasit požár“ eliminací zánětu a volných radikálů.

Stručně řečeno, červené a blízké infračervené světlo umožňuje kyslíku vstoupit do mitochondrií (a brání NO v zastavení produkce energie), což zvyšuje funkci mitochondrií a zlepšuje zdraví každého orgánu a systému v našem těle.

Červené a blízké infračervené světlo podporuje velmi nízkou úroveň zánětlivé odpovědi. Tím se aktivuje mechanismus zvaný NRF2 dráha a Antioxidační odpovědný element (A.R.E.) – náš vnitřní buněčný antioxidační obranný systém, který pomáhá „uhasit požár“ eliminací zánětu a volných radikálů.

Je však třeba poznamenat, že tato cesta přes cytochrom c nemusí být jediným způsobem, jak červené/NIR světlo zvyšuje buněčnou produkci energie. Existuje několik dalších potenciálních mechanismů, jak může červené/NIR světlo zvýšit produkci energie v mitochondriích, které jsou popsány níže – včetně zvětšení velikosti a počtu mitochondrií prostřednictvím hormeze, podobně jako cvičení posiluje vaše svaly tím, že je dočasně zatěžuje. Stejným způsobem působí toto světlo na náš vnitřní antioxidační a protizánětlivý obranný systém. Pomáhá buňkám lépe odolávat stresu, bojuje proti zánětu, brání hromadění volných radikálů a v konečném důsledku činí buňky zdravějšími, energetičtějšími a odolnějšími.

Zdá se, že právě toto je hlavní mechanismus, který stojí za mnoha příznivými účinky červeného/NIR světla na kůži, svaly, kosti, žlázy a mozkové buňky. Ukazuje se, že lidé skutečně potřebují určitou míru těchto nízkoúrovňových stresorů ve svém životě. Absence těchto stresorů ve skutečnosti podkopává naše zdraví.

Světlo působí jako přechodný, mírný stresor na vaše buňky. Výsledkem těchto buněčných adaptací na dočasný stres jsou zdravější buňky, které produkují více energie, jsou odolnější vůči stresu, vytvářejí více bílkovin (například kolagenu) a fungují lépe (například lepší svalový výkon).

Produkce energie v mitochondriích je základem optimální funkce buněk, silnějšího antioxidačního a protizánětlivého obranného systému a větší odolnosti vůči celkovému stresu. Aby mitochondrie správně fungovaly, je potřeba „vyhnat“ NO (oxid dusnatý) z mitochondrií a dostat dovnitř kyslík. To znamená, že kyslík může být opět efektivně využíván mitochondriemi, což jim umožňuje efektivně produkovat energii.

Hormeze

Hormeze je proces, při kterém přechodný metabolický stresor stimuluje adaptace, které ve výsledku zlepšují zdraví. Může to znít na první pohled zvláštně, ale je to vám bližší, než si myslíte – cvičení je typickým příkladem hormeze.

Mírný stres stimuluje vaše tělo k trvalým adaptacím na buněčné úrovni, což vede k větší odolnosti vůči stresorům a vyšší schopnosti produkovat energii. Studie z roku 2015 publikovaná v Scientific Reports s názvem „Light Effect on Water Viscosity: Implication for ATP Biosynthesis“ naznačuje, že přesně toto se může dít uvnitř našich mitochondrií při cvičení, půstu, vystavení teplu, chladu nebo červenému/NIR světlu.

Vědci navrhli, že pokud ke změně viskozity vody dochází uvnitř našich buněk – což je podle mnoha odborníků pravděpodobné – může to umožnit fyzickou rotaci pumpy ATP syntázy v mitochondriích (malý „motor“ v mitochondriích, který vyrábí buněčnou energii) efektivněji. (Poznámka: Toto pravděpodobně souvisí s prací Geralda Pollacka, PhD, o „čtvrté fázi“ vody, o které napsal knihu a natočil několik rozhovorů a TED talků, které lze najít na YouTube.)

Kromě těchto dvou nejdůležitějších obecných mechanismů existuje ještě několik dalších fascinujících potenciálních mechanismů, jak červené/NIR světlo působí v našem těle. Některé z těchto mechanismů by mohly dokonce zcela změnit naše chápání lidské biologie a toho, jak naše buňky produkují energii. (Uvádím je jako „potenciální mechanismy“, protože pro ně máme určité důkazy, ale zatím není ve vědecké komunitě shoda, že jsou „prokázané“. Pro široké přijetí těchto fyziologických mechanismů je potřeba další výzkum, ale jsou velmi slibné!)

Do určité míry už bylo prokázáno, že světlo skutečně ovlivňuje viskozitu vody v blízkosti povrchů, které jsou biochemicky podobné buněčným membránám, a že světlo zvyšuje produkci ATP. Jak už bylo dříve vysvětleno, konvenční vysvětlení je, že červené/NIR světlo ovlivňuje komponenty mitochondriálního dýchacího řetězce (například cytochrom c oxidázu).

Potenciální mechanismus: Interakce se „systémovou“ vodou v našich buňkách pro zvýšení produkce energie.

Voda sama o sobě je fotoakceptor. To znamená, že voda může absorbovat energii z některých vlnových délek světla – včetně červeného a blízkého infračerveného spektra. Na základě svých zjištění vědci této studie z roku 2015 navrhují, že účinek světla na viskozitu vody v mitochondriích může (částečně nebo zcela) umožnit snazší rotaci pumpy ATP syntázy.

To nemusí být vůbec triviální fakt. Vědci shrnuli svá zjištění takto:
„Cítíme se oprávněni předpokládat, že [červené/NIR] ozáření zvyšuje obrat ATP snížením viskozity nanovrstev vody, které zřejmě řídí účinnost mitochondriálního nanomotoru. Tento poznatek z našich laboratorních experimentů by měl umožnit zlepšení současných teorií a hypotéz o světlem indukované syntéze ATP a slibuje zvýšení prediktivní schopnosti stávajících modelů. Výslovně řečeno, realistické modely navržené k prozkoumání funkce ATP syntázy by měly zohlednit viskozitní gradienty na rozhraní v okolí nanomotoru [pumpa ATP syntázy]. Tento aspekt je biologicky velmi zajímavý a může vést ke změně paradigmatu v chápání syntézy ATP.“

Proč je to důležité?
Voda vyplňuje naše buňky. Zatímco si mnoho lidí myslí, že naše buňky jsou jen „pytlíky“ s inertní vodou – tedy jen prostředí pro chemické reakce jiných látek – ve skutečnosti to tak být nemusí. Voda v našich buňkách může být ovlivněna světlem způsobem, který ovlivňuje funkci buňky. Jinými slovy, voda sama o sobě může mít mnohem více biologické aktivity, než jsme si dosud mysleli.

Je to podobné jako u cvičení – i zde dochází k mírnému stresu, který vede k adaptaci a zlepšení zdraví. Červené a blízké infračervené světlo tedy může zlepšovat zdraví buněk nejen přes mitochondrie, ale i přes změny ve vodě uvnitř buněk.