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Blaues LED-Licht

Version vom 9. November 2011, 12:20 Uhr von Dr. med. Albert Röder (Diskussion | Beiträge)

1 Definition

Lichtemittierende Dioden (LEDs) sind sehr effiziente, langlebige und kompakte Lichtquellen. Der Wellenlängenbereich der Farbe Blau reicht von etwa 450 bis 490 nm, wobei die spektrale Selektivität von LEDs den Einsatz maßgeschneiderter Wellenlängen und Wirkungen ermöglicht.

2 Funktionsweise

Die aus Halbleitermaterialien bestehenden LEDs bieten nicht nur eine sehr hohe Energieeffizienz, sondern auch eine sehr lange Lebensdauer bei extrem kompakter Bauweise. Dies ist einerseits dadurch bedingt, dass Leuchtdioden etwa im Gegensatz zu Glühlampen nicht über einen empfindlichen Glühfaden verfügen. Dadurch sind sie sehr stabil und wartungsfrei. Andererseits ist ihr Energieverbrauch bei gleicher abgestrahlter Lichtleistung wesentlich geringer. Dies wird durch eine besondere Funktionsweise gewährleistet, die aufgrund sehr effizienter Strahlungsprozesse eine weitaus größere Lichtausbeute ermöglicht. Ein weiterer Vorteil, vor allem für die medizinische Anwendung, besteht in der spektralen Selektivität, wodurch die Notwendigkeit zusätzlicher Filter zur Eingrenzung des Strahlungsspektrums entfällt. Dies ermöglicht die Untersuchung biologischer Effekte bei bestimmten Wellenlängen und mit sehr hohen Intensitäten über die gesamte bestrahlte Fläche.(1)

LEDs werden im Niedervoltbereich betrieben, sind extrem langlebig und enthalten kein Quecksilber, so dass diese Leuchtmittel im Vergleich zu anderen sicherer und umweltfreundlicher sind. Die hohe Fluenz von blauem LED-Licht der untersuchten Wellenlänge, d. h. die hohe Anzahl emittierter Lichtteilchen (Photonen) pro Fläche, gewährleistet außerdem eine hohe Durchdringung im menschlichen Gewebe.

3 Einsatzgebiete

Wurden lichtemittierende Dioden (LED) bislang primär als Leuchtmittel in der Allgemeinbeleuchtung oder bei Fahrzeugen eingesetzt, zeigen neue Ansätze auch in weiteren Bereichen Erfolge. Vor allem für den therapeutischen Einsatz sind sie aufgrund ihrer besonderen Funktionsweise von großem Interesse.

4 Therapeutischer Einsatz

Die Verwendung von Lichtenergie zu therapeutischen Zwecken ist nicht neu, sie wird bereits für verschiedenste Indikationsgebiete genutzt. Dabei kommen hauptsächlich Wellenlängen im ultravioletten (UV) und infraroten (IR) Spektralbereich zum Einsatz. Lichttherapien werden heute vor allem für kosmetische (Akne, Hautalterung) aber auch für medizinische Zwecke (Schuppenflechte, Hautkrebs) eingesetzt.

Neueste Entwicklungen realisieren eine Integration von LEDs in Textilien oder anderen flexiblen bzw. tragbaren und mobilen Strukturen, was komfortable, diskrete und lokale Behandlungen auch über längere Zeiträume ermöglicht. Dies unterstreicht die besondere Bedeutung von LEDs für therapeutische Anwendungen.

4.1 Schmerztherapeutischer Einsatz

Aktuelle Untersuchungen belegen verschiedene biologische Effekte von blauem LED-Licht. In diesem Zusammenhang wurde eine völlig neue Wirkungsweise aufgezeigt, die vielversprechende Ergebnisse für die Schmerztherapie bietet und dadurch ein gänzlich neues Indikationsgebiet erschließt.

4.1.1 Wirkungen auf und in der Haut

Bestrahlt man die menschliche Haut mit blauem LED-Licht einer Wellenlänge von 453 nm, wird diese Strahlung absorbiert und induziert verschiedenste schmerzlindernde Prozesse. Zum einen kommt es zur Produktion von thermischer Energie, die durch einen direkten Wärmeübertrag und die anschließende Wärmeleitung ihre Wirkung zeigt. Durch Absorption der Strahlung in der menschlichen Haut entsteht zusätzlich lokal Wärme im bestrahlten Areal. Die wohltuenden Effekte von Wärme auf Schmerzprozesse sind bereits bekannt und werden von Patienten therapeutisch geschätzt.(2) Ferner bewirkt die Wärmestrahlung eine Erweiterung der Blutgefäße und führt somit zu einer erhöhten Durchblutung der Haut.(3)

Neben diesen bereits etablierten Prozessen in der Schmerzbehandlung werden durch das blaue LED-Licht zusätzlich körpereigene biochemische Prozesse initiiert, die bisher für keine andere Therapieform beschrieben wurden. Das blaue LED-Licht bewirkt die nicht-enzymatische Produktion von Stickstoffmonoxid (NO), das nach erfolgter Lichtexposition auch in tieferen Regionen der Dermis nachgewiesen werden konnte.(4) Dieser Beobachtung liegt ein natürlicher Prozess zugrunde. Die Haut enthält relativ hohe Konzentrationen von Nitrit und S-nitrosierten Verbindungen(5), die unter Zufuhr von Lichtenergie zerfallen und NO freisetzen. Diese Reaktion wurde bereits im Falle einer Bestrahlung mit UV-Licht beobachtet.(6) Dass allerdings analoge Ergebnisse mit blauem LED-Licht erzielt werden können(7), ermöglicht die Nutzung der NO-induzierten positiven Effekte, ohne die belastenden toxischen Nebenwirkungen von UV-Strahlung (oxidativer Stress, Zelltod, Krebs) in Kauf nehmen zu müssen.

Das lokal durch Bestrahlung freigesetzte NO kann nun durch [[Diffusion](8) und in Form stabiler und dennoch bioaktiver Derivate durch Transnitrosierungen(9,10), und die systemische Verteilung im Blut in tiefere Hautschichten bis hin zum Muskel transportiert werden. Dies ermöglicht die rasche Wirkung von NO direkt an den schmerzauslösenden Bereichen.

4.1.2 Schmerzlindernde Effekte

Die Wirkungen von NO reichen über die Induktion der Vasodilatation und somit eine gesteigerte Versorgung von Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen(11) sowie den Abtransport algogener Substanzen bis hin zu anti-oxidativen, anti-inflammatorischen und anti-apoptotischen Effekten, die Muskel- und Nervenzellen vor Schäden schützen und somit weiteren Gewebeverletzungen vorbeugen können.(12-19) NO zeigt aber auch direkte Wirkungen auf das Schmerzempfinden: So reguliert es zum einen die Freisetzung der Substanz P und vermindert somit die Schmerzweiterleitung(20), zum anderen spielt NO eine entscheidende Rolle bei der Heilung verletzter Skelettmuskulatur und fördert die Reparatur auf verschiedenen Ebenen.(21-24)

4.1.3 Sicherheit

Aktuelle Entwicklungen ermöglichten die Untersuchung der Sicherheit von LED-Lichtquellen zur Anwendung auf der Haut. Es war möglich, die Bestrahlungsintensitäten stark zu erhöhen und somit die Zelltoxizität auch bei Verwendung von sehr hohen Bestrahlungsdosen bei fester Bestrahlungszeit zu bestimmen.(1) Bei derartigen Versuchen konnte festgestellt werden, dass blaues LED-Licht bei einer Zentralwellenlänge von 453 nm und bei Bestrahlungsdosen von bis zu 250 J/cm² gegenüber Hautzellen nicht toxisch ist.(25) Im Vergleich dazu ist UVA-Licht bereits ab einer Dosis von 30 J/cm² toxisch.

4.1.4 Natürliche Wirkweise

Der große Vorteil dieser Wirkungsweise liegt in seiner Natürlichkeit. Durch blaues LED-Licht werden ausschließlich körpereigene Prozesse angeregt und endogenes NO freigesetzt, ohne chemische Substanzen bzw. pharmakologische Wirkstoffe von außen zuführen zu müssen. Eventuell schädigende Nebenwirkungen, wie sie bei medikamentösen Behandlungen auftreten können, sind bei der Therapie mit blauem LED-Licht unwahrscheinlich. Dadurch bietet blaues LED-Licht vor allem für Patienten, die die Einnahme chemischer Substanzen vermeiden möchten, eine vielversprechende Behandlungsoption.

4.1.5 Anwendbarkeit

Derzeit werden verschiedene vom Philips Light & Health Venture unterstützte Studien durchgeführt, in denen eine neuartige, mobile Anwendung für Patienten mit milden bis moderaten chronischen Rückenschmerzen untersucht werden. Erste Ergebnisse dieser Tests geben Anlass zur Hoffnung, dass Rückenschmerzpatienten in naher Zukunft eine neue Therapieoption zur Verfügung gestellt werden kann, die eine natürliche Schmerzlinderung bewirkt – und täglich eingesetzt werden kann.


Referenzen:

  1. Born M, Niemann U, Abschlussbericht zum BMBF-Teilprojekt, Philips GmbH Forschungslaboratorien. Aachen, 2010.
  2. Gordon TH, Philips Healthcare. 1984.
  3. Magerl W, Treede RD, Journal of Physiology, Vol. 497 (Suppl 3), pp. 837–848,1996.
  4. Suschek CV, Opländer C, Berichtsblatt zum BMBF-Verbundprojekt, Uniklinikum Aachen. Aachen, 2010.
  5. Suschek CV et al., Nitric Oxide, Vol. 22, pp. 120–135, 2010.
  6. Paunel AN et al., Free Radic. Biol. Med., Vol. 38, pp. 606–615, 2005.
  7. Liebmann J et al., Journal of Investigative Dermatology, Vol. 130, pp. 259–269, 2010.
  8. Opländer C et al., Circ. Res., Vol. 105, pp.1031–1040, 2009.
  9. Rassaf T et al., J. Clin. Invest., Vol. 109, pp. 1241–1248, 2002.
  10. Schechter AN et al., J. Clin. Invest., Vol. 109, pp. 1149–1151, 2002.
  11. Gewaltig MT, Kojda G, Cardiovasc Res, Vol. 55, pp. 250–260, 2002.
  12. Dal Secco D et al., Nitric Oxide Biology and Chemistry, Vol. 9, pp. 153–164, 2004.
  13. Philips L et al., Journal of Investigative Surgery, Vol. 22, pp. 46–55, 2009.
  14. Moellering D et al., Arch Biochem Biophys, Vol. 358, pp. 74, 1998.
  15. Rauhala P et al., Toxicol Appl Pharmacol, Vol. 207 (Suppl 2), pp. 91–95, 2005.
  16. Chiueh CC, Ann N Y Acad Sci., Vol. 890, pp. 301–311, 1999.
  17. Suschek CV et al., Cell. Death. Differ, Vol. 8, pp. 515–527, 2001.
  18. Wink DA et al., Toxicol Lett, Vol. 221, pp. 82–83, 1995.
  19. Meldrum DR et al., The Annals of Thoracic Surgery, Vol. 66, pp. 3313–3317, 1998.
  20. Kamisaki Y et al., J. Neurochem, Vol. 65, pp. 2050–2056, 1995.
  21. Filippin LI et al., Nitric Oxide, Vol. 21, pp. 157–163, 2009.
  22. Pfeilschifter J et al., Eur J Pharmacol, Vol. 429, pp. 279, 2001.
  23. Ishii Y et al., INT J Cancer, Vol. 103, pp. 161, 2003.
  24. Witte MB et al., Nitric Oxide, Vol. 4, pp. 572, 2000.
  25. Kolb-Bachofen V, Abschlussbericht zum BMBF-Verbundprojekt, Universität Düsseldorf. Düsseldorf, 2010.

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