【藥師專欄】PBM的機轉

沛朋生醫
2026-07-16

目錄

 

 

PBM(光生物調節/光生物調控)透過調節多種細胞反應來促進細胞活性與功能正常化，這些反應包括促進粒線體ATP生成、釋放細胞內一氧化氮(NO)，以及調節免疫細胞分泌發炎性細胞激素，如TNFα、IL-6和IL-β。此外，酵素與基因的調控也至關重要。[1]

 

PBM 經由五個主要機制發揮其治療效果：

1. 調節血管生成、
2. 促進細胞內 ATP 的產生、
3. 調節相關的基因、
4. 調節相關訊息傳遞物的分泌，
5. 調節細胞因子（包括促炎和抗炎因子）的表達。
這些機制共同促進了 PBM 在治療方面的有效性。 調節血管生成有助於減少發炎細胞的浸潤，並促進血液循環。 

增加 ATP 的產生可以增強參與細胞的功能和活性。 調節基因表現可以改變酶和發炎因子的產生，從而減少對組織損傷的酶的產生。 最終，這些機制導致發炎減少和症狀的改善。

 

 

ATP
根據研究，PBM所釋放的光子主要被粒線體電子傳遞鏈第四複合體中的細胞色素C氧化酶(CCO)所吸收，進而引發一連串複雜的細胞反應並改變氧化還原狀態[2]。兩種主要的氧化還原過程可以解釋這些反應。首先，CCO內特定發色團的光激發（photoexcitation）會改變其氧化還原特性，進而加速電子傳遞。其次，CCO在光解離後會釋放NO，提升氧氣結合率與呼吸速率[3]。此外，CCO與NADH黃素蛋白（NADH flavoproteins）皆可作為光受體，透過快速活化粒線體呼吸鏈與NADH氧化池，導致細胞質質子運動性、粒線體跨膜電位、pH值及細胞氧化還原電位發生變化[4]。

當細胞接觸到紅色或近紅外光時，CCO 吸收光子能量，導致光激發作用的電子從低能狀態躍遷到高能狀態，從而釋放出一個電子，該電子參與細胞的呼吸和 ATP 的合成。因此，PBM 可以通過促進細胞新陳代謝和增加粒線體膜電位，從而提高細胞呼吸的效率[5]。 細胞內的能量水平提高，有助於細胞處於更健康的狀態，例如細胞增殖和正常功能細胞的活動。

 

血液循環 Blood Flow

PBM能增加血流量[6]。當細胞吸收光子後，會直接使細胞粒線體內的NO發生光解離，使NO得以輕易穿越細胞膜，刺激血管與淋巴管內壁的平滑肌細胞，造成血管擴張並增加血液循環[7]。

患者患部血流不佳可能導致神經壓迫與疼痛，而PBM則能調節正常血流，減輕疼痛並促進癒合。此外，細胞中原本被NO佔據的空間可由O2取代，為細胞呼吸提供原料，促進ATP的生成[8]。一般情況下，PBM對NO釋放的調控作用是短暫的，因為當光源移除後，CCO中的NO釋放會立即停止[9]。此外，PBM能調節參與發炎反應與血管新生相關基因的表現。研究利用即時PCR檢測大鼠體內的發炎與血管新生基因，結果顯示血管新生基因在PBM治療36小時及72小時後皆顯著上調，進而刺激血管新生[10]。綜合以上，PBM可透過釋放細胞內NO及調節血管新生基因的表現來調控血流。

 

 

細胞因子調節 Regulation of Cytokines

細胞激素是一類主要由T細胞、巨噬細胞及內皮細胞所產生的分子，在免疫或發炎反應期間介導細胞的活化。發炎反應的主要調控因子包括TNF-α與介白素，其中IL-6與IL-1β濃度的變化常被用作評估治療效果的指標。這些細胞激素的釋放會影響其他細胞激素的分泌，形成連鎖反應。例如，TNF-α不僅能介導發炎、免疫過程及蛋白質分解，還能在細胞激素分泌的連鎖反應中刺激IL-6的生成。雖然短暫的IL-6合成有助於對抗感染及組織損傷，但持續分泌則可能導致自體免疫疾病。[11]

在臨床實驗中，PBM能抑制發炎因子的生成。例如，Adly等人測量患者接受雷射治療後的IL-6濃度，發現雷射照射後其濃度顯著降低[12]。此外，PBM還能上調抗發炎因子，如轉化生長因子-β(TGF-β)[13]。TGF-β可抑制TNF-α及其他發炎因子的生成[14]。總體而言，PBM透過減少促發炎細胞激素的產生並上調抗發炎細胞激素，在發炎過程中發揮調節作用[15]。

 

 

訊息傳遞物 signal Messenger 

發炎患者疼痛的主要成因是細胞針對局部發炎所釋放的發炎物質，刺激細胞訊號傳導以產生致痛物質，例如相關訊息傳遞物。前列腺素E2(PGE2)是致痛過程中的關鍵角色，已成為發炎相關疼痛的主要代表性訊息傳遞物[16]。NSAIDs(非類固醇消炎藥)與選擇性環氧化酶2(COX-2)抑制劑常被用於緩解發炎相關的腫脹與疼痛，其作用機轉為有效抑制COX-2活性並降低PGE2的合成[17-18]。PBM同樣也能透過抑制COX-2展現抗發炎效果。研究指出，以635 nm LED光照射人類牙齦纖維母細胞後，細胞內活性氧(ROS)的降低會抑制COX-2的生成。此外，在涉及大鼠脛骨骨缺損的動物實驗中，經過7天的PBM治療後，COX-2含量也呈現下調趨勢[10]。

在RA患者中，IL-1β 與 TNF-α 可刺激多種基質金屬蛋白酶(MMP)，進而降解細胞外基質的所有成分，包括關節軟骨。MMP-1在RA與OA的軟骨退化過程中也扮演著關鍵角色。其他MMP-2與MMP-3，也在關節炎患者的關節中有所增加[19]。因此抑制MMPs的生成對預防軟骨損傷至關重要。研究顯示，以808 nm雷射、50 J/cm²劑量進行照射，可顯著降低關節炎小鼠體內COX-1與MMP-13的含量[20]。PBM在調節與關節炎相關酵素的含量及活性、保護關節軟骨、減輕關節炎的發炎效應方面，皆扮演著關鍵角色。PBM能有效降低COX-2含量，進而抑制PGE2的生成，緩解關節疼痛與腫脹；此外，它還能抑制多種基質金屬蛋白酶，減緩關節組織與成分的侵蝕及退化，維持關節的正常功能。

 

 

基因 Gene

基因表現調控著許多細胞功能，包括蛋白質分泌與訊號因子的表現。多數發炎是由單核細胞、巨噬細胞、淋巴細胞及顆粒球等細胞浸潤所引起，其中多形核白血球（Polymorphonuclear leukocyte，PMN）是導致部分軟組織損傷的關鍵因子[21]。研究顯示，PBM 能增加 PMN白血球中促凋亡基因(p53基因)與抗凋亡基因(Bcl2)的表現，在較高濃度的PBM作用下，會誘導PMN細胞發生凋亡而減少浸潤。此外，PBM 也展現出調節發炎過程的能力，促進損傷區域組織的生成，會上調數個相關基因，如FGF14、FGF2、ANGPT2、ANGPT4及PDGFD。在損傷癒合的初期階段，PBM能調控發炎與血管新生相關基因的表現，以及COX-2與VEGF的免疫表現，有助於新組織的發育[22]。

 

 

遠端效益 Biological Effects at a Distance

PBM 將受照組織暫時轉變成代謝、血管、免疫與內分泌訊號源；這些訊號經血液、淋巴、循環細胞、細胞外囊泡及神經反射傳播，再由受傷組織的趨化訊號選擇性接收與放大。

由於目前醫學領域對於這一塊尚在持續研究的階段，目前多以觀察型結果作為推論，不過遠端效益已有中等強度的動物證據[25-27]，並非單一實驗室的一次性結果，同時現階段沒有任何一條機制能單獨解釋所有遠端 PBM 效益，可能是由於局部光轉導影響全身性載體進而在受傷組織定位，最後在目標器官放大反應，以下便從目前已經有的研究中整理機轉並提供給大家參考。

 

 

整個過程大致上可以分成幾個階段：

1. 近端受體效應
紅光或近紅外光被局部細胞的候選光受體吸收，包括細胞色素 c 氧化酶、粒線體呼吸鏈、血紅素等 heme 系統以及部分離子通道。這些細胞的粒線體在電子傳遞鏈效率提升的同時提供適量 ROS 作為第二訊息，使Ca²⁺、TRP 通道與細胞膜訊號改變，進而啟動 PI3K–Akt、ERK、JAK–STAT、NRF2、CREB／PGC-1α 等路徑，調節 NF-κB 與發炎反應。同時NO 自 heme 蛋白釋放、血管舒張。

局部組織會釋出細胞激素（Cytokine）、趨化因子（Chemokine）與生長因子、細胞外囊泡（EV）[23]及其 miRNA、蛋白質和人類脂肪間質幹細胞（human adipose mesenchymal stem cells，hADSCs）、免疫細胞、單核球與骨髓前驅細胞（Bone Marrow Progenitor Cells）。[24]

 

2. 遠端組織呼叫

同一時間，受傷與發炎組織會提供身體定位地址，缺血、發炎或退化組織可能釋放 HIF-1α、CXCL12／SDF-1α、VEGF、CCL2、ICAM-1、VCAM-1、selectin 等黏附分子，並且血腦或血視網膜障壁通透性改變，這些變化形成「受傷組織地址」，使 CXCR4⁺ 細胞、單核球或特定 EV 較容易黏附、穿出血管並被目標組織攝取。

此外PBM 經由 NO、淋巴管收縮與腦膜淋巴引流，可能增加 CSF–interstitial fluid exchange、 glymphatic clearance、部分 amyloid-β 清除與腦代謝廢物排除。

 

3.粒線體訊號溝通
PBM 除了可以提高PGC-1α／TFAM（Mitochondrial Transcription Factor A） 與粒線體新生，增加膜電位及 ATP，也可以促進細胞間粒線體轉移（intercellular mitochondrial transfer）：透過隧道奈米管（tunneling nanotubes, TNTs）、細胞外囊泡或腦脊髓液與血液中游離粒線體進行局部訊號交接。例子包括星形膠質細胞釋放粒線體支持缺氧/中風時的神經元存活；巨噬細胞釋放粒線體減少神經發炎疼痛訊號；間質幹細胞將粒線體轉移至 T 細胞促進調節性 T 細胞分化等。[28]

PBM 在胸腺（thymus）或其他受照組織改善供體細胞的粒線體品質及移動能力，間質細胞局部將粒線體交給可進入血液的細胞，攜帶細胞經 SDF-1α／CXCR4 歸巢至受傷器官，到達發炎部位後，再以 TNT、細胞接觸或 EV 將粒線體交給受損細胞[29]。缺乏正常粒線體功能的細胞取得 MSC 粒線體後，可恢復 mtDNA 與有氧呼吸能力[30]。

 

 

結論

總而言之，目前觀察到的結果並提出的推論為 PBM 可能藉由以下幾種方式提供我們遠端效益的現象：

1. 近端的訊號強化與粒線體活性提升
2. 循環免疫細胞所產生的血中遠端訊號代謝物、NO、EV、免疫細胞或自律神經先作用於血腦障壁、腦膜和神經血管單元；進入中樞後再由 CSF／glymphatic 放大與清除
3. stem-cell mobilization（幹細胞動員）
4. CXCR4 介導的免疫細胞遷移與定址
5. systemic inflammation reduction（全身性發炎減輕）
6. intercellular mitochondrial transfer（細胞間粒線體轉移）

皮膚、肌肉、胸腺、骨髓、腦
 
CCO、heme/NO、TRP/Ca²⁺
 
ATP、NO、低量 ROS hormesis
 
可溶性血液訊號
免疫 / 幹細胞動員
胞外囊泡與粒線體貨物
腸道或神經反射
 
受傷器官的定位與選擇
 
粒線體救援、抗發炎、血管作用


 

PBM的機轉

撰文／審稿：李易軒 藥師
文章分類／健康專欄_藥你更放心

 

參考資料

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文章分類 光生物調節 (PBM)
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