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Serie sulla terapia di fotobiomodulazione transcranica

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Come funziona nel cervello

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Questo articolo è stato pubblicato originariamente sulla sottoscheda "Luce ed Equanimità", una fonte gratuita di informazioni sulla terapia di fotobiomodulazione. È possibile iscriversi a una newsletter più o meno mensile:

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In conclusione

I principali risultati di questo articolo sono che la PBM transcranica può in molti casi aiutare il nostro cervello a ripristinare o migliorare i processi naturali cruciali alla base della salute neurologica e mentale. Gli effetti più importanti sono

- una maggiore produzione di ATP e, di conseguenza, un miglioramento del metabolismo generale,

- miglioramento del flusso sanguigno e linfatico cerebrale,

- miglioramento dell'ossigenazione,

- riduzione della neuroinfiammazione,

- effetti antiossidanti e antiapoptotici,

- miglioramento della segnalazione neuronale

- miglioramento della neurogenesi

- e miglioramento della sinaptogenesi.

Tutti questi effetti possono aiutare a trattare diversi disturbi neurologici e psicologici.

Introduzione

Tra le diverse applicazioni della luce in medicina, il campo della terapia di fotobiomodulazione transcranica (tPBM) è quello che preferisco. Il termine descrive l'applicazione della luce infrarossa al cervello, che dispiega diversi effetti benefici.

Ciò che mi piace è che, da un lato, stiamo parlando di una terapia naturale che, se applicata correttamente, è completamente priva di effetti collaterali. Dall'altro, permette ai terapeuti di trattare i disturbi come un intero sistema, invece di agire solo su sintomi specifici, cosa difficile da ottenere con gli interventi farmacologici convenzionali.

Questo post è un'esplorazione della nostra attuale comprensione dei meccanismi d'azione. Molti meccanismi sono complessi e coinvolgono cascate di segnalazione, effetti secondari e persino terziari, e non sono ancora stati pienamente compresi in tutti i dettagli.

Tuttavia, sappiamo che funziona in un modo che possiamo definire molto naturale, potenziando e ripristinando diversi processi biologici che sono alla base di una buona salute del cervello. Le indicazioni della terapia comprendono

- malattie neurodegenerative

- disturbi psicologici

- lesioni cerebrali,

- mal di testa,

- miglioramento delle funzioni cognitive in individui sani,

- e disturbi del neurosviluppo come l'autismo.

Come vengono eseguiti gli interventi di tPBM?

la "luce nel vicino infrarosso" - definita come luce di lunghezza d'onda compresa tra circa 800 nm e 1200 nm - viene applicata direttamente sulla testa e penetra attraverso la pelle, il cranio e tutti gli altri tessuti per raggiungere infine il cervello. La capacità dei fotoni infrarossi di raggiungere il tessuto cerebrale è stata dimostrata da diverse simulazioni e studi [1,2]. I fotoni che penetrano più in profondità possono arrivare fino a 5 cm, ma il numero di foto diminuisce con la distanza percorsa a causa dell'assorbimento da parte dei diversi tessuti biologici.

Specifiche lunghezze d'onda, come 810nm e 1024nm, sono state testate molto più frequentemente di altre grazie alla disponibilità di particolari prodotti che emettono queste lunghezze d'onda.

Questi prodotti possono essere costituiti da laser o da LED per emettere la luce. Tuttavia, i LED sono molto più diffusi perché sono molto più economici da produrre e installare nei dispositivi terapeutici.

La terapia è non invasiva, non termica e indolore.

Quali sono i meccanismi d'azione?

Maggiore energia complessiva grazie all'aumento della produzione di Adenosina Trifosfato

L'adenosina trifosfato (ATP) è la fonte di energia utilizzata a livello cellulare e per questo viene spesso definita la "moneta energetica" cellulare. Viene consumata in quasi tutti i processi fisiologici di base, tra cui la segnalazione intracellulare, la sintesi di DNA e RNA, la segnalazione purinergica, la segnalazione sinaptica, il trasporto attivo e la contrazione muscolare.

Un breve promemoria: La sua sintesi avviene all'interno dei mitocondri, un organello nel citoplasma delle cellule umane e di quasi tutte le altre cellule eucariotiche.

Ci sono tre fasi chiamate

a) glicolisi,

b) ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA o ciclo di Krebs),

c) fosforilazione ossidativa.

Il T-PBM agisce sull'ultima fase, la fosforilazione ossidativa, dove l'ATP (così come l'ossido nitrico e le specie reattive dell'ossigeno) viene prodotto attraverso processi di trasferimento di elettroni in quattro diversi complessi [3].

L'ultimo complesso è un enzima chiamato citocromo C ossidasi (CCO). Qui il rame (ioni metallici) riduce l'ossigeno in acqua e nel processo viene prodotto ATP. Ciò che è essenziale nel nostro contesto è che la CCO può assorbire fotoni di luce rossa e infrarossa.

L'energia assorbita accelera i processi di trasferimento degli elettroni, rendendo disponibile un maggior numero di elettroni nella CCO, con conseguente aumento della produzione di ATP che segue direttamente l'intervento [4,5].

Oltre all'aumento immediato della produzione di ATP, vi sono anche effetti a lungo termine: Quando i mitocondri percepiscono che è disponibile più energia, segnalano questa informazione al nucleo. Questo altera l'espressione genica per migliorare la funzione mitocondriale e per formare nuovi mitocondri. Questo processo è chiamato segnalazione mitocondriale retrograda [6].

Tenendo presente che il cervello è l'organo con il più alto consumo energetico e ha la seconda più alta densità di mitocondri di tutti i nostri organi (dopo il cuore), è particolarmente vulnerabile alle interruzioni delle sue fonti energetiche. La maggior parte delle malattie neurodegenerative (NDA) è caratterizzata da disfunzione mitocondriale, perdita del potenziale di membrana mitocondriale e impoverimento di ATP. Gli interventi che possono migliorare la produzione di ATP e quindi il metabolismo cerebrale - come la tPBM - possono quindi svolgere un ruolo importante in una strategia globale per migliorare la funzione cognitiva e possibilmente rallentare o prevenire il declino cognitivo [16].

Aumento della vasodilatazione cerebrale

il tPBM può migliorare il flusso sanguigno e linfatico cerebrale agendo sull'ossido nitrico in due modi diversi. In primo luogo, durante l'assorbimento dei fotoni nella citocromo C ossidasi si verifica una fotodissociazione dell'ossido nitrico precedentemente legato al complesso. In secondo luogo, il tPBM può stimolare l'ossido nitrico sintasi, l'enzima necessario per la produzione di NO nei tessuti [7].

L'ossido nitrico (NO) ha effetti vasodilatatori. In questo modo aumenta il flusso sanguigno cerebrale e il flusso linfatico cerebrale, fondamentale per rifornire le cellule cerebrali di sostanze nutritive e ossigeno, per eliminare i prodotti di scarto e per molti altri processi. L'aumento dell'attività dell'NO porta anche all'angiogenesi, ovvero alla formazione di nuovi vasi sanguigni.

Un modello murino ha suggerito che l'effetto può raggiungere il 30% [8].

Miglioramento dell'ossigenazione cerebrale

Coerentemente con diversi studi sugli animali, due studi sull'uomo hanno dimostrato che la stimolazione laser transcranica può migliorare l'ossigenazione cerebrale negli adulti [9, 10]. Mentre la concentrazione totale di emoglobina aumenta solo leggermente, fino a una porzione non significativa, la concentrazione di emoglobina ossigenata aumenta e quella di emoglobina deossigenata diminuisce, entrambe in modo significativo, portando a un aumento significativo della quota di emoglobina ossigenata.

Diminuzione della neuroinfiammazione

La neuroinfiammazione può contribuire all'insorgenza e alla progressione di diversi disturbi neurologici e psicologici, in particolare le malattie neurodegenerative e la depressione, in quanto portano alla perdita di neuroni e, quindi, a un declino della funzione cognitiva.

La TPBM può contribuire a ridurre la neuroinfiammazione in diversi modi. Il meccanismo può essere semplice: una migliore rimozione delle fonti di infiammazione, come i prodotti di scarto del metabolismo, le neurotossine e gli agenti patogeni. Attraverso effetti secondari, il tPBM può anche sopprimere l'espressione di citochine proinfiammatorie [10]. Inoltre, un modello di roditore ha suggerito che il tPBM può funzionare anche attraverso la modulazione del sistema immunitario del cervello. Le microglia ne sono una parte essenziale ed esistono due fenotipi principali. le "microglia 1" sono responsabili della produzione di citochine proinfiammatorie e dell'interruzione della barriera emato-encefalica e sono, in generale, associate al danno neuronale. le "microglia 2" producono citochine antinfiammatorie, aumentano il rilascio di fattori neurotrofici e hanno effetti neuroprotettivi. Il modello roditore ha dimostrato che il tPBM può spostare l'equilibrio del fenotipo prevalente della microglia da M1 a M2 [11].

Effetti antiossidanti

Lo stress ossidativo a lungo termine può contribuire alla perdita di neuroni, all'interruzione del neurocircuito, all'indebolimento delle connessioni ippocampali, amigdalari e corticali e, di conseguenza, al declino cognitivo.

A causa dell'assorbimento dei fotoni nel CCO, si verifica una breve e locale esplosione di specie reattive dell'ossigeno (ROS). Ciò porta all'attivazione di vie antiossidanti nell'organismo. Questo riduce lo stress ossidativo a lungo termine, nonostante l'aumento temporaneo e locale dei ROS [12].

Miglioramento della neurogenesi e della sinaptogenesi

La neurogenesi compromessa fa parte della neurobiologia di diversi disturbi cerebrali e la sua correlazione con il deterioramento cognitivo è stata dimostrata in diversi studi [13]. Sembra svolgere un ruolo particolarmente importante nelle malattie neurodegenerative come l'Alzheimer e la demenza, ma anche nell'autismo.

il tPBM può migliorare i processi alla base della neurogenesi e della sinaptogenesi. L'aumento del "Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF)" - un peptide di segnalazione coinvolto nel mantenimento e nella genesi di neuroni e sinapsi - è il meccanismo meglio compreso alla base di questo effetto.

L'attivazione di vie di segnalazione e di fattori di trascrizione che causano cambiamenti di lunga durata nell'espressione delle proteine

Inoltre, il tPBM attiva molteplici vie attraverso le quali si verificano cascate di segnalazione, con conseguente cambiamento dell'espressione proteica a lungo termine.

Le tre vie meglio conosciute sono:

a) La "via degli ioni calcio (CA²+)". L'aumento della produzione di ATP porta a un maggiore livello di ATP extracellulare, che determina un maggiore afflusso di calcio nelle cellule. L'aumento dei livelli di calcio intracellulare attiva le vie della protein chinasi C (PKC) e della chinasi regolata dal segnale extracellulare (ERK) o PI3K/Akt attraverso la calmodulina (CaM) [14]. Queste vie svolgono un ruolo cruciale in molteplici processi cellulari come la proliferazione, la differenziazione, l'adesione, la migrazione e la sopravvivenza delle cellule.

b) Adenosina monofosfato ciclico (cAMP): l'adenilciclasi converte l'ATP, più facilmente disponibile, nel secondo messaggero cAMP, che attiva la PKA e Ras, portando poi alla segnalazione della chinasi regolata dal segnale extracellulare e della SIRT1 (Sirtuina 1) [14]. La famiglia delle sirtuine è diventata ultimamente piuttosto famosa nella medicina integrativa e soprattutto nella medicina antiaging, soprattutto grazie al lavoro del Dr. David Sinclair, che è stato votato tra i 50 migliori professionisti della sanità nel 2018 e addirittura tra le 100 persone più influenti al mondo nel 2014. In breve, le sirtuine sono una famiglia di proteine di segnalazione coinvolte nella regolazione del metabolismo. Tra gli altri processi, la SIRT 1 partecipa alla plasticità neuronale, alla funzione cognitiva e alla biogenesi mitocondriale [15].

c) Specie reattive dell'ossigeno (ROS): La già citata breve esplosione di ROS dopo l'assorbimento dei fotoni nella CCO porta all'attivazione di vie come NRF2 e NF-kB. La via NF-kB (nuclear factor kappa light chain enhancer of activated B cells) è una famiglia di fattori di trascrizione altamente conservati che regolano molti importanti comportamenti cellulari, in particolare le risposte infiammatorie, la crescita cellulare e l'apoptosi [14].

Fonti per ottenere maggiori informazioni

Per ottenere ulteriori informazioni su tutto ciò, è sufficiente contattare Martin Junggebauer: martin.junggebauer@gmail.com

Tutti i lettori di lingua tedesca possono assistere a un webinar sull'argomento:

https://www.youtube.com/watch?v=ewFwWPs14Jw

Letteratura

[1] Salehpour F, Cassano P, Rouhi N, Hamblin MR, De Taboada L, Farajdokht F, Mahmoudi J. Profili di penetrazione di laser visibili e nel vicino infrarosso e di diodi ad emissione luminosa attraverso i tessuti della testa in specie animali e umane: Una revisione della letteratura. Photobiomodul Photomed Laser Surg. 2019 Oct;37(10):581-595. doi: 10.1089/photob.2019.4676. Epub 2019 Sep 25. PMID: 31553265.

[2] Li, Ting & Xue, Chang & Wang, Pengbo & Li, Yan & Wu, Lanhui. (2017). Profondità di penetrazione dei fotoni nel cervello umano per la stimolazione e il trattamento della luce: Uno studio di simulazione realistica Monte Carlo. Journal of Innovative Optical Health Sciences. 10. 10.1142/S1793545817430027.

[3] Bonora, M., Patergnani, S., Rimessi, A., De Marchi, E., Suski, J. M., Bononi, A., Giorgi, C., Marchi, S., Missiroli, S., Poletti, F., Wieckowski, M. R., & Pinton, P. (2012). Sintesi e stoccaggio dell'ATP. Purinergic signalling, 8(3), 343-357. https://doi.org/10.1007/s11302-012-9305-8

[4] Wong-Riley MT, Liang HL, Eells JT, Chance B, Henry MM, Buchmann E, et al. La fotobiomodulazione apporta benefici diretti ai neuroni primari funzionalmente inattivati dalle tossine: ruolo della citocromo C ossidasi. J Biol Chem. (2005) 280:4761-71. doi: 10.1074/jbc.M409650200

[5] Karu T, Pyatibrat L, Kalendo G. L'irradiazione con laser He-Ne aumenta il livello di ATP nelle cellule coltivate in vitro. Photochem Photobiol B Biol. (1995) 27:219-23. doi: 10.1016/1011-1344(94)07078-3

[6] Dewey, C. W., Brunke, M. W., & Sakovitch, K. (2022). Terapia di fotobiomodulazione transcranica (laser) per il deterioramento cognitivo: Una revisione dei meccanismi molecolari e della potenziale applicazione alla disfunzione cognitiva canina (CCD). Open veterinary journal, 12(2), 256-263. https://doi.org/10.5455/OVJ.2022.v12.i2.14

[7] Chen, C., Hung, H. e Hsu, S. 2008. L'irradiazione laser a bassa energia aumenta la proliferazione delle cellule endoteliali, la migrazione e l'espressione genica di eNOS, probabilmente attraverso la via di segnale P13K. Lasers Surg. Med. 40, 46-54

[8] Uozumi, Y., Nawashiro, H., Sato, S., Kawauchi, S., Shima, K. e Kikuchi, M. 2010. Aumento mirato del flusso sanguigno cerebrale mediante irradiazione transcranica nel vicino infrarosso. Lasers Surg. Med. 42, 566-576.

[9] Tian, F., Hase, S. N., Gonzalez-Lima, F., & Liu, H. (2016). La stimolazione laser transcranica migliora l'ossigenazione cerebrale umana. Lasers in surgery and medicine, 48(4), 343-349. https://doi.org/10.1002/lsm.22471

[10] Holmes, E., Barrett, D. W., Saucedo, C. L., O'Connor, P., Liu, H., & Gonzalez-Lima, F. (2019). Il potenziamento cognitivo mediante fotobiomodulazione transcranica è associato all'ossigenazione cerebrovascolare della corteccia prefrontale. Frontiers in neuroscience, 13, 1129. https://doi.org/10.3389/fnins.2019.01129

[11] Tang, Y. e Le, W. 2016. Ruolo differenziale delle microglia M1 e M2 nelle malattie neurodegenerative. Mol. Neurobiol. 53, 1181-1194.

[12] Bathini, M., Raghushaker, C.R. & Mahato, K.K. The Molecular Mechanisms of Action of Photobiomodulation Against Neurodegenerative Diseases: A Systematic Review. Cell Mol Neurobiol 42, 955-971 (2022). https://doi.org/10.1007/s10571-020-01016-9

[13] Li Puma, D. D., Piacentini, R., & Grassi, C. (2021). La compromissione della neurogenesi adulta contribuisce alla fisiopatologia della malattia di Alzheimer? Una domanda ancora aperta. Frontiers in molecular neuroscience, 13, 578211. https://doi.org/10.3389/fnmol.2020.57821

[14] Caldieraro, M. A., & Cassano, P. (2019). Fotobiomodulazione transcranica e sistemica per il disturbo depressivo maggiore: Una revisione sistematica di efficacia, tollerabilità e meccanismi biologici. Journal of affective disorders, 243, 262-273. https://doi.org/10.1016/j.jad.2018.09.048

[15] https://www.sciencedirect.com/topics/neuroscience/sirtuin-1