プレシジョン・メディシンとしての光バイオモジュレーション療法の光物理学的メカニズム

図5.細胞骨格がグローバル脳波振動に影響するメカニズムの提案（Facchin et al, 2019[49]からの引用）。

3.1.PBMtによる細胞骨格の調節

細胞の細胞骨格は、マイクロフィラメント、中間フィラメント、微小管で構成されている。これらの細胞骨格は、生物学的機能に加えて、電気信号、力学的作用、電磁場と相互作用する能力を持っており、これらの特性の相互作用を可能にしている。細胞におけるメカノトランスダクション（機械的刺激を生物学的シグナルに変換すること）は、微小管ネットワークがテラヘルツ周波数の電磁場に曝されると開始される[95]。このことは、PBMtで使用されている光もまた、この系におけるメカノトランスダクションを調節できることを意味している。実際、このメカニズムは、ATP合成[104]、幹細胞産生[104,105]、イオンチャネル（例えば、一過性受容体電位（TRP）チャネル[106,107]や一過性受容体電位カチオンチャネルサブファミリーV（TRPV）[108]）の活性化、AD[111]やPD[112]などの神経病理[109,110]の逆転など、細胞プロセスにおけるPBMtの報告された効果に関与している可能性がある。

この仮説を発展させると、PBMは神経細胞構造に観察可能な変化を引き起こし、細胞骨格に力学伝達特性を誘導することが実証されており、これは細胞骨格の変調の直接的な結果であると思われる。マウス後根神経節（DRG）ニューロンおよび培養新生児ラットDRGニューロンに対して、830nm. 20mWの連続波レーザーを5分間で6J、または15分間で15Jの線量で照射すると、LEDではなくレーザー照射によって、末梢神経系のニューロンの長さに沿って「ビーディング」または静脈瘤が形成された[32]。さらに、共焦点顕微鏡を用いたライブイメージングでは、細胞骨格に沿ったミトコンドリアの移動が停止し、これらの静脈瘤に集積することが示された。これらの瘤の形成は、微小管および細胞骨格構造の崩壊を反映している。これはミトコンドリア内のATP枯渇を反映するミトコンドリア膜電位（MMP）のエネルギー状態の低下と一致する。重要なことは、これらの静脈瘤はPBM刺激の停止後24時間で元に戻るということである[32]。同様の変化は中枢神経系でも観察されており、PBMによってシナプス可塑性が改善され、樹状突起を含む細胞骨格が変化した[95,113,114]。

ニューロンの細胞骨格構造の物理的・機能的変化については、PBMの非光伝達メカニズムに関連するいくつかの説明が可能である。微小管の重合と脱重合はエネルギー集約的なプロセスであり、約10分間隔で起こる。利用可能なATPが減少すると重合が停止し、細胞骨格の完全性が破壊されるため、シグナル伝達分子やATPを必要とする機能の輸送が阻害される。このようなタンパク質の立体構造の変化は、光エネルギーの吸収後にも見られる[115]。例えば、810nmのPBMをインビトロで微小管に直接作用させると、段階的な構造崩壊が起こり、その結果、チューブリン重合速度と総量が減少する[38]。チューブリン含量が増加すると、PBM照射によってチューブリンの重合速度と総ポリマー量も増加するため、これらの効果はチューブリン全体の濃度に依存するようである[57]。レーザー照射は、過酸化水素（H2O2）に反応してDRGニューロンに瘤が形成されることで実証されたように、細胞骨格の破壊につながるNOや一重項酸素を含む活性酸素を生成することも注目に値する［116］。このことは、おそらく直接的・間接的なメカニズムの両方をもたらし、結果として神経細胞の細胞骨格を変化させるのであろう。

3.2.PBMtによるイオンチャネルの調節

また、PBMtは光感受性イオンチャネルやシグナル伝達タンパク質を直接標的にして調節し、微小管機能を直接制御できることも知られている。注目すべき例としては、第一に、前兆のある片頭痛を含む羞明において重要な弱内方整流Kチャネル（TWIK）関連脊髄カリウムチャネル（TRESK）[86]、第二に、発色団ニューロプシンである。両者とも神経可塑性と記憶において重要な役割を持ち、微小管関連タンパク質2（MAP2）も制御している[117]。さらに最近では、細胞骨格におけるアクチンと微小管の活性を調節することができるα-シヌクレインが、軸索輸送と短小微小管サブタイプの形成に関与し、神経機能において重要であることが明らかにされている[118,119]。実際、PBMはPDの動物モデルにおいてα-シヌクレインの過剰発現を抑制することが示されており[121]、これは神経可塑性の調節をもたらす関連する光感受性イオンチャネルを標的とした微小管機能の調節の結果として起こる可能性がある。Buendiaらによる最近の研究 [95] では、神経可塑性の改善に関する証拠が報告されている。[95]は、ADモデルマウスにおけるシナプス可塑性の改善の証拠を報告しており、経頭蓋PBMtの適用により、CA3錐体ニューロン領域とCA1錐体ニューロン領域の間のシグナル伝達経路に関与するシャファー側副線維の長期増強が有意に上昇した[122]、これは、a-アミノ-3-ヒドロキシ-5-メチル-4-イソキサンゾールポピオン酸（AMPA）受容体および小伝導性Ca2+活性化K+チャネル（SK2）チャネルの可塑性の変化を示唆している可能性があり、活動依存的な減少が長期増強の変化に寄与する場合、シナプスの変化に関与することが示されている[95] 。

3.3.PBMtによるマイクロバイオームの調節

微生物由来の代謝産物が、有益な結果をもたらすアクチン細胞骨格の再配列を誘導できることを示す証拠もある。酪酸やプロピオン酸のような短鎖脂肪酸の形をした一般的な微生物代謝産物は、タイトジャンクションの発現を増加させ、リポ多糖誘導性のタイトジャンクションのミスローカライゼーションから保護することで、フィラメント性アクチンの方向性に観察可能な変化を引き起こした[123]。血液脳関門の完全性も、ミトコンドリアネットワークダイナミクスの調節によって改善された[123]。PBMと腸内細菌叢との相互作用について理解されていること[124] に基づけば、PBMによって誘発される微生物叢の変化が、微生物由来の代謝産物の循環濃度に結果として影響を及ぼし、その結果アクチン細胞骨格の再編成が起こりうることはもっともである。

3.4.PBMtとリンパ管クリアランス

細胞が相転移を起こし、共鳴がシフトするという概念（図4と後述の第4節を参照）は、α-シヌクレインのような細胞性タンパク質にも適用できる可能性があり、PDの病態生理の進行に重要な意味を持つかもしれない[125] 。α-シヌクレインは、その機能の一部として抗菌ペプチド特性を持ち、免疫系の恒常的代謝機能に重要である[126] 。α-シヌクレインのプリオン化は、PD患者の皮膚サンプルで明らかであり[127]、このメカニズムにより、α-シヌクレインのモノマーがミスセンスしてオリゴマーとして凝集し、その結果、細胞機能が失われる[128]。α-シヌクレインタンパク質は脳脊髄液（CSF）[129] と赤血球[130] に存在し、リンパ管内の生理的機能を持ち、リンパ液の効果的な排出とCSF内の組織の制御に重要である。後者については、A53T PDのマウスにおいて、α-シヌクレインの血管周囲での凝集と、その結果としてのアクアポリン（AQP）4の分極障害が示されている[131]。ここで、頸部リンパ管結紮はマウスに重度の機能障害を引き起こし、ミスフォールドしたα-シヌクレインの蓄積、グリアの活性化、炎症、ドーパミン作動性の低下、運動障害を伴う。これらの観察から、脳リンパ系の機能障害は、脈絡叢や脈絡膜外からの髄液産生の増加を含め、神経血管疾患、神経炎症性疾患、神経変性疾患の発生率の増加をもたらす可能性が高い、動脈壁の拍動性、AQP4チャネルを介した脳実質への髄液の侵入、脳梁周囲腔内への髄液の蓄積、髄膜および頸部リンパ管の機能障害などである[132] 。

PDモデルに対するPBMt治療[133] のポジティブな効果の根底にあるレーザーメカニズムは、リンパ球系に関連する光物理学的側面を持っている可能性があるという仮説が立てられている[132] 。PBMtは、AQP4の発現を低下させることにより、AQP4を含むAQP機能に影響を与えることができる可能性がある[134,135]。AQP4は、概日制御下にあるCSFの分布を支えていることから、リンパ節における排液の概日差を減少させる上で重要な標的である[60,136]。その延長として、PBMtはAQP4の発現を標的にしている可能性がある。AQP4が減少すると、リンパ節へのリンパ液の流入と排出の日中と夜間のレベルの差が減少するため、このことは重要であり、この点からPBMの適用には時間的な考慮が必要であることが示唆される。

脳内のリンパ液排出機能に対するPBMの効果の証拠は、CSFの流出異常が存在する疾患を制御するために、頭蓋内および頭蓋外のリンパ管にPBMを新規に適用することを支持する最近の数多くの動物実験を明らかにしている[137] 。例えば、PBMを適用すると、小さなプラークの密度が減少し、脳からのアミロイドβクリアランスが改善することが示された[138]。これは、低フルエンスでのPBM適用が、腸間膜リンパ管の弛緩と収縮期および拡張期の収縮振幅の減少を引き起こし、血管の血管拡張をもたらすという観察結果から、リンパ管のポンプ作用と収縮性に対するPBMトリガーによる直接的な制御によるものであると仮定された。このリンパ管内皮透過性の増加により、リンパ管を介したより大きな分子の輸送が増加する。興味深いことに、同じ研究では、PBMをより高いフルエンスで適用すると、血管の収縮性が完全に遮断されることが報告されており[139]、適用中にPBMのパラメーターを調節することによって、必要に応じてリンパ管ドレナージを細かく制御できる可能性がある。

別の研究では、PBMが、三半規管から深部頸部リンパ節への実験的トレーサーの蓄積を伴うクリアリング機能を刺激したことが報告されている。さらに、PBMによって誘発された腸間膜リンパ管の拡張も観察され、リンパ流に対する抵抗の減少と関連していた［140］。さらに、マクロファージなどの免疫細胞にPBMを照射すると、リンパ管透過性の亢進とともに、リンパ管から周辺組織への遊走がアップレギュレートされることも示された。これは、経内皮電気抵抗の完全性の低下と、血管内皮（VE）-カドヘリンなどの接合タンパク質の全体的発現の低下によって起こると考えられている［140］。

PBMを投与したADマウスモデルは、深部頸部リンパ節におけるアミロイドβ蛋白レベルの蓄積が増加したことから、PBMによる脳からのアミロイドβクリアランスの刺激効率が向上した可能性がある[141] 。このクリアランスの増加は、血液中の酸素飽和度が改善された結果である可能性があり、ミトコンドリアのATP産生が改善され、髄膜リンパ系内の排出およびクリアランス活動の増加を促進するためにリンパ管の収縮力を刺激できる可能性がある[132]。同じグループによるさらなる実験では、血液脳関門透過性の変化とおそらく経内皮の完全性の結果として、これらの動物における神経行動学的状態のPBMによる増強が報告された［140］。赤血球のような他のタイプの細胞のリンパ管クリアランスを調査した別の研究では、脳室内出血後の経頭蓋PBM適用により、脳室からの細胞の排出が改善され、症状の転帰が改善されることが判明した［142］。この研究では、赤血球は非照射動物よりも速やかに脳室から深部頸部リンパ節に輸送され、PBM介入後の赤血球除去率はより高いことが判明した［142］。さらに、これらの動物はPBM介入後、脳室内出血からの回復も早く、非投与動物と比較して死亡率が有意に減少し、ストレスも減少したようであった［142］。

リンパ管のクリアランスおよびドレナージシステムにおける透過性および内皮機能の変化は、部分的には、循環NOの増加による可能性があることは注目に値する。実際、PBMはシトクロムcオキシダーゼからNOの解離を引き起こすという命題に基づいて、ヒトと動物の両方で血流を増加させることが示されている[143,144]。以前の研究では、PBMの照射は、血管の血管拡張をもたらす内皮NO合成酵素の活性化から神経細胞NOを増加させることが示されている[144]。

4.PBMtと光物理学的メカニズム

4.1.細胞間振動

興味深いことに、細胞内のいくつかのタンパク質やネットワークは、互いに、また他のEMフィールドと相互作用する振動システムに匹敵し、それゆえEMエネルギーを機械的な力や他の生物学的プロセスに伝達する[49]。言い換えれば、光はエネルギー包絡体に作用し、これらの振動は細胞プロセスに伝達され、その結果、生理学的機能の強化に寄与するエネルギーが増強される。これ自体、振動システムとして説明されている[49]。

DNA顕微鏡[103]を使うと、細胞の相転移の変化を可視化することができ る。これは、異なる機能や摂動を可能にするタンパク質構造の変化を 反映しているのかもしれない。相転移は化学的機能とは関係なく、細胞の構造内の力とエネルギーパラメーターに関係し、他のいくつかの熱力学的特性も含まれる。タンパク質の芳香環構造は、特定の対電子と非対電子の分布によって示され、共鳴周波数を決定する。

PBMtの神経メカニズムに関する研究では、一般的に細胞活 動の変化を探求している[145]。この文脈では、ニューロンの活動電位によって生成される電気エネルギーが特に重要である[146]。しかし、一般的にEEG[147] によって測定される非正弦波の「大域的」神経振動は、見落とされがちな脳内電気活動のもう一つの形態である。これらの脳波は、ネットワーク内の個々のニューロンの同期活動によって形成され、単一ニューロンの活動電位よりも低い周波数で、シンフォニックウェーブタイプの電気振動を生み出す[148]。高分子は、脳波の遅い振動に比べて高い周波数で共鳴する。現在、PBMtが周囲の光と同じように皮質のコネクトームを変化させるという証拠がある[149,150,151]。特にガンマ振動（25-140 Hz）については、よく研究されている[154]。

ある研究では、異なる波長のPBMtは、特にガンマ域の神経振動に影響を与えることができ、ガンマ振動を増加させ、課題に関連した活動中のコヒーレンスを改善した[93]。興味深いことに、PBMt照射後の安静時には振動は変化しなかったが、その後の研究で、安静時にも振動の変調が可能であることが示された[50]。さらに、波長810nm、周波数40Hzの近赤外（NIR）光による経頭蓋PBMtは、デフォルトモードネットワークを変化させ、α、β、γの高次振動周波数のパワーを増加させた[50]。後帯状皮質と楔前野のグルタミン酸濃度が高いと、神経脱活性が低下すると報告されていることから、このデフォルトモードネットワークの変調は、グルタミン酸とガンマアミノ酪酸（GABA）の神経化学的濃度に影響されていると考えられる[155]。興味深いことに、グルタミン酸と細胞外K+濃度の上昇を特徴とする皮質拡延性抑制は、皮質の異常なコヒーレンスを特徴とするもう1つの病態である前兆を伴う片頭痛[156] の原因の1つである[157] 。さらに、前兆のない片頭痛は、デフォルトモードのネットワーク結合の破綻と関連している[17] 。

異なる波長を、特定の順番で、あるいは同時に照射することで、ニュー ロンの発振活動を大きく変化させることができる[133]。これらの変化は、メラノコルチン作動性系とドーパミン作動性系の相互作用による神経変調の結果であると考えられ[158]、その結果、前頭前野の錐体ニューロンにおける膜活動電位波形に依存する[159,160]。これらの調節は、神経振動ネットワークに障害が現れる病態の治療のために、神経振動を調節するためにPBMtを使用する方法について、直接的な意味を持つ可能性がある。これには、神経振動変動のタイプの理解も含まれる。

4.2.波長特異性とタンパク質相互作用-光物理共鳴

レーザー光とタンパク質の共通点は、相互の振動特性にある。実際、等しい固有振動数で振動する2つの実体は、相互に作用し合い、活性化することができる。これはいわゆる共鳴現象の一部である。具体的には、このモデルでは、タンパク質間の相互作用は、共鳴EMエネルギー伝達を介して起こるものとして描かれている[29]。この実験的に検証された仮説[161]は、EMの共鳴が赤外線と可視光の範囲内にあるため、PBMtにとって重要な意味を持つ[29]。タンパク質のスペクトル分析と空間分析により、特定の官能基に対して特定の周波数を持つ自由エネルギー電子の分布を決定することができる[162,163]。

これらの原理は、精密医療において、特定のタンパク質をターゲットとしたレーザー介入を可能にする。タンパク質固有の共振特性は、レーザーによって生成されるコヒーレント光と共通している。EMの共鳴エネルギー移動は、タンパク質間の活性化に不可欠であるため、PBMtに使用されるレーザー波長は、同じ周波数で共鳴する同じタンパク質と相互作用できると予想される。実際、この仮説は、治療において有益な結果を得るための波長の重要性を説明するものである。特に、シグナル伝達蛋白質は赤外域で自家蛍光特性を示すことから[161]、PBMtの赤外および近赤外波長が神経学的パフォーマンス[164]、全般性不安障害[165]、PD[166]の治療に最も有効であることが説明できるかもしれない。

4.3.蛍光/自動蛍光タンパク質

内因性分子や細胞の光物理学的共鳴にとどまらず、ある種の蛍光分子や自動蛍光分子も、既存の振動やPBMtによって変調される振動に、相互作用はしないまでも影響を与えるだろう。 この文脈では、Surre et al.[167]は、フラビン、NAD、芳香族アミノ酸、リポフスチン、高度糖化最終産物、コラーゲンなどの一般的な例を含む、蛍光性細胞構造や代謝産物に由来する内在性天然蛍光の産生を意味する[167,168,169]。

実際、DNA分子は、光を吸収も発光もしない「暗黒状態」を一時的に抜けると、自然に蛍光を発することが示されている。非自己蛍光性タンパク質も、適切な励起波長を受けると光を吸収し、下流のプロセスを開始する可能性がある。さらに、蛍光タンパク質が特異的な方向性を持つ光吸収・発光体であることの意味するところは、生理学的反応を惹起するために、あるいは生物学的活性を検出するために光を利用する介入もまた、タンパク質の方向特性によって決定されたり調節されたりする可能性があることを示唆している。実際、代謝活性の測定やその他の診断的調査のために細胞の自家蛍光を標的にすることは以前から示されており、自家蛍光を発することができる組織や細胞の種類は増えつつある。

最後に、内因性共鳴と蛍光の関係は、がん細胞を識別する新しい方法を研究した2つの別々の研究を結びつけることで明らかになった。最初の研究では、バイオフォトニック分析を用いて、ストレスを受けたがん細胞は、近赤外域の光子を発する非がん細胞に比べて、より短い波長の光を発することを実証した[161]。これは、細胞のEM的性質がその健康状態によって変化することを示している。同様に重要なことは、約1.6テラヘルツのがんDNAの共鳴指紋が同定されたことであり、これはおそらく異常なメチル化に起因する特異的シグナルである[176]。これらの研究を総合すると、内因性共鳴とバイオフォトン放出との相互作用的関係の可能性が浮き彫りになる。共振の極性と方向も現在、発光角度の重要性を決定するために研究されており[177]、LEDと比較して、コヒーレント光を用いたレーザーPBMtを用いた結果の違いをさらに示している。

5.現在の臨床応用

光物理学的経路の臨床応用は、健康および疾患におけるPBMtの効果の根底にある光伝達メカニズムと密接に関係している。光による振動変調に反応する光感受性タンパク質が関与し、大域的な振動相互作用を誘導できるような病態であれば、治療の選択肢としてPBMtの適用が可能であると考えられる。

5.1. 共振

光治療とタンパク質スケールでの共鳴理論との相互作用の臨床例は、クリグラー・ナジャール症候群の治療である。このまれな症候群は、肝臓における非抱合ビリルビンのグルクロン酸抱合を担う5′-ジホスホグルクロン酸転移酵素1-A1（UDP）活性の欠如を特徴とする[178]（図6参照）。現在までのところ、乳幼児におけるこの症候群の最も効果的な治療は、患者に青色光線療法を行うことである[43]。