Volume 1, Issue 4 - Topic Issue: Low-level laser therapy: Issue Editors: Arkady Mandel and Michael R. Hamblin

Low-level laser therapy (LLLT) has been used in many clinical contexts. Although its precise mechanism is unclear, its current use is based predominantly on its non-invasive nature and popular patient acceptance. This review attempts to provide a framework for the clinical disease-disorder states focusing on the etiopathology namely; pain, inflammation and immune response termed the PII axis. Following a brief introduction, the literature on the ability of LLLT to modulate the PII axis in specific disease states is reviewed. The triad of critical parameters for LLLT namely, the dose, the biological context and the mechanism are highlighted. This work suggests that LLLT could be a potent primary interventional modality when used to specifically target the PII axis in clinical disease management. Zusammenfassung Die Low-Level-Laser-Therapie (LLLT) ist in vielen klinischen Zusammenhängen verwendet worden. Obwohl die genauen Mechanismen der LLLT noch unklar sind, beruht ihr aktueller Einsatz vor allem auf dem minimal-invasiven Charakter der Methode und der hohen Patientenakzeptanz. Der vorliegende Review-Artikel nähert sich dem Thema ausgehend vom Krankheitsverlauf verschiedener klinischer Erkrankungen und Störungen und fokussiert hierbei auf die Schmerz-Entzündungs-Immunantwort-Achse (pain, inflammation, immune response – PPI – axis). Nach einer kurzen Einführung wird basierend auf der aktuellen Literatur diskutiert, inwieweit es möglich ist, mittels LLLT die PII-Achse in bestimmten Krankheitsstadien zu modulieren. Die Triade kritischer Parameter für die LLLT, nämlich die Dosis, der biologische Kontext und der Mechanismus werden besonders herausgestellt. Im Ergebnis liegt die Vermutung nahe, dass die LLLT eine potente Interventionsmethode im Disease-Management darstellt, wenn sie zielgerichtet auf die PII-Achse ausgerichtet ist.

Far infrared (FIR) radiation (λ=3–100 μm) is a subdivision of the electromagnetic spectrum that has been investigated for biological effects. The goal of this review is to cover the use of a further sub-division (3–12 μm) of this waveband, that has been observed in both in vitro and in vivo studies, to stimulate cells and tissue, and is considered a promising treatment modality for certain medical conditions. Technological advances have provided new techniques for delivering FIR radiation to the human body. Specialty lamps and saunas, delivering pure FIR radiation (eliminating completely the near and mid infrared bands), have became safe, effective, and widely used sources to generate therapeutic effects. Fibers impregnated with FIR emitting ceramic nanoparticles and woven into fabrics, are being used as garments and wraps to generate FIR radiation, and attain health benefits from its effects. Zusammenfassung Ferne Infrarotstrahlung (far infrared, FIR) (λ=3–100 μm) ist ein Unterbereich des elektromagnetischen Spektrums, der hinsichtlich seiner biologischen Effekte von wissenschaftlichem Interesse ist. Das vorliegende Review konzentriert sich auf den Spektralbereich von 3–12 μm, der sowohl in In-vitro - als auch in In-vivo -Studien mit Blick auf die Stimulation von Zellen und Gewebe untersucht wurde und der eine vielversprechende Behandlungsmodalität für verschiedene medizinische Konditionen darstellt. Dank des technischen Fortschrittes konnten verschiedene neue Techniken zur Applikation von FIR-Strahlung am menschlichen Körper entwickelt werden. Spezielle Lampen und Saunas, die reine FIR-Strahlung (ohne Anteile von Nahinfrarot- und Mittelinfrarotstrahlung) liefern, sind immer sicherer und effektiver geworden und werden verbreitet für therapeutische Zwecke genutzt. Fasern, die mit FIR-emittierenden Keramik-Nanopartikeln imprägniert und zu Stoffen weiterverarbeitet werden, finden Verwendung als Kleidung oder Verbandsstoffe, die aufgrund der generierten FIR-Strahlung gesundheitliche Vorteile bewirken können.

The use of low level laser (light) therapy (LLLT) has recently expanded to cover areas of medicine that were not previously thought of as the usual applications such as wound healing and inflammatory orthopedic conditions. One of these novel application areas is LLLT for muscle fatigue and muscle injury. Since it is becoming agreed that mitochondria are the principal photoacceptors present inside cells, and it is known that muscle cells are exceptionally rich in mitochondria, this suggests that LLLT should be highly beneficial in muscle injuries. The ability of LLLT to stimulate stem cells and progenitor cells means that muscle satellite cells may respond well to LLLT and help muscle repair. Furthermore the ability of LLLT to reduce inflammation and lessen oxidative stress is also beneficial in cases of muscle fatigue and injury. This review covers the literature relating to LLLT and muscles in both preclinical animal experiments and human clinical studies. Athletes, people with injured muscles, and patients with Duchenne muscular dystrophy may all benefit. Zusammenfassung Die Anwendung der Low-Level-Laser (Licht)-Therapie (LLLT) hat sich in letzter Zeit um Bereiche der Medizin erweitert die über die üblichen Anwendungen wie Wundheilung und Behandlung von entzündlichen orthopädischen Leiden hinausgehen. Einen solchen neuen Bereich stellt der Einsatz der LLLT bei Muskelermüdung und Muskelverletzung dar. Seit es Konsens ist, dass die Mitochondrien die wichtigsten Photoakzeptoren innerhalb einer Zelle darstellen, und es bekannt ist, dass Muskelzellen besonders reich an Mitochondrien sind, hat sich die Idee entwickelt, dass die LLLT auch bei Muskelverletzungen nutzbringend eingesetzt werden könnte. Da es möglich ist, Stammzellen und Vorläuferzellen mittels LLLT zu stimulieren, liegt die Vermutung nahe, dass Muskel-Satellitenzellen auf die LLLT gut ansprechen und diese Therapie genutzt werden könnte, um Muskeln zu reparieren. Darüber hinaus ist die Fähigkeit der LLLT, Entzündungen zu reduzieren und oxidativen Stress zu verringern auch in Fällen von Muskelermüdung und -verletzungen vorteilhaft. Der vorliegende Review-Artikel gibt einen Überblick über die aktuelle Literatur zum Thema LLLT und Muskeln und umfasst sowohl vorklinische Tierversuche als auch klinische Studien am Menschen. Von den Forschungsergebnissen können Sportler, Menschen mit Muskelverletzungen und Patienten, die an einer Muskeldystrophie vom Typ Duchenne erkrankt sind, gleichermaßen profitieren.

Background: Elderly people suffer from skeletal muscle disorders that undermine their daily activity and quality of life; some of these problems can be listed as but not limited to: sarcopenia, changes in central and peripheral nervous system, blood hypoperfusion, regenerative changes contributing to atrophy, and muscle weakness. Determination, proliferation and differentiation of satellite cells in the regenerative process are regulated by specific transcription factors, known as myogenic regulatory factors (MRFs). In the elderly, the activation of MRFs is inefficient which hampers the regenerative process. Recent studies found that low intensity laser therapy (LILT) has a stimulatory effect in the muscle regeneration process. However, the effects of this therapy when associated with aging are still unknown. Objective: This study aimed to evaluate the effects of LILT (λ=830 nm) on the tibialis anterior (TA) muscle of aged rats. Subjects and methods: The total of 56 male Wistar rats formed two population sets: old and young, with 28 animals in each set. Each of these sets were randomly divided into four groups of young rats (3 months of age) with n=7 per group and four groups of aged rats (10 months of age) with n=7 per group. These groups were submitted to cryoinjury + laser irradiation, cryoinjury only, laser irradiation only and the control group (no cryoinjury/no laser irradiation). The laser treatment was performed for 5 consecutive days. The first laser application was done 24 h after the injury (on day 2) and on the seventh day, the TA muscle was dissected and removed under anesthesia. After this the animals were euthanized. Histological analyses with toluidine blue as well as hematoxylin-eosin staining (for counting the blood capillaries) were performed for the lesion areas. In addition, MyoD and VEGF mRNA was assessed by quantitative polymerase chain reaction. Results: The results showed significant elevation ( p <0.05) in MyoD and VEGF genes expression levels. Moreover, capillary blood count was more prominent in elderly rats in laser irradiated groups when compared to young animals. Conclusion: In conclusion, LILT increased the maturation of satellite cells into myoblasts and myotubes, enhancing the regenerative process of aged rats irradiated with laser. Zusammenfassung Hintergrund: Ältere Menschen leiden häufig unter Skeletterkrankungen, die ihre Tagesaktivitäten und Lebensqualität negativ beeinflussen. Häufig, aber nicht ausschließlich, lassen sich die Probleme auf Sarkopenie, Veränderungen des zentralen und peripheren Nervensystems, Durchblutungsstörungen oder regenerative Veränderungen (Muskelatrophie, Muskelschwäche) zurückführen. Determination, Ausbreitung und Differenzierung von Satellitenzellen im Regenerationsprozess werden durch spezifische Transkriptionsfaktoren, den sogenannten myogenen regulatorischen Faktoren (myogenic regulatory factors, MRFs) bestimmt. Im Alter ist die Aktivierung der MRFs ineffizient, was den Regenerationsprozess hemmt. Neuere Studien haben gezeigt, dass die Therapie mit Laserlicht niedriger Intensität (low intensity laser therapy, LILT) die Muskelregeneration stimuliert. Allerdings sind diese Effekte im Zusammenhang mit dem Altern noch wenig erforscht. Zielsetzung: Die vorliegende Studie evaluiert den Effekt der LILT (λ=830 nm) auf den Tibialis-anterior (TA)-Muskel von älteren Ratten. Material und Methoden: Es wurden an insgesamt 56 männlichen Wistar-Ratten, aufgeteilt in zwei Populations-klassen (jung, alt) mit jeweils 28 Versuchstieren, Untersuchungen durchgeführt. Jede dieser beiden Klassen wurde nach dem Zufallsprinzip in 4 Gruppen mit jeweils 7 jungen Ratten (3 Monate alt) bzw. 4 Gruppen mit jeweils 7 alten Ratten (10 Monate alt) aufgeteilt: Cryoschädigung des TA + Lasertherapie, nur Cryoschädigung, nur Lasertherapie oder weder Cryoschädigung noch Lasertherapie (Kontrollgruppe). Die Laserbehandlung erfolgte an 5 aufeinanderfolgenden Tagen. Die erste Behandlung wurde 24 Stunden nach Cryoschädigung durchgeführt (Tag 2). Am 7. Tag wurde der TA-Muskel unter Anästhesie präpariert und entnommen; anschließend wurden die Tiere eingeschläfert. Die entnommenen Gewebeproben wurden sowohl mit Toluidinblau als auch mit Hämatoxylin-Eosin eingefärbt und histologisch untersucht (Zählung der Blutgefäße). Zusätzlich wurde die Expression von MyoD and VEGF mRNA mittels quantitativer Polymerase-Kettenreaktion (quantitative polymerase chain reaction, qPCR) bestimmt. Ergebnisse: Im Ergebnis zeigte sich eine signifikante Erhöhung der MyoD- und VEGF-Expression ( p <0.05). Außerdem stellten sich die kapillaren Blutgefäße bei den älteren lasertherapierten Ratten im Vergleich zu den jüngeren Ratten prominenter dar. Zusammenfassung: Die LILT verbesserte die Reifung der Satellitenzellen in Myoblasten und Myotuben, wodurch der Regenerationsprozess bei älteren, laserbehandelten Ratten verstärkt wurde.

Objective: A randomized placebo-controlled clinical trial to evaluate an adjunctive treatment modality for pain associated with knee disorders was conducted utilizing a therapeutic laser system (low energy, non-surgical). Subjects and methods: The therapeutic laser system utilized a dual wavelength, multiple diode laser cluster probe with five super-pulsed 905 nm near-infrared (NIR) laser diodes, each emitting at 40 mW average power and four continuous wave 660 nm visible (VIS) red laser diodes, each emitting at 25 mW. It was used as an adjunctive modality providing 12 treatments, three times a week to a homogeneous patient population (n=126), in combination with standardized chiropractic techniques, to evaluate effectiveness on subjects presenting with osteoarthritis and knee pain. The primary endpoint was measured by the visual analog scale (VAS) to assess pain levels on a scale of 0–10. The success criteria for an individual patient in this study were identified as an improvement of 30% or more in the VAS from baseline to 12th treatment and/or an improvement of 20% or more in the VAS from baseline to 30-day follow-up evaluation. Results: The data obtained in the study demonstrated that the present therapeutic laser system provided significant pain relief and osteoarthritic improvements in all primary evaluation criteria, with a statistical and clinical significance of p <0.01 in VAS from baseline to the 30-day follow-up. Zusammenfassung Zielsetzung: Durchführung einer randomisierten, plazebokontrollierten klinischen Studie zur Evaluation einer begleitenden Schmerzbehandlung bei Knieerkrankungen mit einem nicht-chirurgischen therapeutischen Low-Power-Lasersystem. Patienten und Methode: Zur begleitenden Schmerztherapie kam ein therapeutisches Lasersystem mit dualer Wellenlänge (660 nm/905 nm) zum Einsatz, welches über ein Handstück mit Diodenclustern bestehend aus 5 supergepulsten 905 nm nahinfraroten Laserdioden mit jeweils 40 mW mittlerer Leistung und 4 im sichtbaren Bereich kontinuierlich abstrahlenden 660 nm Laserdioden mit jeweils 25 mW Leistung verfügt. In die Studie eingeschlossen wurden 126 Patienten mit Osteoarthritis und Knieschmerzen, die die Schmerztherapie (12 Behandlungen pro Patient, 3x wöchentliche Anwendung) begleitend zu standardisierten chiropraktischen Techniken erhielten. Primärer Endpunkt der Studie war der subjektive Schmerzlevel, der anhand der visuellen Analogskala (visual analog scale, VAS; von 1 bis 10) gemessen wurde. Als Erfolgskriterien wurden bestimmt entweder eine 30%-ige Verbesserung der VAS-Werte nach der 12. Behandlung oder eine 20%-ige Verbesserung der VAS-Werte innerhalb der Follow-up-Periode von 30 Tagen jeweils im Vergleich zu den Anfangswerten zu Beginn der Behandlung. Ergebnisse: Die Studiendaten haben gezeigt, dass mit dem verwendeten therapeutischen Lasersystem eine Schmerzlinderung sowie eine Verbesserung der arthrotischen Beschwerden mit einer statistischen Signifikanz von p <0.01 erzielt werden konnte (Reduzierung der VAS-Werte vom Beginn der Therapie bis 30 Tage nach Behandlung).

Objective: The objective of this study was to investigate the effect of power on low-level lasers used in photodynamic therapy (PDT) to treat chronic plaque psoriasis in a group of Sudanese patients. Materials and methods: Twenty-four patients with chronic plaque psoriasis were randomly selected to enter this study from a total of 100 patients who attended the Khartoum Dermatology Teaching Hospital between 2010 and 2011. The lasers used for PDT were three continuous wave diode lasers in the red portion of the electromagnetic spectrum (671–675 nm) with output powers of 16, 50 and 100 mW to activate the chemical photosensitizer (Levulan ® Kerastick ® topical solution), i.e., the 24 patients were divided into three treatment groups (eight patients for each laser power group). Each patient received three sessions at 2-week intervals. The exposure time was 15 min for each laser session. Results: This study showed that 62% of the patients treated with 100 mW achieved complete clearance compared with 25% for those treated with 50 mW and 0% for those treated with 16 mW. Conclusions: The results showed that increasing the power of low-level laser in PDT increased the clearance of plaque psoriasis. PDT can be used as an alternative method for treatment of psoriasis. Zusammenfassung Zielsetzung: Ziel dieser Studie war es, die Wirksamkeit von Low-Power-Lasern in der photodynamischen Therapie (PDT) der Schuppenflechte in einer Gruppe sudanesischer Patienten zu untersuchen. Material und Methoden: Von 100 Patienten, die sich zwischen 2010 und 2011 am Khartoum Dermatology Teaching Hospital vorstellten, wurden 24 Patienten mit chronischer Schuppenflechte randomisiert und in die Studie aufgenommen. Für die PDT wurden drei kontinuierlich abstrahlende (cw) Laserdioden im roten Wellenlängenbereich (671–675 nm) mit einer Ausgangsleistung von 16, 50 bzw. 100 mW verwendet, um den Photosensibilisator (Levulan ® Kerastick ® für die topische Lösung) zu aktivieren, d.h. die 24 Patienten wurden in 3 Behandlungsgruppen unterteilt mit jeweils 8 Patienten je Laserleistung. Jeder Patient wurde dreimal im Abstand von 2 Wochen behandelt. Die Bestrahlungszeit betrug jeweils 15 min. Ergebnisse: Bei 62% der mit 100 mW Laserleistung behandelten Patienten konnte eine komplette Remission der Schuppenflechte erzielt werden. Dies konnte nur für 25% der Patienten in der Leistungsgruppe “50 mW” und für keinen der mit 16 mW behandelten Patienten erreicht werden. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse zeigen, dass eine Steigerung der Laserleistung und damit der Leistungsflussdichte zu einer Verbesserung der Clearance-Rate bei photodynamischer Behandlung der Schuppenflechte führte. Die PDT stellt somit eine alternative Behandlungsmethode für dieses Krankheitsbild dar.