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Atherosklerotische Stenosen der Karotiden sind eine häufige Erkrankung mit variablem Verlauf und stellen durch ihre potentielle Emboligenität einen wichtigen Risikofaktor für zerebrale Ischämien dar. Klinische und paraklinische Parameter helfen, das individuelle Schlaganfallrisiko bei Patienten mit hochgradigen ACI-Stenosen einzuschätzen, das unmittelbar nach einem thrombembolischen Ereignis besonders hoch ist. Als histomorphologisches Korrelat dieser "Vulnerabilität" wird die Ruptur der fibrotischen Deckplatte der Plaque propagiert, die häufiger bei symptomatischen Patienten nachzuweisen ist. Sie korreliert mit der Infiltration der Gefäßwand durch aktivierte Leukozyten, die über molekulare und zelluläre Interaktionen die Zell- und Bindegewebskomposition der Plaque verändern können. Die strukturelle Integrität atherosklerotischer Läsionen beruht auf der extrazellulären Vernetzung von kollagenem Bindegewebe, das überwiegend von phänotypisch veränderten glatten Gefäßmuskelzellen produziert wird. Eine Hypothese besagt, dass die im Rahmen der Inflammation stattfindende Zunahme proapoptotischer Mediatoren über eine Ausdünnung der zellulären und bindegewebigen Strukturen zu einem Verlust an mechanischer Stabilität führt und somit eine symptomatische Ruptur begünstigt. Da der Nachweis einer Ruptur mit Exponierung des thrombogenen nekrotischen Kerns allerdings nur in einem Teil der symptomatischen Plaques und umgekehrt auch in einem Teil der asymptomatischen nachgewiesen werden kann, ist aber bislang unklar, ob o.g. Abläufe in der humanen Karotis-Atherosklerose tatsächlich mit einer klinischen Relevanz einhergehen. In der vorliegenden Arbeit wurde daher das Auftreten der Apoptose von glatten Gefäßmuskelzellen (mittels DNA in situ end labeling Technik, TUNEL-Färbung) in 38 prospektiv gesammelten Endarterektomie-Präparaten hochgradiger Karotisstenosen quantitativ erfasst und statistisch in Beziehung gesetzt zu Parametern der Plaque-Instabilität, klinisch definiert durch kürzliche (< 60 Tage zurückliegende) ischämische Ereignisse (n=19) und histopathologisch definiert über den Nachweis einer Plaque-Ruptur (n=14). Außerdem wurde eine morphometrische Analyse der einzelnen Plaque-Komponenten durchgeführt und deren Ergebnisse zu den zellulären und klinischen Parametern in Beziehung gesetzt. Die Morphometrie ergab keine signifikanten Unterschiede zwischen symptomatischen vs. asymptomatischen und rupturierten vs. unrupturierten Plaques was die Größe der fibrotischen Deckplatte, die durchschnittliche Dicke (Kern-Lumen-Distanz) und die dünnsten bzw. dicksten Stellen der Deckplatte anbelangt. Anzahl und Konzentration apoptotischer glatter Muskelzellen war deutlich (p<0,001) erhöht in symptomatischen, klinisch instabilen, Karotisplaques. Allerdings waren die Apoptose-Raten in Präparaten, die eine Plaque-Ruptur aufwiesen, nicht signifikant erhöht. Darüber hinaus fand sich kein Hinweis darauf, dass erhöhte Apoptose-Raten zu einem quantifizierbaren Verlust glatter Gefäßmuskelzellen in der fibrotischen Deckplatte führen. Auf dem Boden dieser Ergebnisse kann gefolgert werden, dass erhöhten Apoptose-Raten glatter Gefäßmuskelzellen in der humanen Atherosklerose offenbar eine tragende Bedeutung bei der Entwicklung thrombembolischer Ereignisse zukommt. Allerdings wird die Annahme, dass erhöhte Apoptose-Raten über einen Verlust an glatten Gefäßmuskelzellen Einfluss auf die morphometrischen Eigenschaften der fibrotischen Deckplatte atherosklerotischer Karotis-Läsionen nehmen und zu deren Ausdünnung führen durch die vorliegende Untersuchung nicht gestützt. Vielmehr scheint es plausibel, dass die Apoptose glatter Muskelzellen im Rahmen inflammatorischer Prozesse Einfluss auf die Komposition der Karotisplaque nimmt und so über eine Desintegration der zellulären und bindegewebigen Bestandteile zu reduzierter mechanischer Widerstandskraft und Rupturneigung führt.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit war es die Hypothese, dass die chronische Rhinosinusitis auf eine immunologische Reaktion auf eingeatmete Pilzelemente zurückgehe, zu prüfen. An der Untersuchung nahmen 26 Patienten (medianes Alter: 47,1) und 6 Kontrollprobanden ohne nasale Entzündung (medianes Alter: 25) teil. Durch serologische Untersuchungen haben wir die CRS-Patienten in 35% Allergiker ohne und 19% mit Eosinophilie sowie 19% nicht-Allergiker ohne und 27% mit Eosinophilie mit eingeteilt. Mit einer verfeinerten Technik gelang es uns Pilze in nur 12% bei CRS-Patienten und in 17% bei der Kontrollgruppe mikrobiologisch nachzuweisen. Des Weiteren haben wir Pilzfragmente in 35% bei CRS-Patienten im Nasen-sekretausstrich gefunden, hingegen in keinem Fall in der Kontrollgruppe. Verteilt auf die CRS-Gruppen ergab sich folgendes Bild, wobei Kulturen und Ausstriche zusammen gezählt wurden: Bei 20% der Allergiker mit und bei 44% ohne Eosinophilie wurden Pilze im Nasenschleim nachgewiesen. In der Gruppe der nicht-Allergiker mit Eosinophilie konnten in 29% der Fälle Pilze gefunden werden. Bei 14% der Fälle wurden Pilze mit Allergic Mucin im Nasenschleim identifiziert. Nicht-Allergiker ohne Eosinophile wiesen in 20% der Fälle Pilze im Nasensekret auf. Folglich konnten wir nicht feststellen, dass bei nahezu jeder Untersuchungsperson Pilze im Nasenschleim sich nachweisen ließen. Bei den CRS-Patienten hatten 4% die Kriterien des EFRS-Krankheitsbildes erfüllt. Betrachtet man die Gruppe der nicht-Allergiker isoliert, so waren es dann 14%. Durch immunologische Serumuntersuchungen konnte ein signifikanter Unterschied (p  0,01) bezüglich der Gesamt-IgE-Werte zwischen der Kontroll- und der CRS-Patientengruppe festgestellt werden, allerdings ohne die übrigen zytologischen und histologischen Kriterien der AFS zu erfüllen. Der Gesamt-IgE-Wert bzw. Gesamt-IgE-Titer war ein hilfreicher Parameter zur Abgrenzung einer allergischen Komponente bei bestehender chronischer Rhinosinusitis, besaß aber keine Aussagfähigkeit über vorliegen einer AFS. Zudem wurde auch der pilzspezifische-IgE-Spiegel gemessen. Insgesamt resultierte bei 12% der CRS-Patienten ein positiver Nachweis von zirkulierenden pilzspezifischen IgEs im Serum. Ein Zusammenhang zwischen pilzspezifischen IgE und Eosinophilie mit Clusterbildung und Pilznachweis konnte in keinem Fall beobachtet werden. Mit Hilfe des biochemischen Entzündungsmarker ECP bestimmten wir die eosinophile Entzündungsaktivität im Nasensekret und im Serum. Die ECP-Konzentration im Nasensekret zeigte einen signifikanten Unterschied (p = 0,02) zwischen CRS- und der Kontrollgruppe auf, hingegen im Serum war der Unterschied geringfügig (p = 0,11). Für das Monitoring von Entzündungs-geschehen im Nasenschleim sind Analysen des Nasensekrets daher gegenüber Blutanalysen zu bevorzugen. Die ECP-Nasensekretwerte der CRS-Patienten ohne Nachweis von Pilzelementen im Ausstrich waren insgesamt ähnlich hoch verteilt wie die der mit Nachweis von Pilzelementen im Ausstrich. Somit bestand kein statistisch signifikanter Unterschied zwischen den ECP-Werten mit und ohne Pilznachweis im Nasensekret-ausstrich (p = 0,87). Das ECP im Nasensekret erscheint zum Screening der pilzassoziierten chronischen Rhinosinusitis ungeeignet. Die These, dass Pilze das ätiologische Agens der Polyposis nasi et sinuum oder gar der chronischen Sinusitis allgemein sind, ist weiterhin sehr kritisch zu werten. Da Pilze über potente Antigene verfügen, kann eine Verstärkung eines bereits bestehenden Entzündungsreizes nicht sicher ausgeschlossen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen darauf hin, dass es möglich ist durch einfache pathomorphologische Verfahren eindeutige Informationen zum Vorkommen von Pilzen und eosinophile Zellen bereits im Ausstrich-Präparat zu erhalten. Bei Problemfällen kann der Hinweis auf ein positiven Pilzbefund in der Histologie wertvoll sein, da differentialdiagnostisch ein zusätzlicher potenzierender Entzündungsfaktor zu berücksichtigen ist. Es liegt dann an der Erfahrung des HNO-Arztes und dem klinischen Verlauf welche therapeutischen Optionen dann nützlich sind. Unklar bleibt weiterhin bis dato was das erste Signal bei der eosinophilen Entzündungsreaktion darstellt. Nach unseren Untersuchungen scheinen Pilze nicht primär in Frage zu kommen.
Wassergefiltertes Infrarot A (wIRA) als spezielle Form der Wärmestrahlung mit hohem Penetrationsvermögen in das Gewebe bei geringer thermischer Oberflächenbelastung vermag über thermische und nicht-thermische Effekte wesentliche, auch energetisch bedeutsame Faktoren der Wundheilung - messtechnisch belegt - zu verbessern.
wIRA kann sowohl bei akuten Wunden (prospektive, randomisierte, kontrollierte, doppeltblinde Studien der chirurgischen Universitätsklinik Heidelberg bei frischen abdominellen Op-Wunden, n=94, und der Kinderchirurgie Kassel bei schwerbrandverletzten Kindern, n=45) als auch bei chronischen Wunden und Problemwunden (prospektive, randomisierte, kontrollierte Studie in Basel, n=40, sowie prospektive Studie der Universität Tromsø/Norwegen in Hillerød/Dänemark mit u. a. auch aufwendiger thermographischer Verlaufskontrolle, n=10, in beiden Studien chronische venöse Unterschenkel-Ulzera) einschließlich infizierter Wunden Schmerzen deutlich mindern und die Wundheilung beschleunigen oder bei stagnierender Wundheilung verbessern sowie eine erhöhte Wundsekretion und Entzündung mindern. Insbesondere ist auch ohne Wundheilungsstörung eine positive Beeinflussung der Wundheilung möglich. Bei chronischen Wunden werden vollständige Abheilungen erreicht, die zuvor nicht erreicht wurden.
wIRA ist ein kontaktfreies, verbrauchsmaterialfreies, leicht anzuwendendes, als angenehm empfundenes Verfahren mit guter Tiefenwirkung, das der Sonnenwärmestrahlung auf der Erdoberfläche in gemäßigten Klimazonen nachempfunden ist. Die Bestrahlung der unbedeckten Wunde erfolgt typischerweise aus ca. 25 cm Abstand mit einem wIRA-Strahler.
Wundheilung und Infektionsabwehr (z.B. Granulozytenfunktion einschließlich antibakterieller Sauerstoffradikalbildung der Granulozyten) hängen ganz entscheidend von einer ausreichenden Energieversorgung (und von ausreichend Sauerstoff) ab.
Die klinisch gute Wirkung von wIRA auf Wunden und auch auf Problemwunden und Wundinfektionen lässt sich u. a. über die Verbesserung sowohl der Energiebereitstellung pro Zeit (Steigerung der Stoffwechselleistung) als auch der Sauerstoffversorgung (z.B. für die Granulozytenfunktion) erklären. wIRA bewirkt als thermischen Effekt eine Verbesserung aller drei entscheidender Faktoren Sauerstoffpartialdruck im Gewebe, Gewebetemperatur und Gewebedurchblutung. Daneben wurden auch nicht-thermische Effekte von Infrarot A im Sinne einer Reizsetzung auf Zellen und zelluläre Strukturen mit Reaktionen der Zellen beschrieben.
End-stage renal disease has been denominated a vasculopathic state, owing to the accelerated arterial stiffening, which occurs in addition to and independent of atherosclerosis and bears an increased cardiovascular risk. The altered metabolic milieu in uraemia leads to an increased oxidative stress, heightened inflammatory burden, and an abnormal calcium-phosphate metabolism, which are thought to be responsible for the vascular changes. The pulse wave velocity (PWV) is a widely employed surrogate parameter of arteriosclerosis. The purpose of this study was to gain more insight into the pathogenesis of arterial stiffness, by investigating the influence of markers of oxidative stress, procoagulation, and inflammation, and of the calcium-phosphate product on the PWV. We conducted a cross-sectional study in 53 stable patients aged 59 ± 16 years, who had been on haemodialysis for at least 4 months (68 ± 48). Carotid-radial PWV was measured using a semi-automated device, Complior SP (Artech Medical, France). Advanced glycosylation end-products (AGE) and advanced oxidation protein products (AOPP), were quantified according to previously described methods. High sensitive CRP was measured using ELISA, whereas the other biochemical parameters, i.e. fibrinogen, albumin, calcium, phosphate, cholesterol, and triglycerides, were determined using routine methods. For statistical calculations we employed SPSS (Statistical Package of Social Science, 12.0, 2003). The correlations between PWV, as the dependent variable, and many dependent variables were assessed by means of multiple regression analysis, in which we controlled for the influence of the traditional cardiovascular risk factors and some of the patients’ medication (calcium-channel blockers and statins). PWV was found to be significantly correlated to serum CRP (p=0.003), LDLcholesterol (p<0.001), triglycerides (p<0.001), AGE (p=0.002), calcium (p<0.001), phosphate (p=0.001), and fibrinogen (p=0.020). Between PWV and dialysis duration (months) an interesting quadratic relationship (p=0.058) was noted. Against expectation, regression analysis showed a negative correlation between AOPP and PWV (p=0.001). We failed to confirm the correlation between PWV and age, systolic blood pressure, or heart rate. Among traditional cardiovascular risk factors only LDL-cholesterol was positively correlated to PWV. In this cross-sectional analysis we could put forward that PWV correlates positively and significantly with fibrinogen, CRP, AGEs, calcium, phosphate, and LDL-cholesterol in haemodialysis patients. It seems procoagulatory and proinflammatory pathways, oxidative stress, and the calcium-phosphate product exert a synergistic effect on disturbances of vascular architecture in ESRD patients.
The central portion of chronic wounds is often hypoxic and relatively hypothermic, representing a deficient energy supply of the tissue, which impedes wound healing or even makes it impossible. Water-filtered infrared-A (wIRA) is a special form of heat radiation with a high tissue penetration and a low thermal load to the skin surface. wIRA produces a therapeutically usable field of heat and increases temperature, oxygen partial pressure and perfusion of the tissue. These three factors are decisive for a sufficient tissue supply with energy and oxygen and consequently as well for wound healing, especially in chronic wounds, and infection defense. wIRA acts both by thermal and thermic as well as by non-thermal and non-thermic effects. wIRA can advance wound healing or improve an impaired wound healing process and can especially enable wound healing in non-healing chronic wounds. wIRA can considerably alleviate the pain and diminish wound exudation and inflammation and can show positive immunomodulatory effects.
In a prospective, randomized, controlled study of 40 patients with chronic venous stasis ulcers of the lower legs irradiation with wIRA and visible light (VIS) accelerated the wound healing process (on average 18 vs. 42 days until complete wound closure, residual ulcer area after 42 days 0.4 cm² vs. 2.8 cm²) and led to a reduction of the required dose of pain medication in comparison to the control group of patients treated with the same standard care (wound cleansing, wound dressing with antibacterial gauze, and compression garment therapy) without the concomitant irradiation.
Another prospective study of 10 patients with non-healing chronic venous stasis ulcers of the lower legs included extensive thermographic investigation. Therapy with wIRA(+VIS) resulted in a complete or almost complete wound healing in 7 patients and a marked reduction of the ulcer size in another 2 of the 10 patients, a clear reduction of pain and required dose of pain medication, and a normalization of the thermographic image.
In a current prospective, randomized, controlled, blinded study patients with non-healing chronic venous stasis ulcers of the lower legs are treated with compression garment therapy, wound cleansing, wound dressings and 30 minutes irradiation five times per week over 9 weeks. A preliminary analysis of the first 23 patients of this study has shown in the group with wIRA(+VIS) compared to a control group with VIS an advanced wound healing, an improved granulation and in the later phase of treatment a decrease of the bacterial burden.
Some case reports have demonstrated that wIRA can also be used for mixed arterial-venous ulcers or arterial ulcers, if irradiation intensity is chosen appropriately low and if irradiation is monitored carefully. wIRA can be used concerning decubital ulcers both in a preventive and in a therapeutic indication. wIRA can improve the resorption of topically applied substances also on wounds.
An irradiation with VIS and wIRA presumably acts with endogenous protoporphyrin IX (or protoporphyrin IX of bacteria) virtually similar as a mild photodynamic therapy (endogenous PDT-like effect). This could lead to improved cell regeneration and wound healing and to antibacterial effects.
In conclusion, these results indicate that wIRA generally should be considered for the treatment of chronic wounds.
Water-filtered infrared-A (wIRA) as a special form of heat radiation with a high tissue penetration and with a low thermal load to the skin surface acts both by thermal and thermic as well as by non-thermal and non-thermic effects. wIRA produces a therapeutically usable field of heat in the tissue and increases tissue temperature, tissue oxygen partial pressure, and tissue perfusion. These three factors are decisive for a sufficient tissue supply with energy and oxygen and consequently as well for wound healing and infection defense.
wIRA can considerably alleviate the pain (with remarkably less need for analgesics) and diminish an elevated wound exudation and inflammation and can show positive immunomodulatory effects. wIRA can advance wound healing or improve an impaired wound healing both in acute and in chronic wounds including infected wounds. Even the normal wound healing process can be improved.
A prospective, randomized, controlled, double-blind study with 111 patients after major abdominal surgery at the University Hospital Heidelberg, Germany, showed with 20 minutes irradiation twice a day (starting on the second postoperative day) in the group with wIRA and visible light VIS (wIRA(+VIS), approximately 75% wIRA, 25% VIS) compared to a control group with only VIS a significant and relevant pain reduction combined with a markedly decreased required dose of analgesics: during 230 single irradiations with wIRA(+VIS) the pain decreased without any exception (median of decrease of pain on postoperative days 2-6 was 13.4 on a 100 mm visual analog scale VAS 0-100), while pain remained unchanged in the control group (p<0.001). The required dose of analgesics was 57-70% lower in the subgroups with wIRA(+VIS) compared to the control subgroups with only VIS (median 598 versus 1398 ml ropivacaine, p<0.001, for peridural catheter analgesia; 31 versus 102 mg piritramide, p=0.001, for patient-controlled analgesia; 3.4 versus 10.2 g metamizole, p=0.005, for intravenous and oral analgesia). During irradiation with wIRA(+VIS) the subcutaneous oxygen partial pressure rose markedly by approximately 30% and the subcutaneous temperature by approximately 2.7°C (both in a tissue depth of 2 cm), whereas both remained unchanged in the control group: after irradiation the median of the subcutaneous oxygen partial pressure was 41.6 (with wIRA) versus 30.2 mm Hg in the control group (p<0.001), the median of the subcutaneous temperature was 38.9 versus 36.4°C (p<0.001). The overall evaluation of the effect of irradiation, including wound healing, pain and cosmesis, assessed on a VAS (0-100 with 50 as indifferent point of no effect) by the surgeon (median 79.0 versus 46.8, p<0.001) or the patient (79.0 versus 50.2, p<0.001) was markedly better in the group with wIRA compared to the control group. This was also true for single aspects: Wound healing assessed on a VAS by the surgeon (median 88.6 versus 78.5, p<0.001) or the patient (median 85.8 versus 81.0, p=0.040, trend) and cosmetic result assessed on a VAS by the surgeon (median 84.5 versus 76.5, p<0.001) or the patient (median 86.7 versus 73.6, p=0.001). In addition there was a trend in favor of the wIRA group to a lower rate of total wound infections (3 of 46, approximately 7%, versus 7 of 48, approximately 15%, p=0.208) including late infections after discharge, caused by the different rate of late infections after discharge: 0 of 46 in the wIRA group and 4 of 48 in the control group. And there was a trend towards a shorter postoperative hospital stay: 9 days in the wIRA group versus 11 days in the control group (p=0.037). The principal finding of this study was that postoperative irradiation with wIRA can improve even a normal wound healing process.
A prospective, randomized, controlled, double-blind study with 45 severely burned children at the Children’s Hospital Park Schönfeld, Kassel, Germany, showed with 30 minutes irradiation once a day (starting on the first day, day of burn as day 1) in the group with wIRA and visible light VIS (wIRA(+VIS), approximately 75% wIRA, 25% VIS) compared to a control group with only VIS a markedly faster reduction of wound size. On the fifth day (after 4 days with irradiation) decision was taken, whether surgical debridement of necrotic tissue was necessary because of deeper (second degree, type b) burns (11 of 21 in the group with wIRA, 14 of 24 in the control group) or non-surgical treatment was possible (second degree, type a, burns). The patients treated conservatively were kept within the study and irradiated till complete reepithelialization. The patients in the group with wIRA showed a markedly faster reduction of wound area: a median reduction of wound size of 50% was reached already after 7 days compared to 9 days in the control group, a median reduction of wound size of 90% was already achieved after 9 days compared to 13 days in the control group. In addition the group with wIRA showed superior results till 3 months after the burn in terms of the overall surgical assessment of the wound, cosmesis, and assessment of effects of irradiation compared to the control group.
In a prospective, randomized, controlled study with 12 volunteers at the University Medical Center Charité, Berlin, Germany, within each volunteer 4 experimental superficial wounds (5 mm diameter) as an acute wound model were generated by suction cup technique, removing the roof of the blister with a scalpel and a sterile forceps (day 1). 4 different treatments were used and investigated during 10 days: no therapy, only wIRA(+VIS) (approximately 75% wIRA, 25% VIS; 30 minutes irradiation once a day), only dexpanthenol (= D-panthenol) cream once a day, wIRA(+VIS) and dexpanthenol cream once a day. Healing of the small experimental wounds was from a clinical point of view excellent with all 4 treatments. Therefore there were only small differences between the treatments with slight advantages of the combination wIRA(+VIS) and dexpanthenol cream and of dexpanthenol cream alone concerning relative change of wound size and assessment of feeling of the wound area. However laser scanning microscopy with a scoring system revealed differences between the 4 treatments concerning the formation of the stratum corneum (from first layer of corneocytes to full formation) especially on the days 5-7: fastest formation of the stratum corneum was seen in wounds treated with wIRA(+VIS) and dexpanthenol cream, second was wIRA(+VIS) alone, third dexpanthenol cream alone and last were untreated wounds. Bacterial counts of the wounds (taken every 2 days) showed, that wIRA(+VIS) and the combination of wIRA(+VIS) with dexpanthenol cream were able to inhibit the colonisation with physiological skin flora up to day 5 when compared with the two other groups (untreated group and group with dexpanthenol cream alone). At any investigated time, the amount of colonisation under therapy with wIRA(+VIS) alone was lower (interpreted as more suppressed) compared with the group with wIRA(+VIS) and dexpanthenol cream.
During rehabilitation after hip and knee endoprosthetic operations the resorption of wound seromas and wound hematomas was both clinically and sonographically faster and pain was reduced by irradiation with wIRA(+VIS).
wIRA can be used successfully for persistent postoperative pain e.g. after thoracotomy.
As perspectives for wIRA it seems clinically prudent to use wIRA both pre- and postoperatively, e.g. in abdominal and thoracic operations. wIRA can be used preoperatively (e.g. during 1-2 weeks) to precondition donor and recipient sites of skin flaps, transplants or partial-thickness skin grafts, and postoperatively to improve wound healing and to decrease pain, inflammation and infections at all mentioned sites. wIRA can be used to support routine pre- or intraoperative antibiotic administration or it might even be discussed to replace this under certain conditions by wIRA.
Principles and working mechanisms of water-filtered infrared-A (wIRA) in relation to wound healing
(2007)
The experience of the pleasant heat of the sun in moderate climatic zones arises from the filtering of the heat radiation of the sun by water vapor in the atmosphere of the earth. The filter effect of water decreases those parts of infrared radiation (most parts of infrared-B and -C and the absorption bands of water within infrared-A), which would cause – by reacting with water molecules in the skin – only an undesired thermal load to the surface of the skin. Technically water-filtered infrared-A (wIRA) is produced in special radiators, whose full spectrum of radiation of a halogen bulb is passed through a cuvette, containing water, which absorbs or decreases the described undesired wavelengths of the infrared radiation. Within infrared the remaining wIRA (within 780-1400 nm) mainly consists of radiation with good penetration properties into tissue and therefore allows – compared to unfiltered heat radiation – a multiple energy transfer into tissue without irritating the skin, similar to the sun’s heat radiation in moderate climatic zones. Typical wIRA radiators emit no ultraviolet (UV) radiation and nearly no infrared-B and -C radiation and the amount of infrared-A radiation in relation to the amount of visible light (380-780 nm) is emphasized.
Water-filtered infrared-A as a special form of heat radiation with a high tissue penetration and with a low thermal load to the skin surface acts both by thermal (related to heat energy transfer) and thermic (temperature depending, with a relevant change of temperature) as well as by non-thermal (without a relevant transfer of heat energy) and non-thermic (not depending on temperature, without a relevant change of temperature) effects. wIRA produces a therapeutically usable field of heat in the tissue and increases tissue temperature, tissue oxygen partial pressure, and tissue perfusion. These three factors are vital for a sufficient tissue supply with energy and oxygen. As wound healing and infection defense (e.g. granulocyte function including their antibacterial oxygen radical formation) depend decisively on a sufficient supply with energy and oxygen, one explanation for the good clinical effect of wIRA on wounds and wound infections can be the improvement of both the energy supply per time (increase of metabolic rate) and the oxygen supply. In addition wIRA has non-thermal and non-thermic effects, which are based on putting direct stimuli on cells and cellular structures.
wIRA can considerably alleviate the pain (with remarkably less need for analgesics) and diminish an elevated wound exudation and inflammation and can show positive immunomodulatory effects. wIRA can advance wound healing or improve an impaired wound healing both in acute and in chronic wounds including infected wounds. Even the normal wound healing process can be improved.
Keywords: water-filtered infrared-A (wIRA), infrared-A radiation, wound healing, thermal and non-thermal effects, thermic and non-thermic effects, energy supply, oxygen supply, tissue oxygen partial pressure, tissue temperature, tissue blood flow, reduction of pain, wound exudation, inflammation, immunomodulatory effects, acute wounds, chronic venous stasis ulcers of the lower legs, problem wounds, wound infections, infection defense, contact-free method, absent expenditure of material, quality of life, prospective, randomized, controlled, double-blind studies
Water-filtered infrared-A (wIRA) as a special form of heat radiation with a high tissue penetration and with a low thermal load to the skin surface acts both by thermal and thermic as well as by non-thermal and non-thermic effects. wIRA produces a therapeutically usable field of heat in the tissue and increases tissue temperature, tissue oxygen partial pressure, and tissue perfusion. These three factors are decisive for a sufficient tissue supply with energy and oxygen and consequently as well for wound healing and infection defense.
wIRA can considerably alleviate the pain (with remarkably less need for analgesics) and diminish an elevated wound exudation and inflammation and can show positive immunomodulatory effects. wIRA can advance wound healing or improve an impaired wound healing both in acute and in chronic wounds including infected wounds. Even the normal wound healing process can be improved.
A prospective, randomized, controlled, double-blind study with 111 patients after major abdominal surgery at the University Hospital Heidelberg, Germany, showed with 20 minutes irradiation twice a day (starting on the second postoperative day) in the group with wIRA and visible light VIS (wIRA(+VIS), approximately 75% wIRA, 25% VIS) compared to a control group with only VIS a significant and relevant pain reduction combined with a markedly decreased required dose of analgesics: during 230 single irradiations with wIRA(+VIS) the pain decreased without any exception (median of decrease of pain on postoperative days 2-6 was 13.4 on a 100 mm visual analog scale VAS 0-100), while pain remained unchanged in the control group (p<0.001). The required dose of analgesics was 57-70% lower in the subgroups with wIRA(+VIS) compared to the control subgroups with only VIS (median 598 versus 1398 ml ropivacaine, p<0.001, for peridural catheter analgesia; 31 versus 102 mg piritramide, p=0.001, for patient-controlled analgesia; 3.4 versus 10.2 g metamizole, p=0.005, for intravenous and oral analgesia). During irradiation with wIRA(+VIS) the subcutaneous oxygen partial pressure rose markedly by approximately 30% and the subcutaneous temperature by approximately 2.7°C (both in a tissue depth of 2 cm), whereas both remained unchanged in the control group: after irradiation the median of the subcutaneous oxygen partial pressure was 41.6 (with wIRA) versus 30.2 mm Hg in the control group (p<0.001), the median of the subcutaneous temperature was 38.9 versus 36.4°C (p<0.001). The overall evaluation of the effect of irradiation, including wound healing, pain and cosmesis, assessed on a VAS (0-100 with 50 as indifferent point of no effect) by the surgeon (median 79.0 versus 46.8, p<0.001) or the patient (79.0 versus 50.2, p<0.001) was markedly better in the group with wIRA compared to the control group. This was also true for single aspects: Wound healing assessed on a VAS by the surgeon (median 88.6 versus 78.5, p<0.001) or the patient (median 85.8 versus 81.0, p=0.040, trend) and cosmetic result assessed on a VAS by the surgeon (median 84.5 versus 76.5, p<0.001) or the patient (median 86.7 versus 73.6, p=0.001). In addition there was a trend in favor of the wIRA group to a lower rate of total wound infections (3 of 46, approximately 7%, versus 7 of 48, approximately 15%, p=0.208) including late infections after discharge, caused by the different rate of late infections after discharge: 0 of 46 in the wIRA group and 4 of 48 in the control group. And there was a trend towards a shorter postoperative hospital stay: 9 days in the wIRA group versus 11 days in the control group (p=0.037). The principal finding of this study was that postoperative irradiation with wIRA can improve even a normal wound healing process.
A prospective, randomized, controlled, double-blind study with 45 severely burned children at the Children’s Hospital Park Schönfeld, Kassel, Germany, showed with 30 minutes irradiation once a day (starting on the first day, day of burn as day 1) in the group with wIRA and visible light VIS (wIRA(+VIS), approximately 75% wIRA, 25% VIS) compared to a control group with only VIS a markedly faster reduction of wound size. On the fifth day (after 4 days with irradiation) decision was taken, whether surgical debridement of necrotic tissue was necessary because of deeper (second degree, type b) burns (11 of 21 in the group with wIRA, 14 of 24 in the control group) or non-surgical treatment was possible (second degree, type a, burns). The patients treated conservatively were kept within the study and irradiated till complete reepithelialization. The patients in the group with wIRA showed a markedly faster reduction of wound area: a median reduction of wound size of 50% was reached already after 7 days compared to 9 days in the control group, a median reduction of wound size of 90% was already achieved after 9 days compared to 13 days in the control group. In addition the group with wIRA showed superior results till 3 months after the burn in terms of the overall surgical assessment of the wound, cosmesis, and assessment of effects of irradiation compared to the control group.
In a prospective, randomized, controlled study with 12 volunteers at the University Medical Center Charité, Berlin, Germany, within each volunteer 4 experimental superficial wounds (5 mm diameter) as an acute wound model were generated by suction cup technique, removing the roof of the blister with a scalpel and a sterile forceps (day 1). 4 different treatments were used and investigated during 10 days: no therapy, only wIRA(+VIS) (approximately 75% wIRA, 25% VIS; 30 minutes irradiation once a day), only dexpanthenol (= D-panthenol) cream once a day, wIRA(+VIS) and dexpanthenol cream once a day. Healing of the small experimental wounds was from a clinical point of view excellent with all 4 treatments. Therefore there were only small differences between the treatments with slight advantages of the combination wIRA(+VIS) and dexpanthenol cream and of dexpanthenol cream alone concerning relative change of wound size and assessment of feeling of the wound area. However laser scanning microscopy with a scoring system revealed differences between the 4 treatments concerning the formation of the stratum corneum (from first layer of corneocytes to full formation) especially on the days 5-7: fastest formation of the stratum corneum was seen in wounds treated with wIRA(+VIS) and dexpanthenol cream, second was wIRA(+VIS) alone, third dexpanthenol cream alone and last were untreated wounds. Bacterial counts of the wounds (taken every 2 days) showed, that wIRA(+VIS) and the combination of wIRA(+VIS) with dexpanthenol cream were able to inhibit the colonisation with physiological skin flora up to day 5 when compared with the two other groups (untreated group and group with dexpanthenol cream alone). At any investigated time, the amount of colonisation under therapy with wIRA(+VIS) alone was lower (interpreted as more suppressed) compared with the group with wIRA(+VIS) and dexpanthenol cream.
During rehabilitation after hip and knee endoprosthetic operations the resorption of wound seromas and wound hematomas was both clinically and sonographically faster and pain was reduced by irradiation with wIRA(+VIS).
wIRA can be used successfully for persistent postoperative pain e.g. after thoracotomy.
As perspectives for wIRA it seems clinically prudent to use wIRA both pre- and postoperatively, e.g. in abdominal and thoracic operations. wIRA can be used preoperatively (e.g. during 1-2 weeks) to precondition donor and recipient sites of skin flaps, transplants or partial-thickness skin grafts, and postoperatively to improve wound healing and to decrease pain, inflammation and infections at all mentioned sites. wIRA can be used to support routine pre- or intraoperative antibiotic administration or it might even be discussed to replace this under certain conditions by wIRA.
Principles and working mechanisms of water-filtered infrared-A (wIRA) in relation to wound healing
(2007)
The experience of the pleasant heat of the sun in moderate climatic zones arises from the filtering of the heat radiation of the sun by water vapor in the atmosphere of the earth. The filter effect of water decreases those parts of infrared radiation (most parts of infrared-B and -C and the absorption bands of water within infrared-A), which would cause – by reacting with water molecules in the skin – only an undesired thermal load to the surface of the skin. Technically water-filtered infrared-A (wIRA) is produced in special radiators, whose full spectrum of radiation of a halogen bulb is passed through a cuvette, containing water, which absorbs or decreases the described undesired wavelengths of the infrared radiation. Within infrared the remaining wIRA (within 780-1400 nm) mainly consists of radiation with good penetration properties into tissue and therefore allows – compared to unfiltered heat radiation – a multiple energy transfer into tissue without irritating the skin, similar to the sun’s heat radiation in moderate climatic zones. Typical wIRA radiators emit no ultraviolet (UV) radiation and nearly no infrared-B and -C radiation and the amount of infrared-A radiation in relation to the amount of visible light (380-780 nm) is emphasized. Water-filtered infrared-A as a special form of heat radiation with a high tissue penetration and with a low thermal load to the skin surface acts both by thermal (related to heat energy transfer) and thermic (temperature depending, with a relevant change of temperature) as well as by non-thermal (without a relevant transfer of heat energy) and non-thermic (not depending on temperature, without a relevant change of temperature) effects. wIRA produces a therapeutically usable field of heat in the tissue and increases tissue temperature, tissue oxygen partial pressure, and tissue perfusion. These three factors are vital for a sufficient tissue supply with energy and oxygen. As wound healing and infection defense (e.g. granulocyte function including their antibacterial oxygen radical formation) depend decisively on a sufficient supply with energy and oxygen, one explanation for the good clinical effect of wIRA on wounds and wound infections can be the improvement of both the energy supply per time (increase of metabolic rate) and the oxygen supply. In addition wIRA has non-thermal and non-thermic effects, which are based on putting direct stimuli on cells and cellular structures. wIRA can considerably alleviate the pain (with remarkably less need for analgesics) and diminish an elevated wound exudation and inflammation and can show positive immunomodulatory effects. wIRA can advance wound healing or improve an impaired wound healing both in acute and in chronic wounds including infected wounds. Even the normal wound healing process can be improved. wIRA is contact-free, easily applied, without discomfort to the patient, with absent consumption of material and with a good effect in the depth. The irradiation of the typically uncovered wound is carried out with a wIRA radiator.
Nach schwerem Trauma wird häufig eine immunologische Dysregulation beobachtet, die durch das Vorliegen einer überschießenden Inflammationsreaktion bei gleichzeitig bestehender Immunsuppression gekennzeichnet ist. Diese inadäquate Immunreaktion wird für das Auftreten posttraumatischer Komplikationen wie Systemic Inflammatory Response Syndrome (SIRS), Sepsis oder Multiorganversagen mitverantwortlich gemacht. Eine entscheidende Rolle bei den posttraumatisch ablaufenden immunologischen Vorgängen scheint dabei den Monozyten als Teil des unspezifischen Immunsystems zuzukommen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Monozytenaktivität nach Trauma unterschiedlicher Ausprägung und Schwere sowie ihre Korrelation mit an der posttraumatischen immunologischen Dysregulation potentiell beteiligten Mediatoren wie Interleukin-6 und Interleukin-10. Im Rahmen dieser 12-monatigen prospektiven klinischen Studie wurde von insgesamt 57 Patienten bei Eintreffen im Schockraum sowie an fünf Folgetagen Vollblut abgenommen. Bei 18 ausgewählten Patienten erfolgten weitere Blutentnahmen bis Tag 14. Die Patienten wurden nach Verletzungsschwere mittels Injury Severity Score (ISS) in fünf Gruppen eingeteilt und einer Kontrollgruppe gegenübergestellt. Die Blutproben wurden zunächst für 24 Stunden mit bakteriellem Lipopolysaccharid (LPS) inkubiert. Schließlich erfolgte aus den gewonnenen Proben mittels ELISA die Messung der Konzentration von Interleukin-1β als Surrogatparameter für die Aktivierbarkeit der Monozyten. Des Weiteren erfolgte die Bestimmung der Konzentrationen von Interleukin-6, Interleukin-10 und CRP im Patientenserum. Die Monozytenaktivität war bereits bei leicht verletzten Patienten mit einem ISS von eins bis acht Punkten signifikant gegenüber der Kontrollgruppe supprimiert. Diese Suppression setzte sich mit steigender Verletzungsschwere signifikant fort. Des Weiteren zeigte sich bereits bei Eintreffen der Patienten im Schockraum in allen Gruppen eine signifikante Suppression der stimulierten monozytären IL-1β-Produktion gegenüber der Kontrollgruppe. In der Gruppe der Leichtverletzten erreichte die IL-1β-Konzentration im Überstand bereits am zweiten Tag nach Trauma wieder die Werte gesunder Probanden, während in Gruppe II an Tag fünf, in Gruppe IV und V erst an Tag sechs ein partieller, nicht signifikanter Anstieg der Werte beobachtet werden konnte. Der Vergleich zwischen männlichen und weiblichen Patienten zeigte eine signifikante Suppression der stimulierten IL-1β-Produktion im weiblichen Kollektiv. Der Vergleich von Patienten mit posttraumatischer Entwicklung eines SIRS und Patienten ohne SIRS-Nachweis zeigte in der SIRS-Gruppe eine signifikante Reduktion der Monozytenaktivität, wobei die SIRS-Patienten im Durchschnitt allerdings auch schwerer verletzt waren. Der Vergleich der stimulierten Monozytenaktivität mit den Serumkonzentrationen von IL-6 und IL-10 zeigte für IL-6 einen der stimulierten IL-1β-Produktion entgegen- gesetzten, signifikanten Konzentrationsanstieg in Abhängigkeit von der Verletzungsschwere. Die Serumkonzentrationen von IL-10 waren erst bei Schwerstverletzten mit einem ISS ≥ 25 Punkten signifikant erhöht. Die Untersuchung der CRP-Serumkonzentration in Abhängigkeit von der Verletzungsschwere zeigte von Gruppe I bis III einen signifikanten Anstieg. Ab einem ISS von ≥ 16 Punkten war jedoch keine signifikante Konzentrationserhöhung des Serum-CRP mehr zu verzeichnen. Die vorliegende Studie zeigt, dass es bereits bei leichten Verletzungen zu einer Suppression des unspezifischen Immunsystems und hierbei insbesondere der Monozytenaktivität kommt. Diese Immunsuppression lässt sich bereits kurz nach dem Trauma, bei Eintreffen in der Klinik, nachweisen. Die Ursache für die wider Erwarten deutliche Reduktion der Monozytenaktivität bei weiblichen gegenüber männlichen Patienten konnte nicht geklärt werden. Eine mögliche Ursache könnte das fortgeschrittene, postmenopausale Alter zahlreicher Patientinnen sein. Aufgrund seiner geringer ausgeprägten Korrelation mit der Verletzungsschwere erwies sich die Serumkonzentration von CRP im Vergleich mit der stimulierten IL-1β-Produktion und der IL-6-Serumkonzentration als der für diese Untersuchung weniger geeignete Parameter.