Valutazione numerico-sperimentale dell’indice di rifrazione complesso dei mitocondri a 810 nm nel contesto della fotobiomodulazione

Abstract

Con il termine fotobiomodulazione si indica l’impiego di radiazione nel visibile o nel vicino infrarosso per modulare specifiche funzioni cellulari a fini terapeutici, con un ruolo particolarmente rilevante a livello mitocondriale. Gli effetti biochimici e fisiologici associati a questo tipo di illuminazione sono stati ampiamente documentati, ma la comprensione quantitativa dei meccanismi coinvolti presenta ancora zone di incertezza. Tra queste, un aspetto centrale riguarda le proprietà ottiche dei mitocondri: i valori riportati in letteratura per la componente immaginaria dell’indice di rifrazione, legata all’assorbimento, mostrano una variabilità molto ampia, che non consente di ottenere una stima precisa dell’energia assorbita dagli organelli. In questo lavoro tale problema viene affrontato mediante un confronto numerico-sperimentale. Sono state misurate le potenze trasmesse attraverso campioni mitocondriali isolati da tessuto epatico bovino e irradiati con una sorgente laser continua a 810 nm. I dati di due campagne indipendenti sono stati confrontati con simulazioni basate su un modello ottico multistrato, variando gli spessori degli strati e l’indice di rifrazione complesso dei mitocondri. Il lavoro si conclude con una discussione delle principali limitazioni del modello adottato e delle misure disponibili. I risultati ottenuti mostrano che i valori comunemente riportati in letteratura non descrivono adeguatamente le misure sperimentali e suggeriscono una possibile revisione dell’intervallo di riferimento per l’indice complesso dei mitocondri, con implicazioni dirette per la modellizzazione quantitativa dei processi di fotobiomodulazione.

Photobiomodulation refers to the use of visible or near-infrared radiation to modulate specific cellular functions for therapeutic purposes, with a particularly significant role at the mitochondrial level. The biochemical and physiological effects associated with this type of illumination have been extensively documented, yet a quantitative understanding of the underlying mechanisms still presents areas of uncertainty. Among these, a central issue concerns the optical properties of mitochondria: the values reported in the literature for the imaginary part of the refractive index, which is linked to absorption, exhibit very large variability, preventing a precise estimation of the energy absorbed by the organelles. In this work, this problem is addressed through a combined numerical–experimental comparison. The transmitted powers were measured through mitochondrial samples isolated from bovine liver tissue and irradiated with a continuous-wave 810-nm laser source. Data from two independent measurement campaigns were compared with simulations based on a multilayer optical model, varying both the layer thicknesses and the complex refractive index of mitochondria. The work concludes with a discussion of the main limitations of the adopted model and the available measurements. The results show that the values commonly reported in the literature do not adequately describe the experimental data and suggest a possible revision of the reference range for the complex refractive index of mitochondria, with direct implications for the quantitative modelling of photobiomodulation processes.