Suitably brief pulses of selectively absorbed optical radiation can cause selective damage to pigmented structures, cells, and organelles in vivo. Precise aiming is unnecessary in this unique form of radiation injury because inherent optical and thermal properties provide target selectivity. A simple, predictive model is presented. Selective damage to cutaneous microvessels and to melanosomes within melanocytes is shown after 577-nanometer (3 × 10 -7 second) and 351-nanometer (2 × 10 -8 second) pulses, respectively. Hemodynamic, histological, and ultrastructural responses are discussed.

In 1995, we reported the construction of a video-rate scanning laser confocal microscope for imaging human skin in vivo. Since then, we have improved the resolution, contrast, depth of imaging, and field of view. Confocal images of human skin are shown with experimentally measured lateral resolution 0.5–1.0 μm and axial resolution (section thickness) 3–5 μm at near-infrared wavelengths of 830 nm and 1064 nm; this resolution compares well to that of histology which is based on typically 5 μm thin sections. Imaging is possible to maximum depth of 350 μm over field of view of 160–800 μm. A mechanical skin-contact device was developed to laterally stabilize the imaging site to within ± 25 μm in the presence of subject motion. Based on these results, we built a small, portable, and robust confocal microscope that is capable of imaging normal and abnormal skin morphology and dynamic processes in vivo, in both laboratory and clinical settings. We report advances in confocal microscope instrumentation and methods, an optimum range of parameters, improved images of normal human skin, and comparison of confocal images with histology.

We describe a new method for selective cell targeting based on the use of light-absorbing microparticles and nanoparticles that are heated by short laser pulses to create highly localized cell damage. The method is closely related to chromophore-assisted laser inactivation and photodynamic therapy, but is driven solely by light absorption, without the need for photochemical intermediates (particularly singlet oxygen). The mechanism of light-particle interaction was investigated by nanosecond time-resolved microscopy and by thermal modeling. The extent of light-induced damage was investigated by cell lethality, by cell membrane permeability, and by protein inactivation. Strong particle size dependence was found for these interactions. A technique based on light to target endogenous particles is already being exploited to treat pigmented cells in dermatology and ophthalmology. With exogenous particles, phamacokinetics and biodistribution studies are needed before the method can be evaluated against photodynamic therapy for cancer treatment. However, particles are unique, unlike photosensitizers, in that they can remain stable and inert in cells for extended periods. Thus they may be particularly useful for prelabeling cells in engineered tissue before implantation. Subsequent irradiation with laser pulses will allow control of the implanted cells (inactivation or modulation) in a noninvasive manner.

Abstract Basic theoretical considerations of the optical and thermal transfer processes that govern the thermal damage induced in tissue by lasers are discussed. An approximate, predictive model and data are proposed for the purpose of selecting a laser that maximizes damage to cutaneous blood vessels and minimizes damage to the surrounding connective tissue and the overlying epidermis. The variables of wavelength, exposure duration, and incident energy density are modeled, and a flashlamp‐pumped dye laser operating at or near the 577 nm absorption band of HbO 2 , with a pulsewidth (0.3 μsec) less than the estimated, approximately 1 millisecond, thermal relaxation times for microvessels is chosen for experimental exposures of normal Caucasian skin. Highly specific laser‐induced damage to blood vessels is demonstrated both clinically and histologically. This is in striking contrast to the previously reported widespread, diffuse necrosis caused by other lasers. The incident energy and preliminary observations of wavelength and temperature dependence for vascular damage thresholds are consistent with theoretical predictions. Whereas typically 20 joules/cm 2 of argon laser irradiation (514 and 488 nm, ∼100 msec) is required to induce widespread thermal damage, the pulsed dye laser requires only about 2 joules/cm 2 to induce highly specific vascular damage. The potential usefulness of dye laser‐induced selective vascular damage as a treatment modality for portwine stain hemangiomas and other vascular lesions is discussed. In addition to possible treatment applications, the dye laser or other sources meeting the requirements for producing such damage may also offer a useful experimental tool for inducing predictable damage to microvas‐culature. Histopathologic and clinical studies related to these possibilities are in progress.

Abstract Background and Objective Fractional photothermolysis (FP) is a new concept using arrays of microscopic thermal damage patterns to stimulate a therapeutic response. We analyzed epidermal and dermal response to FP with the aim of correlating histological and clinical response. Study Design/Materials and Methods Twelve subjects received a single treatment with a prototype diode laser emitting at a wavelength of 1,500 nm, delivering 5 mJ per microscopic treatment zone (MTZ), and a density of 1,600 MTZs/cm 2 on the forearm. Biopsies were procured over a period of 3 months. The biopsies were analyzed by two blinded dermatopathologists using hematoxylin and eosin (Hematoxylin and Eosin Stain), Elastica von Gieson, nitro‐blue‐tetrazolium‐chloride (NBTC) viability, and immunohistochemistry stains. Furthermore, the treatment sites were evaluated in vivo by confocal microscopy. Results and Discussion Twenty‐four hours after fractional photothermolysis, the continuity of the epidermal basal cell layer is restored. Complete epidermal regeneration is obtained 7 days after the treatment. Microscopic epidermal necrotic debris (MENDs) are seen as early as 1 day after FP. MENDs contain melanin pigment, and are shed from the epidermis within 7 days. Evidence of increased collagen III production is shown with immunohistochemistry (IHC) staining 7 days after FP. IHC for heat shock protein 70 (HSP 70) shows the expression of HSP 1 day after FP, and IHC for alpha smooth muscle actin shows the presence of myofibroblasts 7 days after FP. These findings are concordant with the induction of a wound healing response by FP. There is no evidence of residual dermal fibrosis 3 months after treatment. Conclusion A single treatment with fractional photothermolysis induces a wound healing response in the dermis. A mechanism for the precise removal of epidermal melanin is described, in which MENDs act as a melanin shuttle. Lasers Surg. Med. 38:142–149, 2006. © 2006 Wiley‐Liss, Inc.

Abstract The action spectra for delayed erythema and melanogenesis in Caucasian human skin are determined for wavelengths between 250 and 435 nm. The untanned skin of very fair volunteers was observed after single exposures to a range of fluences of monochromatic radiation. At wavelengths longer than 300 nm the two action spectra are indistinguishable, and at wavelengths shorter than 300 nm, they are of similar shape despite a distinct separation. This suggests a common or similar chromophore for initiation of the vascular and pigmentary responses to UV. A broad minimum in the action spectra occurs near 280 nm, a maximum near 296 nm, and for wavelengths longer than 300 nm, increasingly larger fluences of radiation are required to induce delayed erythema and melanogenesis. Between 304 and 334 nm both action spectra exhibit a rapid decrease of almost three orders of magnitude. In contrast, between 334 and 405 nm the spectra decrease by only one order of magnitude, and there is a suggestion of a small maximum at or near 365 nm. Different chromophores, sites of damage, or response mechanisms may be responsible for induction of delayed erythema at these longer wavelengths. After spectral corrections for the optical effects of the stratum corneum, the shape and magnitude of the action spectra are grossly consistent with a mechanism in which DNA is the primary chromophore initiating the response pathways for wavelengths less than 313 nm. Whatever the actual basis for these action spectra may be, they are of practical significance in predicting skin response to sources of ultraviolet radiation.

Exposure of skin to nanosecond-domain laser pulses affects the pigmentary system by a process called selective photothermolysis, in which melanosomes and pigmented cells are preferentially altered. Due to the broad absorption spectrum of melanin, this effect may occur with wavelengths that penetrate to vastly different depths within tissue, potentially producing different biologic responses. The effects of single near-ultraviolet (355 nm), visible (532 nm), and near infrared (1064 nm) pulses of 10-12 nsec duration were determined in guinea pig skin using gross, histologic, and electron microscopic observations. Threshold response in pigmented skin was a transient immediate ash-white discoloration, requiring 0.11, 0.20, and 1.0 J/cm2, at 355, 532, and 1064 nm, respectively. At each wavelength, melanosomes were ruptured within keratinocytes and melanocytes, with cytoplasmic and nuclear alterations. Delayed epidermal depigmentation occurred, followed by gradual repigmentation. Deep follicular cells were altered only at 532 and 1064 nm, which produced permanent leukotrichia. The action spectrum for threshold response was consistent with mechanisms implied by selective photothermolysis. These data may be useful for consideration of treatment for cutaneous pigmentation abnormalities or unwanted follicular pigmentation, or both.

Abstract Background and Objectives Ablative fractional resurfacing (AFR) creates vertical channels that might assist the delivery of topically applied drugs into skin. The purpose of this study was to evaluate drug delivery by CO 2 laser AFR using methyl 5‐aminolevulinate (MAL), a porphyrin precursor, as a test drug. Materials and Methods Two Yorkshire swine were treated with single‐hole CO 2 laser AFR and subsequent topical application of MAL (Metvix®, Photocure ASA, Oslo, Norway), placebo cream and no drug. MAL‐induced porphyrin fluorescence was measured by fluorescence microscopy at skin depths down to 1,800 µm. AFR was performed with a 10.6 µm wavelength prototype CO 2 laser, using stacked single pulses of 3 millisecond and 91.6 mJ per pulse. Results AFR created cone‐shaped channels of approximately 300 µm diameter and 1,850 µm depth that were surrounded by a 70 µm thin layer of thermally coagulated dermis. There was no porphyrin fluorescence in placebo cream or untreated skin sites. AFR followed by MAL application enhanced drug delivery with significantly higher porphyrin fluorescence of hair follicles ( P <0.0011) and dermis ( P <0.0433) versus MAL alone at skin depths of 120, 500, 1,000, 1,500, and 1,800 µm. AFR before MAL application also enhanced skin surface (epidermal) porphyrin fluorescence. Radial diffusion of MAL from the laser‐created channels into surrounding dermis was evidenced by uniform porphyrin fluorescence up to 1,500 µm from the holes (1,000, 1,800 µm depths). Skin massage after MAL application did not affect MAL‐induced porphyrin fluorescence after AFR. Conclusions Ablative fractional laser treatment facilitates delivery of topical MAL deeply into the skin. For the conditions of this study, laser channels approximately 3 mm apart followed by MAL application could produce porphyrins throughout essentially the entire skin. AFR appears to be a clinically practical means for enhancing uptake of MAL, a photodynamic therapy drug, and presumably many other topical skin medications. Lasers Surg. Med. 42:113–122, 2010. © 2009 Wiley‐Liss, Inc.

Despite expert wound care and assiduous management with traditional therapy, poor cosmetic outcomes, restricted motion, and symptoms such as pain and itch are a pervasive problem of disfiguring and debilitating scars. The advent of ablative fractional photothermolysis within the past decade and its application to the treatment of traumatic scars represents a breakthrough in the restoration of function and cosmetic appearance for injured patients, but the procedure is not widely used.To provide a synthesis of our current clinical experience and available literature regarding the laser treatment of traumatic scars with an emphasis on fractional resurfacing.Eight independent, self-selected academic and military dermatology and plastic surgery physicians with extensive experience in the use of lasers for scar treatment assembled for a 2-day ad hoc meeting on January 19 and 20, 2012. Consensus was based largely on expert opinion, but relevant literature was cited where it exists.After consensus was appraised, we drafted the manuscript in sections during the course of several months. The draft was then circulated among all panel members for final review and comment. Our consensus is that laser treatment, particularly ablative fractional resurfacing, deserves a prominent role in future scar treatment paradigms, with the possible inclusion of early intervention for contracture avoidance and assistance with wound healing.Laser scar therapy, particularly fractional ablative laser resurfacing, represents a promising and vastly underused tool in the multidisciplinary treatment of traumatic scars. Changes to existing scar treatment paradigms should include extensive integration of fractional resurfacing and other combination therapies guided by future research.