光生物調節療法對細菌的雙向調節作用的研究進展

呂越 陰慧娟

收稿日期：2023-05-23；修回日期：2023-08-18。

基金項目：國家自然科學基金面上項目（62175261）。

作者簡介：呂越，碩士研究生。

* 通信作者：陰慧娟，研究員，主要從事激光醫學的基礎和應用研究。E-mail： yinzi490@163.com。

摘 要：非侵入性激光照射可以誘導細胞和組織的光生物調節效應。光生物調節（PBM）應用廣泛，特別是在抗微生物感染和改善炎癥方面有著很好的效果。然而，研究發現，PBM對細菌和炎癥有雙向調節現象，抗菌-促菌和抑炎-促炎在不同的試驗條件下會發生變化。近些年來，PBM的臨床應用受到越來越多的關注，特別是在抗菌領域，因為它是一種無創的策略，禁忌癥少。然而，由于雙向調節效應，研究人員仍然對PBM的應用方式存疑，必須根據其臨床應用進行光照波長、劑量等參數的修改。因此，本文總結了PBM對細菌的雙向調節效應，分析了這種雙向調節效應產生的影響因素及其分子機制。PBM對細菌的雙向調節作用受光照波長、劑量、細菌類別及細菌狀態的影響。更好地了解低強度激光治療中雙向劑量反應的程度能夠探索PBM使用的最可靠機制，并最終使各種疾病患者的治療標準化，這對于優化臨床治療是必要的。此外，研究人員對PBM雙向調節機制的合理利用使其可以達到促進或抑制細菌生長的作用，這在微生物制造、菌群調節、改善和治療疾病等領域有廣闊的應用前景。

關鍵詞：光生物調節；雙向調節；分子機制；腸道菌群；抗菌-促菌

中圖分類號：R318.51? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1007-7146.2023.05.002

Research Progress on Bidirectional Regulation of Photobiomodulation Therapy on Bacteria

LYU Yue， YIN Huijuan*

（Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College Institute of Biomedical Engineering，

Tianjin 300192， China）

Abstract：? Non-invasive laser irradiation can induce photobiomodulation of cells and tissues. Photobiomodulation （PBM） is widely used， especially in antimicrobial infection and improving inflammation. However， studies have found that PBM has a bidirectional regulation of bacteria and inflammation. Antibacterial and pro-bacterial， anti-inflammatory and pro-inflammatory will change under different experimental conditions. In recent years， the clinical applications of PBM have received more and more attentions， especially in the field of antibacterial， because it is a noninvasive strategy with few contraindications. However， due to the bidirectional regulatory effect， researchers still have doubts about the application mode of PBM， and the parameters such as light wavelength and dose must be modified according to its clinical application. Therefore， this paper summarizes the bidirectional regulation effects of PBM on bacteria， and analyzes the influencing factors and molecular mechanism of this bidirectional regulation effect. The bidirectional regulation effect of PBM on bacteria is affected by light wavelength， dose， bacterial category and bacterial state. A better understanding of the degree of bidirectional dose-response in low-intensity laser therapy is necessary to optimize clinical treatment. It can also help explore the most reliable mechanism of PBM use and ultimately standardize the treatment of patients with various diseases. In addition， rational use of the bidirectional regulation mechanism of PBM can promote or inhibit the growth of bacteria， which has broad application prospects in the fields of microbial manufacturing， flora regulation， improvement and treatment of diseases.

Key words： photobiomodulation; bidirectional regulatory; molecular mechanism; intestinal flora; antibacterial-promoting bacteria

（Acta Laser Biology Sinica， 2023， 32（5）： 393-402）

細菌感染對健康構成威脅，其導致的慢性難愈合膿創、敗血癥等疾病嚴重影響人們的工作和生活［1］。自1928年青霉素被發現后，抗生素療法成為治療細菌感染最有效的策略之一。然而，近年來，抗生素的過度使用甚至濫用導致耐藥細菌種類不斷增加，甚至出現“超級細菌”，抗生素的療效逐年下降，患者臨床治療時間延長，嚴重增加了經濟負擔。同時，抗生素的大量使用雖然可以在一定程度上抑制細菌感染的發生，但會產生一定的副作用，造成人體免疫系統功能紊亂等。因此，設計能夠代替抗生素、新型有效的抗菌策略已成為細菌治療領域的研究熱點。此外，人類腸道微生物組（gut microbiome，GM）包括復雜而動態的微生物種群，這些微生物對生物體的健康和生存至關重要。腸道菌群的失調與各種疾病密切相關，因此，設法改善腸道菌群的失衡來改善治療疾病備受關注。

近年來，光生物調節 （photobiomodulation，PBM）作為一項非侵入性、無藥物的生物物理治療方法受到廣泛關注和應用。PBM對于細菌表現出雙向調節作用。不同波長、不同劑量的光照會表現出促進細菌增殖或抑制細菌生長的作用。這樣的特性使得PBM對抗細菌感染，以及調節腸道菌群的組成來改善腸道菌群的失調成為可能。基于此，本文總結了PBM雙向調節細菌的相關研究，總結了其雙向調節作用的影響因素、相關分子機制以及應用進展。

1 PBM療法

激光在醫學上的研究和臨床應用的歷史可以追溯到20世紀60年代末［2］。在19世紀后期，丹麥醫生Niles Finsen證明了陽光中的紅光和藍光對皮膚分枝桿菌（Mycobacterium）感染的有益作用。1903年，他還因為這一發現被授予諾貝爾醫學和生理學獎［3］。從此，低能激光治療（low level laser therapy，LLLT）被用于改善幾乎所有人類和動物系統的生理機能［4-5］。2016年，國際上達成共識，將LLLT和舊術語“低水平”（low-level）改為使用新術語“光生物調節”［6］。做出這一決定的其中一個原因就是PBM的雙相劑量反應，即同一波長下，隨著能量密度的改變，PBM可產生抑制或刺激作用。目前PBM已經應用于多個領域并發揮出有效作用。這些研究證明，PBM可促進神經再生，加速創面愈合，提高各種移植物存活率，促進損傷后骨骼和肌肉愈合［7-10］。

PBM的基本原理是利用細胞內的光化學反應，將光子能量轉化為細胞可以使用的化學能［11］。光化學反應發生在光子與細胞內的“光受體”之間。PBM的光子能量低，既不向組織發射熱量（熱能），也不向組織發射輻射（電離輻射），是一種非熱非輻射療法。世界激光治療協會（World Association for Photobiomodulation Therapy，WALT）和北美光治療學會（North American Association for Photobiomodulation Therapy，NAALT）將PBM定義為一種使用非電離光源（如激光二極管、發光二極管以及可見光和紅外光譜中的寬帶光）的光治療形式［12-14］。

2 PBM的雙向調節

2.1 雙向調節理論

PBM相關研究中需要考慮的最關鍵因素是光學傳輸系統，其專注于制造易于操作且能滿足特定應用要求的設備［15］。設備參數在很大程度上是圍繞著光生物學的傳統線性原理描述的，即本生-羅斯科定律（Bunsen-Roscoe law）。這一定律規定了強度和持續時間的負相關性，而整體的生物效應與總能量成正比［16-18］。

本生-羅斯科定律對于特定的線性吸收事件，以及在特定的劑量范圍內當然是有效的，但PBM生物反應通常會引起非線性雙相反應，這時本生-羅斯科定律就不再適用。PBM作用引起的非線性雙相反應被稱為Arndt-Schulz定律。這一定律的原理是：在非常低劑量范圍內光對組織沒有影響，隨著劑量增加開始對組織有積極的影響，直到達到一個平穩期；如果光劑量繼續增加超過某個閾值，有益的組織效應會逐漸減少，直到接近基線（即沒有效果）；而再增加劑量將會開始對組織產生破壞性影響。這種曲線在毒理學領域是眾所周知的，這種現象被稱為“毒素興奮效應”［19］。該效應在圖像上表示為“U”或“J”型曲線。出現這種“U”或“J”型曲線的部分解釋是，小劑量的潛在毒性藥物或有害干預可以誘導細胞內一系列保護性因子（如抗氧化酶和抗凋亡蛋白）的表達，這些保護性因子將增強細胞修復功能，并保護細胞免受隨后的致命挑戰。而隨著毒素劑量增加到一定程度，細胞內保護因子不能抗衡，細胞功能被明顯抑制，細胞遭受持續傷害［20］。

“Arndt-Schulz定律”是描述這種治療劑量依賴效應的常用模型［21-22］。在PBM研究中會使用“雙相”曲線來描述細胞、組織或人體對PBM的預期劑量反應。Nie等［23］給出的關于PBM雙向劑量效應的一個理想化的例子有助于理解這一概念（圖1）。該圖解釋了兩種情況下的PBM雙相反應：一是功率密度固定，照射時間變化所導致的細胞響應的變化；二是輻照時間固定，功率密度變化導致的響應變化。

2.2 PBM雙向調節現象

關于PBM雙相反應的研究已有較多報道。Li等［24］使用不同劑量的650 nm波長激光對人臍靜脈內皮細胞的增殖作用進行了研究。該試驗研究了功率密度、照射時間和輻射暴露（即能量密度）3個參數對于細胞增殖的影響。結果表明：在能量密度為4 J/cm2的條件下，采用的功率密度分別為2.07、11.3 mW/cm2和31.4 mW/cm2時，細胞增殖效應隨功率密度加大而升高；而在相同功率密度下（31.4 mW/cm2），隨著照射時間的延長，細胞生長呈現典型的U型效應，在照射時間為128 s時細胞增殖效應達到最高，但是當照射時間繼續增加，達到640 s時，光照對細胞生長則產生抑制作用。

Lee等［25］采用635 nm激光來評估LLLT對動物模型中口腔潰瘍的治療效果，所用激光能量密度分別為5、20、75 J/cm2。結果表明：20 J/cm2試驗組，口腔潰瘍治療效果最為顯著；5 J/cm2或75 J/cm2并不能促進潰瘍愈合。此結果表現為典型的PBM U型雙向調節。

Dixit等［26］研究比較了810 nm激光對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的抗菌效果，所用激光能量密度分別為13、18 J/cm2和30 J/cm2。結果表明，糞腸球菌（Enterococcus faecalis）在13 J/cm2和30 J/cm2的劑量下抑制生長，在18 J/cm2的劑量下促進生長。這表現為典型的PBM U型雙向調節。此外，該激光對于不同種類的菌也表現出不一樣的效果。所有劑量的激光照射對大腸桿菌（Escherichia coli）、化膿性鏈球菌（Streptococcus pyogenes）、傷寒沙門氏菌（Salmonella typhi）的生長均有抑制作用；所有劑量的激光照射均促進肺炎克雷伯氏菌（Klebsiella pneumonae）、志賀氏菌（Shigella sp.）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）增殖。此結果也表現為典型的雙相調節作用。

3 PBM對細菌的雙向調節研究

PBM雙向效應在細菌的研究中表現也非常顯著，主要與劑量、波長、細菌種類和細菌狀態相關（表1）。

3.1 劑量的雙向效應

Guffey等［27］研究了不同劑量PBM（1～15 J/cm2）在405 nm波長下對金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的調節作用，結果表明：1 J/cm2劑量PBM對金黃色葡萄球菌有促進增殖的作用，而3～15 J/cm2則表現出抑制增殖的作用；但是同樣的5個劑量對銅綠假單胞菌則都有殺菌效果，對痤瘡丙酸桿菌（Propionibacterium acnes）都有促進增殖的效果。Lipovsky等［28］對甲氧西林敏感金黃色葡萄球菌（Methicillin-sensitive Staphylococcus aureus）和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（Methicillin-resistant Staphylococcus aureus）進行了PBM效果比較，他們發現：低劑量（18 J/cm2）白光照射對兩種菌株均有促進增殖的作用，而高劑量（90 J/cm2）造成敏感株96.5%的殺菌率，耐藥株59.3%的殺菌率；180 J/cm2則造成敏感株99.8%的殺菌率，耐藥株55.5%的殺菌率。敏感株和耐藥株對光劑量雙向效應的響應差異，主要是因為敏感株內源性卟啉含量是耐藥株的10倍，而對氧化應激的適應能力僅為耐藥株的50%。Nussbaum等［29］發現，在810 nm光照下，光劑量為1 J/cm2 和2 J/cm2 時，對銅綠假單胞菌表現出明顯的促生長作用，而當劑量增加到5～50 J/cm2，則會對銅綠假單胞菌產生抑制作用。Nussbaum等［30］還發現，在660 nm光照下，光劑量為5～50 J/cm2時，對大腸桿菌的生長產生抑制作用，而光劑量為2 J/cm2時對大腸桿菌的生長產生促進作用。此外，在905 nm光照下，光劑量為1～20 J/cm2時，對銅綠假單胞菌的生長產生促進作用，而光劑量為50 J/cm2時，對銅綠假單胞菌的生長產生抑制作用。這些研究表明，PBM對細菌表現出抑制或促進的雙向效應與光照劑量密切相關，雙向效應的U型或J型拐點與細菌的種類和狀態相關。

3.2 波長的雙向效應

Nussbaum等［30］使用630、660、810 nm和905 nm光在1～50 J/cm2劑量下對大腸桿菌進行照射，結果發現，630 nm的光照在1～50 J/cm2的劑量下均表現出抑制大腸桿菌增殖的作用，而810 nm波長則表現為促進大腸桿菌增殖的作用。他們還發現，在1 J/cm2劑量下，630 nm波長的光顯著抑制銅綠假單胞菌生長，810 nm波長的光則促進其生長。此外，660 nm的光照在5～50 J/cm2的劑量下表現出對大腸桿菌的抑制生長作用，而905 nm光照在相同劑量下則表現為促進生長作用。Guffey等［27］使用405 nm和470 nm波長的光在1～15 J/cm2的劑量下對金黃色葡萄球菌進行光照，結果發現，在3 J/cm2和5 J/cm2劑量下，405 nm光照對金黃色葡萄球菌的生長表現出抑制作用，而470 nm光照則表現出促進作用。De Sousa等［35］分別使用660、830 nm和904 nm的光以及不同的光劑量來研究PBM抗菌作用，結果表明：3 J/cm2劑量下，660 nm的光對金黃色葡萄球菌有促進增殖的作用，而830 nm的光則是抑制生長的作用；同樣劑量下，830 nm的光對大腸桿菌產生抑制作用，而904 nm的光產生促進增殖作用。這些研究表明了PBM對細菌表現出抑制或促進的雙向效應與波長密切相關。

3.3 細菌種類的雙向效應

Min等［36］采用630 nm/850 nm的雙波長LED對十二指腸的腸道菌群進行光照。結果表明，照光1周后，厚壁菌門（Firmicutes）豐度減少，擬桿菌門（Bacteroidetes）和變形菌門（Proteobacteria）豐度增加。這表明PBM的雙向作用受細菌種類影響。Nussbaum等［30］使用630 nm和810 nm波長的光在1～50 J/cm2劑量下對銅綠假單胞菌和大腸桿菌進行光照，結果表明：在5～50 J/cm2劑量下，810 nm光照對銅綠假單胞菌表現出明顯抑制生長的作用，而對大腸桿菌表現出明顯促進生長的作用；在2 J/cm2劑量下，630 nm光照對銅綠假單胞菌表現出明顯促進生長的作用，而對大腸桿菌表現出明顯抑制生長的作用。Lipovsky等［32］使用415 nm和455 nm的光在30、60 J/cm2和120 J/cm2的劑量下對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌進行照射。結果發現：在30 J/cm2劑量下，415 nm光照對金黃色葡萄球菌表現出促進生長的作用，而對大腸桿菌表現出抑制生長的作用；在120 J/cm2劑量下，455 nm光照對金黃色葡萄球菌表現出抑制生長的作用，而對大腸桿菌則表現出促進生長的作用。Dadras等［31］使用514 nm的激光在0.015～1.130 J/cm2劑量下對金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌進行照射。結果顯示，在514 nm光照下，所有劑量對銅綠假單胞菌均表現出顯著地促進增殖作用，而對金黃色葡萄球菌則表現出顯著地抑制增殖作用。這些研究表明了PBM對細菌表現出抑制或促進的雙向效應與細菌種類密切相關。

3.4 細菌狀態的雙向效應

除了考慮細菌種類、光波長及光照劑量，細菌狀態也是需要考慮的重要因素。雖然微生物可以獨立共存，但它們經常相互作用，形成群落，被稱為生物膜［37］。形成生物膜的微菌落可能由一種或多種微生物物種的種群組成，具體取決于它們形成的環境條件，例如，它們黏附的表面的性質，營養物質的存在，pH和氧氣的可用性。Basso等［33］研究了780 nm 波長下PBM對變形鏈球菌（Streptococcus mutans）和白色念珠菌（Candida albicans）形成的生物膜的效應。他們發現，20 J/cm2對由變形鏈球菌形成的生物膜有90%的殺菌率，而對變形鏈球菌和白色念珠菌混合生長形成的生物膜表現為促進細菌增殖的作用。Song等［34］使用400～520 nm的鹵素燈來研究光照對游離狀態和生物膜狀態的伴放線放線桿菌（Aggregatibacter actinomycetemcomitans）的生長影響。結果顯示，45 J/cm2的劑量對浮游狀態的伴放線放線桿菌表現出抑制生長作用，而對生物膜狀態的伴放線放線桿菌表現出促進生長作用。這些研究表明了PBM對細菌表現出抑制或促進的雙向效應與細菌狀態密切相關。

4 PBM對細菌雙向調節的影響因素與分子機制

光生物調節對細菌的雙向效應受到光的能量、波長、細菌類別、細菌狀態等因素的影響。而產生這種雙向效應的分子機制與細菌內的光靶點種類密切相關。細菌內光靶點主要包括兩類：一類是光受體，即細胞內的生色基團，包括含有視網膜發色團的菌視紫紅質、帶有四吡咯發色團的擬菌植物色素、帶有對香豆酸色基的光活性黃蛋白（photoactive yellow protein，PYP）、帶有黃素單核苷酸（flavin mononucleotide，FMN）發色團的光氧電壓（light-oxygen-voltage，LOV）結構域、帶有黃素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD）發色團的隱色劑和藍光感應域等；另一類是內源性光敏劑，如卟啉類物質和黃素蛋白等。細胞色素c氧化酶（cytochrome c oxidase，CCO）是負責接收光照刺激從而誘導細胞內代謝活動發生變化的主要色團，它屬于四吡咯發色團，是線粒體電子傳遞鏈中合成ATP的關鍵酶［38］。CCO含有兩個鐵離子和兩個銅離子亞基，這些亞基的氧化和還原被認為是接收紅/紅外光輻射的發色團［39］。因此，在相應波長光的照射下，CCO被認為接收光子能量，促進電子轉移，從而增加ATP合成。圖2顯示了CCO在ATP合成電子傳遞鏈中的作用。PBM可增加線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP），從而增加電子傳遞。有研究表明，MMP的增加會產生活性氧（reactive oxygen species，ROS），功能失調的線粒體也會產生ROS［40］。線粒體中產生的ROS參與信號通路，引起細胞功能和狀態的改變。

產生ROS過程的特征是一個自我放大的反饋回路，稱為“ROS誘導的ROS釋放（ROS-induced ROS release，RIRR）”［41］。在暴露于過度或長時間氧化應激的條件下，ROS的增加達到閾值水平，從而觸發線粒體通道的打開，如線粒體通透性轉變孔隙（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）或線粒體內膜陰離子通道（inner membrane anion channels，IMAC）。這些通道的激活反過來導致MMP同時崩潰，并通過電子傳遞鏈增加ROS的生成［42］。足夠多的ROS作為“第二信使”來激活鄰近線粒體中的RIRR，作為另一個破壞性的反饋環來增加細胞損傷［43］。

有研究表明，PBM（810 nm）通過生成ROS作為信號分子來激活氧化還原敏感轉錄因子NF-κB［44］。NF-κB是一種負責細胞存活、抗凋亡和增殖的轉錄因子。也有報道稱，高通量光照（包括紅光和近紅外）可通過產生高水平的ROS和Akt/GSK3beta信號通路誘導細胞凋亡，從而對細胞產生有害影響［45-46］。但有研究證明，低劑量產生非抑制性影響的PBM也通過相同的Akt/GSK3beta信號通路來抑制細胞凋亡［47］。Sharma等［48］用0.03、0.30、3、10 J/cm2或30 J/cm2的810 nm激光在不同時間以25 mW/cm2的功率密度來照射神經元，并在照射結束后5 min內使用熒光探針測量細胞內ROS、MMP和鈣的水平。結果表明：在低至0.03 J/cm2時，ROS的初始濃度顯著增加，在3 J/cm2時出現峰值，相當于基線ROS的3倍，但劑量增加到10 J/cm2時ROS顯著下降（與3 J/cm2相比），30 J/cm2時，ROS再次顯著增加（與10 J/cm2相比），比3 J/cm2時觀察到的水平更高；此外，對于MMP和細胞內鈣離子來說，3 J/cm2的影響最大，10 J/cm2或30 J/cm2效果降低，30 J/cm2使MMP降低到基線以下。這證明了PBM的雙相劑量反應。同時結果表明了光誘導ROS可以在呼吸增加（有益）或呼吸減少（有害）時由線粒體產生。當線粒體被過量的ROS破壞時，呼吸作用降低，MMP也降低，這是誘導細胞凋亡的前奏。而合適劑量的光刺激可以從線粒體釋放NO，增加ATP合成，同時產生適度水平的ROS，激活信號通路，但不產生細胞損傷，也不足以引發細胞凋亡。

此外，細胞內信號通路的活性受細胞內蛋白質的還原/氧化狀態（氧化還原狀態）的控制，這些蛋白質的狀態會因為自由基特別是ROS的形成而發生改變。這些信號通路通過Ca2+ ATP酶、Na+/H+反向轉運和Na+/Ca2+交換開啟。鈣離子通道接受光子后引起構象改變，Ca2+內流增加，引起系列變化。

細胞內的內源性光敏劑（如卟啉類物質和黃素蛋白等）具有吸收光并產生光化學反應的能力，不同的內源性光敏劑吸收光的波段范圍有差異，對不同波段吸收能力也不同。如卟啉類物質在400～420 nm波段和610～620 nm波段均可被激發，但前者激發效率遠高于后者；核黃素磷酸鈉則可被375～400 nm波段和470 nm波長的光激發，前者激發效率更高。細菌接收特定波長的光源照射，處于基態的光敏劑吸收光能后會轉化成高能量的單重態，單重態光敏劑通過發射熒光釋放能量回到基態，或經系間跨越轉化成稍穩定的三重態，三重態的光敏劑再釋放能量回到基態，而釋放出的能量可使周邊的分子氧轉換成為單態氧，或者通過氫離子、電子轉移生成超氧化物和過氧化物等氧自由基。單態氧和氧自由基都屬于ROS，ROS激活信號通路，按照上述機制，根據ROS產量的多少，或引起細胞壞死或凋亡，或激發細胞的代償/修復機制［49］。圖3展示了光敏劑分子在接收到光照后產生的光化學反應。正是由于內源性光敏劑的激發波長和激發效率的差異，PBM作用于不同的細菌種類通常會表現出不同的生物效應。

PBM對細菌生物膜的雙向調節作用可能與生物膜渾濁有關。生物膜的存在會使得生物膜深處光的穿透力減少，接收到的光劑量降低，因此，與游離態的細菌相比，同種細菌組成的生物膜卻可能表現出不同的生物效應。另外，生物膜內ROS的含量也可能是影響因素之一。Werner等［50］報告了銅綠假單胞菌生物膜內合成代謝模式的異質性。微電極探測表明，生物膜的底部是缺氧的，那里幾乎沒有細菌的生長和代謝活動。而細胞內ROS的產生是氧依賴性的，缺氧條件下ROS的產生受到阻礙，因此，與游離狀態相比，生物膜狀態下的細菌在接收光照后產生的ROS含量降低。由此可見，PBM對同一細菌的游離狀態和生物膜狀態會表現出不同的生物效應。

5 PBM對細菌雙向作用的應用

PBM雙向作用的典型應用是促進傷口愈合。LYU等［51］使用中心波長為465 nm和625 nm的紅藍光LED燈（red and blue led light，RBLL）對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌、產β-內酰胺酶的超廣譜大腸桿菌（extended-spectrum β-lactamases -producing Escherichia coli）和多重耐藥的銅綠假單胞菌（multi-drug resistant Pseudomonas aeruginosa）感染的雄性小鼠（Sprague-Dawley rat）傷口分別進行照光，結果表明，RBLL降低了3種傷口表面致病菌的水平，加速了傷口愈合。這證實了PBM采用不同波長和劑量等參數的配伍可以實現對傷口感染細菌的抑制和傷口組織的修復。

近年來，PBM對細菌雙向調節的特性被用于腸道菌群的調節。Bicknell等［52］發現，PBM照射到健康小鼠的腹部可以使腸道微生物組產生顯著變化。在紅外光照射（808 nm）14 d后，小鼠微生物群中有益細菌異桿菌屬（Allobaculum）的比率顯著上升。腸道菌群作為一個生態系統，龐大復雜，種類繁多，數量極大，與宿主之間保持著復雜的動態平衡，與機體的健康狀態密切相關。腸道菌群在機體的新陳代謝中發揮著不同的生理功能，并與腸道內環境保持著動態平衡，一旦這種平衡被打破，則會導致相應的疾病。大量臨床和試驗數據表明，腸道各項生理功能的正常運轉有賴于腸道內環境的穩定，這與腸道菌群、腸道上皮細胞及免疫系統間的動態平衡息息相關。一旦在藥物、免疫力下降或其他內外因素的影響下，腸道菌群出現失調，則會不可避免地破壞免疫穩態，進而影響腸道的生理機能及免疫功能，對人體健康造成巨大影響。相反，當腸道菌群失調狀態改善之后，相關疾病也能得到改善。Yao等［53］發現，小腸細菌過度生長（small intestinal bacterial overgrowth，SIBO）這一腸道微生物生態失調狀況與肥胖和糖尿病之間密切相關。益生菌治療可有效治療SIBO，改善腸黏膜損傷，對改善肥胖和糖脂代謝參數有積極影響。這證實了腸道微生物組與肥胖和糖尿病之間的關聯。Ni等［54］發現，長雙歧桿菌（Bifidobacterium longum）和干酪乳桿菌（Lactobacillus casei）益生菌改變了炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）斑馬魚（wild-type AB zebrafish）的微生物群組成和功能，改善了斑馬魚模型的潰瘍性結腸炎和克羅恩病。這表明，腸道微生物組與炎癥性腸病密切相關。Qin等［55］發現，與健康人相比，肺癌患者具有獨特的腸道菌群特征，并且密度和菌群多樣性較低。此外，肺癌患者菌群科和屬的結構較為復雜，具有特定的病原微生物群，這證實了腸道微生物組與肺癌的關聯。Gagné等［56］發現，移植不含益生菌的生態失調微生物群使大鼠（Sprague-Dawley albino male rats）心肌梗死面積增加，證實了腸道菌群微生物組與心血管疾病的關聯。Ishii等［57］發現，口服短雙歧桿菌（Bifidobacterium breve）A1可促進帕金森（Parkinsons disease，PD）小鼠恐懼消退，改善PD小鼠的認知缺陷。大量研究表明，腸道菌群與肥胖、糖尿病、克羅恩病、免疫缺陷性腸道疾病、類風濕性關節炎、結直腸癌、肺癌、心血管疾病、神經退行性疾病等疾病密切相關。Min等［36］使用630 nm/850 nm的LED（由1.85 J/cm2劑量的630 nm光與3.85 J/cm2劑量的850 nm光組合）照射十二指腸，發現腸道菌群組成發生了顯著改變，血清胰島素上升，高血糖癥狀得到改善。本課題組在630、730、850 nm波長下，以100 J/cm2對阿爾茲海默癥（Alzheimers disease，AD）小鼠腹部進行PBM干預，結果表明，3個波長的PBM都顯著改變了腸道菌群的多樣性和豐度，同時提高了AD小鼠的學習記憶能力，海馬淀粉樣變性和tau磷酸化減少，病情得到顯著改善［58］。Pan等［59］使用了上轉換光遺傳學微納米系統，通過腹部照光來觀察對于AD治療的作用，發現腹部照光改變了AD小鼠的腸道菌群微生物的多樣性以及菌種豐度，減輕了全身炎癥，并且改善了AD小鼠的認知能力，降低了AD小鼠的焦慮行為，達到了改善AD癥狀的作用。這些研究均提示了PBM對細菌的雙向調節作用在腸道菌群失衡調節方面的應用潛力，PBM作為一種非侵入性的物理干預手段，必將受到越來越多的關注。

6 總結與展望

由細菌感染造成的疾病多種多樣，不斷威脅著人體健康。此外，近年來人體腸道菌群失調也被證明與人體多種疾病密切相關。尋找一種有效的促菌抗菌策略對于治療細菌感染以及調節腸道菌群組成至關重要。PBM作為一種無創的物理干預手段備受關注。因此，本文總結了PBM對于細菌的雙向調節作用，總結了多年來光生物調節作用于細菌的相關研究，總結了雙向調節的影響因素及其分子機制。

PBM對于細菌生長表現出雙向調節作用，通過對不同PBM參數的結果進行比較，支持了這一觀點。總結相關研究發現：1）在所有研究中，正向效應或者促進作用的光劑量一般在1～2 J/cm2，而抑制效應一般大于3 J/cm2，且波長越短劑量閾值越低，這是由于內源性光敏劑是細菌抑制的主要光靶點，而這些內源性光敏劑的激發光譜特點是波長越短激發效率越高；2）對于紅光、近紅外光和紅外光，由于不能激發內源性光敏劑，其抑制細菌的作用機制是使得對應光受體在過量光子能量下發生破壞性效應，因此抑制劑量范圍較大，多在10 J/cm2以上；3）不同的細菌由于含有的光受體不同，雙向效應的U曲線也會前移或后移，具體應用上還需要深入驗證。

PBM雙向調節的特性使得PBM在多個領域都有著重要應用。PBM最典型的應用在于通過有效的抗菌作用促進傷口修復。并且多項研究表明，PBM雙向調節作用能夠調節腸道菌群組成，改善腸道菌群失衡［57-59］。PBM在治療與細菌相關的疾病方面發揮出巨大的潛力。然而，目前的研究還未對PBM參數的選擇以及對應結果產生標準，并且PBM對細菌產生雙向調節的具體分子機制還不夠清晰，不同的PBM參數是否會導致細胞水平上不同分子通路的激活還有待繼續研究。未來的研究應繼續探索PBM劑量的具體參數，這是影響PBM臨床效果的最大障礙。這將使PBM最終標準化為針對各種疾病的單藥治療或輔助治療。PBM為那些由于醫學禁忌癥、經濟成本或其他原因無法接受傳統治療的患者提供了新的希望。

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