UVC技術滅活常見病原微生物研究現狀及臨床應用

吳明娥，周古翔，李振宇，李艷，張雨馳,3b，袁力蓉，吳榮謙，呂毅

1.西安交通大學第一附屬醫院 a.陜西省再生醫學與外科工程研究中心；b.精準外科與再生醫學國家地方聯合工程研究中心；c.肝膽外科，陜西 西安 710061；2.陜西省磁醫學重點實驗室，陜西 西安 710049；3.西安交通大學 a.醫學部；b.電信學部，陜西 西安 710061

引言

隨著微生物對抗微生物藥物耐藥性的產生，耐藥細菌、真菌感染發病率和死亡率的上升已成為影響公眾健康的重要公共衛生問題[1]。微生物對不同類別的抗真菌、細菌類藥物都可能產生耐藥性，抗生素耐藥性導致患者患病時間更長、死亡風險增加[2-3]。同時，隨著冠狀病毒引起的幾次全球性呼吸道疾病大流行對人民生命健康及經濟發展帶來的巨大威脅與損失[4]，探索高效、快捷、安全的防治策略來彌補傳統治療方法的不足和應對公共衛生突發事件成為當前的發展趨勢。

紫外線（100～400 nm）根據其波長可分為A 波段紫外線（315～400 nm，Ultraviolet A，UVA）、B 波段紫外線（280～315 nm，Ultraviolet B，UVB）、C 波段紫外線（200～280 nm，Ultraviolet C，UVC）和真空紫外線（100～200 nm， Vacuum Ultraviolet，VUV）[5]。UVC較UVA 和UVB 穿透力弱，且具有巨大的殺菌消毒潛力，目前，UVC 已被廣泛開發應用于工業消毒、食品安全、環境安全及醫療衛生等領域[6-8]。UVC 技術可選擇特定波長滅活不同病灶部位的不同病原微生物，兼具普適與廣泛性，可以彌補抗微生物藥物治療的不足[9]。研究表明暴露于254 nm 紫外線可能存在健康風險，如皮膚灼傷、角膜損傷、白內障風險等[10-11]，而對病毒、細菌和真菌仍具有滅活作用的222 nm 紫外線具有一定的生物安全性[12-13]。因此，為應對抗微生物藥物耐藥性的問題，如何安全有效地借助UVC 技術應用于醫療衛生領域已成為近年來的研究熱點。本文對比分析了UVC 滅活常見病原微生物的作用機制、滅活效果及影響因素，分析了UVC 技術臨床應用的生物安全性，并歸納UVC 技術設備在臨床應用的研究進展，以期為未來研究提供參考。

1 UVC滅活病原微生物的主要作用機制

1.1 遺傳物質的損傷和ATP的衰減

UVC 滅活病原微生物的作用機制與誘導DNA 的損傷和基因組復制的中斷有關[14]，通過UVC 輻射形成兩大類致DNA 突變的損傷產物，其中最主要的為嘧啶二聚體，UVC 可引起環丁烷嘧啶二聚體、嘧啶酮光產物以及相關的杜瓦價鍵異構體的改變，從而阻止DNA 復制和基因表達，以滅活病原微生物[15-17]。有研究比較了低壓UV 汞燈、中壓UV 汞燈、265 nm、285 nm 和222 nm 5 種不同紫外光源對耐氯菌的滅活效果，并對病原微生物滅活機制進行了分析[18]，結果顯示265 nm 的殺菌效果最佳，低壓UV 汞燈、中壓UV 汞燈與222 nm 的滅菌效果相當，285 nm 最弱，222 nm 在對病原微生物的滅活機制中與其他波長存在差異，222 nm 除直接作用于DNA 外，還通過對細菌ATP 的直接降解作用以及誘導活性氧形成從而破壞細胞膜結構進而影響細菌活性，造成細菌損傷，這是區別于其他紫外光源的新消毒機制。

1.2 細胞膜損傷和細胞內酶失活

Ha 等[19]比較了222 nm 與254 nm 紫外線對食源性病原體的滅菌效果，結果顯示222 nm 對大腸桿菌、鼠傷寒沙門菌血清型和單核細胞增生李斯特氏菌的滅活能力顯著高于254 nm，同時，通過熒光染料碘化丙啶（Propidium Iodide，PI）和羧基熒光素二乙酸酯（Carboxyfluorescein Diacetate，cFDA） 評估了由222 nm 與254 nm UVC 誘導的對病原體細胞膜和細胞內酶的損傷，結果發現經254 nm 處理后的病原體細胞膜沒有顯著損傷，經222 nm 處理后的病原體PI 攝取程度及cFDA 轉化值均顯著高于254 nm 處理組。因此，細胞膜損傷和細胞內酶滅活可能是導致222 nm 殺菌效果增強的主要因素。

1.3 蛋白質的破壞

紫外線對核酸／微生物的破壞取決于核酸／微生物對紫外線的吸收和反應。Naito 等[20]使用222 nm 與254 nm 紫外線照射大腸桿菌、蛋白酶、寡肽、氨基酸、質粒DNA 和核苷，分析DNA/RNA 和蛋白質的潛在損傷機制，研究結果表明，222 nm 紫外線殺菌機制主要是蛋白質降解，而254 nm 紫外線主要殺菌機制為核酸破壞。Ong 等[21]使用人類冠狀病毒hCoV-229 E 和hCoVOC 43 探究UVC 對病毒的滅活機制，結果顯示277 nm紫外線在滅活人類冠狀病毒方面優于254 nm 紫外線，這主要得益于在Trp 436 處，刺突蛋白在277 nm 處降解，而在254 nm 處未被降解。

2 UVC對常見病原微生物的滅活效果

2.1 UVC對真菌的滅活效果

紫外線照射對真菌具有殺滅作用，但由于真菌孢子細胞壁較厚以及某些真菌具有顏色，導致紫外線殺滅真菌的作用較弱[22]。Song 等[23]研究了UVC-LED（275±10）nm 的深紫外光對感染小鼠模型（糞腸道球菌、大腸埃希菌、白色念珠菌等）的滅菌效果，結果顯示實驗組在300 mJ/cm2的275 nm 紫外線照射后，沒有觀察到細菌或真菌生長。Schleusener 等[24]比較了3 種波長的紫外線（222、233 和254 nm）對兩種念珠菌（病原體白癬菌和副癬菌）的滅菌效果，結果表明222 nm與254 nm 紫外光在20 mJ/cm2的劑量下，兩種念珠菌的菌落計數均顯著減少，3 種波長UVC 均在40 mJ/cm2劑量下表現出較好的殺菌效果，殺菌率可達98%。

2.2 UVC對病毒的滅活效果

UVC 光目前已被廣泛應用于室內及物體表面的病毒消毒，多項研究均表明，UVC 光對病毒滅活效果顯著，且對物體表面腐蝕較少[25-27]。Inagaki 等[28]對SARSCoV-2 進行了消毒處理，發現37.5 mJ/cm2的280 nm 紫外線即可快速滅活90%的SARS-CoV-2。Minamikawa等[29]評估了3 種波長（265、280 和300 nm）UVC 光對SARS-CoV-2 的滅活效果，為達到99.9%的病毒滅活效果，265、280 和300 nm 所需的總劑量分別為1.8、3.0、23 mJ/cm2。Muramoto 等[30]使用3 種波長（265、275和285 nm）對固體表面的流感病毒（HCoV-229E）進行照射，結果表明病毒滅活效果最佳波長為265 nm，其次為275 nm 和285 nm，其中265 nm 與275 nm 紫外線在25.92 mJ/cm2的劑量下，滅活率可達99.9%。Ma 等[31]使用4 種波長（222、254、270、282 nm）對噬菌體Phi6和兩種冠狀病毒（HCoV-229E、小鼠肝炎病毒）進行照射，結果表明UVC 設備可以有效滅活包膜病毒，其中222 nm滅活效率最佳。腺病毒對紫外線消毒具有高度抗性，經254 nm 紫外光的照射對腺病毒滅活往往效果不佳[32]，在低于240 nm 的波長下，蛋白質對紫外光吸光度最高，220 nm 處的蛋白質損傷顯著大于254、261 和278 nm 處。

2.3 UVC對細菌的滅活效果

Fukuda 等[33]探討了使用265 nm 和280 nm UVC 滅活具核梭桿菌的有效性，結果顯示兩種波長的深紫外發光二極管對具核梭桿菌顯示出相似的殺菌效果。該團隊后續探討了222 nm 深紫外線對大腸桿菌的滅菌性[34]，結果表明222 nm 深紫外線對大腸桿菌同樣有較好的滅菌效果。有研究探討了254 nm 紫外線對脂環酸芽孢桿菌的滅菌效果，并觀察其對芽孢孢子和生物膜形成的影響，結果表明在16.8 kJ/m2的輻照劑量下，酸土脂環酸芽孢桿菌、草本脂環酸芽孢桿菌和環庚脂環酸芽孢桿菌的孢子數急劇下降，而酸熱脂環酸桿菌孢子對UVC 更敏感，在12.6 kJ/m2的輻照劑量下即可觀察到孢子數急劇下降，所有菌類在UVC 照射下均觀察到生物膜形成減少[35]。Taylor 等[36]檢測了222 nm 紫外線用于殺滅物體表面細菌孢子的有效性，結果顯示222 nm 紫外線對蠟狀芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌、艱難梭狀芽孢桿菌有滅活作用。

3 影響UVC滅活常見病原微生物的因素

UVC 波長、輻射劑量以及微生物種類是影響紫外光消毒滅菌的主要因素，除此之外，溫度、濕度和生物特性等其他因素也會對UVC 的消毒滅菌效果產生影響。

3.1 溫濕度

有研究表明較高的相對濕度會降低紫外光的殺菌效果，一方面是因為較高的相對濕度有助于病原微生物的生長和繁殖；另一方面是因為環境中相對濕度越大，病原微生物周圍形成水層，使病原微生物對UVC 照射的敏感性降低，同時，空氣中存在的大量水分子會對紫外光吸收、折射和反射，削弱了紫外光照射的強度，使紫外光難以達到最佳消毒效果[37-38]。Wen 等[39]探究了不同溫度（5～35 ℃）對真菌孢子的光復活與暗修復作用，結果表明溫度對真菌孢子的暗修復沒有顯著影響，但較高的溫度對真菌孢子的光復活具有一定程度的促進作用。Zhang 等[38]比較了在15～16℃、20～21℃、25～26℃下紫外光照射對表皮葡萄球菌、產堿桿菌和大腸桿菌滅菌效果的影響，結果表明當溫度在20～21℃時，其滅菌效果最佳。

3.2 生物特性

研究發現食品接觸材料的表面粗糙度、表面鋪展系數等性質顯著影響UVC 對微生物的殺滅效果[40-41]。Adhikari 等[42]使用254 nm 紫外線對有機水果表面大腸桿菌進行照射，結果表明表面粗糙度值高、有凹痕的水果可以保護微生物細胞免受UVC 的影響。紫外光的強度隨穿透深度而衰減，除了物體表面屬性影響紫外光滅菌效果外，物質本身屬性也會對紫外光滅菌造成影響，對于直接暴露于紫外光照射下的病原微生物滅活效果更佳[43-44]。Duering 等[45]比較了在272 nm 紫外線照射下液體和干燥樣品中大腸桿菌的滅活效果，結果表明紫外光在液體中的滅活效果優于干燥表面樣品中的滅活效果。有研究還證明了飛沫或氣溶膠的存在亦可削弱紫外線對新冠病毒的滅活效果，氣溶膠是由固體或液體小質點分散并懸浮在氣體中形成的膠體分散體系，而飛沫本身通常含有相對高濃度的蛋白質，這些介質的存在可能會限制遠 UVC 輻射穿透氣溶膠，這取決于氣溶膠的直徑和成分，而氣溶膠的直徑和成分又會影響光子向目標病原體的傳遞，從而削弱其滅活效果[46]。

4 UVC技術臨床應用生物安全性分析

由于紫外線長期大劑量的照射對人體皮膚和眼睛有害，甚至造成基因突變或癌變等，因此，探索安全系數高、照射劑量少、消毒滅菌效果好的高效紫外波長具有重要意義。近年來， 222 nm紫外線憑借其生物安全性及消毒滅菌有效性高等優勢引起了研究人員的廣泛關注。Buonanno等[12]通過體內外研究報告了222 nm紫外線照射皮膚組織的安全性，體外研究結果顯示222 nm紫外線照射未誘導上皮細胞相關DNA損傷，體內研究表明與254 nm紫外線相比，波長范圍200～222 nm對于暴露組小鼠無相關的皮膚損傷風險，其原因可能是200～222 nm不能穿透哺乳動物細胞的細胞質以及具有角質層的所有組織。Narita等[47]比較了222 nm與254 nm UVC照射感染耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的小鼠皮膚傷口的安全性與有效性，在照射后第3、5、8和12天評估感染處細菌計數，222 nm UVC的殺菌效果等于或優于254 nm UVC，組織學分析顯示，254 nm照射組對傷口愈合過程中角質形成細胞的遷移造成損害，但在222 nm照射組中未受影響。Yamano等[48]比較了在222 nm與254 nm紫外線長期照射下的安全性，結果顯示222 nm照射組未誘導炎癥反應，在眼瞼與角膜分析中，254 nm照射組中的小鼠可觀察到白內障及角膜混濁，222 nm照射組未觀察到視網膜組織受損。Fukui等[13]探索了222 nm紫外線照射人體背部皮膚的安全性及殺菌效果，結果顯示在50～500 mJ/cm2的照射劑量下，受試者背部未出現紅斑，皮膚拭子培養物中的細菌菌落數顯著減少，表明222 nm UVC照射人體角質層區域的安全性。Sugihara等[49]評估了暴露于222 nm紫外線下1年的6名眼科醫生的眼部情況，平均每周工作時長為6.7 h，檢查結果未發現受試者出現角膜糜爛、結膜充血和眼瞼皮膚紅斑等急性不良事件，也未發生翼狀胬肉、白內障或眼瞼腫瘤等慢性不良事件，受試期間視力、屈光不正和角膜內皮細胞密度未發生改變。上述研究證實了222 nm UVC用于人類皮膚消毒滅菌的安全性與有效性，這為紫外線殺菌技術拓展至臨床提供了新思路，但對于短波紫外線在臨床的推廣與應用尚需要更多學者進行體內與體外實驗的驗證與研究。

5 UVC技術設備的臨床應用

鑒于UVC 對空氣、食品、物體表面和醫療設備等的消毒滅菌潛力，近年來用于消毒的UVC-LED 普及率激增。由于安裝UVC-LED 消毒范圍受限，因此，改良與研發UVC 設備應運而生，代表性的市售UVC 設備主要為深紫外線消毒機器人。目前，市面已有用于在醫院環境中對抗微生物傳播的UVC 機器人，這些機器人的設計系統不僅擁有UVC 消殺系統，還擁有距離傳感器、視頻識別系統以及用于感應人體安全距離且可實現自動關斷的微波傳感器，如i-Robot[50]，UVBot[51]，AIDBOT[52]等，該類UVC 機器人能夠實現99%的病毒滅活率，且能通過Wi-Fi 或在智能手機上進行遠程控制，是進行空間安全消殺的理想選擇。由于目前大多數市面上可用的UVC 機器人通常使用低壓汞燈或脈沖氙燈陣列，所需功耗高且不適合有人同時在場的情況下操作。于是，有研究者開發了一種優于市售UVC 機器人的UVC機器人（G-Robot）[53]，其優勢在于增加了可用于被其他物體遮擋也能順利消殺的紫外線消毒機械臂以及與人類皮膚直接接觸具有安全性的遠紫外線（222 nm），進一步提高了紫外消毒機器人的適用范圍及使用安全性，目前該研究將繼續評估G-robot 在臨床環境中的有效性。我國近年來亦有一大批研究者致力于紫外線消毒機器人的研發與改良，如盛飛科儀器（上海）有限公司盧毅團隊公開發明了一種使用遠紫外線的消毒機器人，包括遠紫外線消殺系統、視頻識別系統和中央控制系統，其遠紫外消殺波長范圍為200～300 nm，視頻識別系統可用于自動識別人機距離，從而實現工作狀態下自動規避人類[54]。

6 總結與展望

本文綜述了近年研究中UVC 對常見病原體微生物的作用機制、影響因素及滅活效果，探討了UVC 技術應用于臨床的生物安全性，并簡要介紹了該技術在設備上的臨床應用進展。波長范圍為200～280 nm 的各種波長的UVC 對常見病原體微生物均表現出較好的滅活效果，其中，波長范圍為200～233 nm 的紫外線對病毒滅活較為顯著，可能由于在低于240 nm 的波長下，蛋白質對紫外光吸光度更高，而波長范圍為254～275 nm 的紫外線對細菌滅活較為顯著，基于紫外線照射對人體安全性的考慮，體內或體外實驗數據表明，222 nm 波長的紫外線更具有安全性。對于未來研究，有必要對200～233 nm 波長范圍內的紫外線進行更多的臨床實驗，以加快該技術在設備上的研發，最大限度地提高其臨床適用范圍。