光生物调节作用的在体杀菌策略.pdf
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1、第 17卷第2 期 2 008 年4月 激光生物学报 AC T AL AS E RB I O L O G YS I N I C A V ol. 1 7N o . 2 A P r . 2 0 0 8 专题论述 光生物调节作用的在体杀菌策略 朱 玲. , 刘承宜a., 刘颂豪“ ( 华南师范大学a . 激光运动医学实验室; b . 信息光电子科技学院, 广东广州5l0( 刃 6 ) 摘要: 世界范围的细菌耐药性呼吁新的抗菌策略, 光生物调节作用是有效的候选手段之一。论述了光生物 调节作用抗菌效应的研究现状和应用前景。中性粒细胞可以 通过吞噬杀菌, 也可以通过产生胞外菌阱杀菌。 还 从活性氧和信号转
2、导所介导的中性粒细胞杀菌作用讨论了光生物调节作用的抗菌机理, 为其在临床抗菌中的应 用提供理论依据。 关键词: 光生物调节 作用; 抗菌 效应; 活 性氧; 信号 转导 中图分类号: R318 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 7 刀 1 4 6 ( 2 008 ) 0 2 刁 2 7 8 扔 A n t i mi c r o b i a l P h o t o b i o mo d u l a t i o nP a r a d i g ms 忍 nV忍 VO ZHu Li ng , Ll uChe ng 下 . , Ll u so ng一 h aoa ( 与u thC h i n a
3、 N o rmalU n i v e o i tya . 肠玩rato 叮Ofl s ers 卯 rts M e d ic i n e ; b . Sch o o l for l nformat i on a n d o p t oe l e c t 功 n i c sci e n c e a n d E n gi n e erin g , Guan邵 h o u s l 0 6 3 1 , G u an扣o n g , C h i n a ) A b s t rac t : T radi ti o n al加at m e ntp a ra d i脚s c o m b a t i n g an
4、 t i m ic o b ialre s is ta n c e h ave an玩e n l a 飞 e lyu n s u c c e s s ful, but 户以 曲i o m odu l a ti on ( P B M ) p axad i脚s m igh t w o rk . The p re s e n t an d fo t u 二ofth e ,e arch onth e ant i b ac te ale ffec 坛Of P B Mh av e beenre v i e w e d , re s 那 c ti v e l y . The ant i b ac t e r
5、i ale ffec tsof卯l y m o 印 h o n u c l e arn e u 加p h il s ( P M N s )m ig h t be m e d i ated b y 汕a g O s o m e s o r neu t 哪h i l ex t ra c ellu l art r a p s . The ant i b ac te ri alm e c h a n i s m s ofP B Mh av e bee nd i s c u s s e d 如mth e v i e w p o i n tsofth e P M Nant i b act e ri ale
6、 ffec tsm edi at e d 场 re ac t i v e ox y gen s pec i e s a n d s i gnalt r a n s d u c t i o n , whi c h P 功 v i d e s a fo u n d atio n for a n t i b a c te ri alc l i n i c . K e yw o rds : p h o to b io m od u l a t io n ; an ti b ac te ri ale 价c t s ; re ac t i v e oxvg e n s 娜 c ie s ; 5 1 , a
7、ltran s d u c 石 。 抗菌素杀菌是通过损伤D N A 、 抑制蛋白质合成 或 者阻 断D N A 合成等 途径实现的 “ 。 随 着抗菌药 物的广泛应用, 越来越多的细菌出现耐药性, 而且耐 药 水 平 也越 来越高, 呈全 球发展 趋势 川。 抗菌素 应 激促使细菌不但获得新的耐药基因, 而且获得毒力 决定 簇 。 细菌 耐药 性的 产生不但可以 通过基因 突 变方式, 还可以 通过基因捕获方式 。细菌耐药基 因不仅由 其染色体携带, 还可由 染色体外的质粒、 转 座子或整合子携带, 通过融合、 转导和转化, 在不同 种属的遗传物质之间转移或集聚重排, 从而造成多 重耐药菌发生
8、率大幅上升。因此, 不但抗菌素的合 理使用会促使病原菌产生耐药性, 抗菌素的滥用也 收稿日 期: 2 (X)7 刁 8 一 1 6 ; 修回日 期: 2 0()7 一 1 1 一 8 基金项目: 国家自 然科学基金项目 ( 60178003(电子邮 箱) b io z h ugy ah oo. 。 o m . 。 n 。 通讯作者: 刘承宜( 19 63一 ) , 男, 四 川人, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事内稳态和光生物调节作用研究。( 电 话) 0 2 0 名 5 2 1 3 3 6 9 ; ( 电子邮件) l i u t c y s c n u . ed u . c n 万方
9、数据 第2 期 朱玲等: 光生物调节作用的在体杀菌策略2 7 9 会通过益生菌耐药基因的捕获促使病原菌产生耐药 性。世界范围的细菌耐药性呼吁新的抗菌策略, 光 子学是有效的 候选手 段之一 4 。 本文从中 性粒细胞 的 角度论述光生物调节作用( p h ot o b io m o d u l at io n , P B M ) 在这方面的研究进展。 1 中性粒细胞的抗菌作用 中性粒细胞( p o l y m o 印 h o n u c l e a rn e u trop h il s , P M N , ) 是机体抵御细菌、 真菌或衣原体等病原微生 物人侵的第一条防线, 在非特异性细胞免疫系
10、统中 起十 分 重 要的作用 石 。 P M N 通常 通过呼吸 爆发产 生的活性氧( re a c t i v e ox y 邵 n s p e c i e s , R O S ) 杀菌。当 病原微生物人侵时, P M N被趋化性物质吸引到炎症 部位, 伸出伪足将异物包围形成吞噬泡。吞噬作用 引起呼吸爆发, 产生大量的R O S 等细胞毒性效应分 子, 结合胞内含有的大量溶酶体酶, 将吞人胞内的病 原微生物和组织碎片分解。在杀死被吞噬的病原微 生物的同时, P M N s 释出的各种溶酶体酶类能损伤周 围组织而形成脓肿。 最近B d n k m a n n 等人 7 发现, p M N ,
11、可以 通过形 成胞外菌阱( n e u trop h i l e x trac e l l u l art ra p s , N E T s ) 来杀 菌。 P M N s 被刺激后, 外形从球状变为扁平的, 胞内 形成数目众多的液泡。l h 后, P M N , 特有的分叶核 从形态上开始失去小叶而不具分叶状, 在核膜保持 完整的情况下, 染色体逐渐解旋, 与此同时, 内外核 膜间的空腔扩大 o m i n , ( 1 8 . 8 土 3 . 9 ) n m ; 6 om i n , ( 27. 9 土 5 . 8) n m 。 大约Z h 后, 细胞内 部分颗粒消 失, 核膜形成一些特殊的
12、液泡, 颗粒蛋白( 如P M N弹 性蛋白酶) 和核甘酸混合在其中。 3h 后, 绝大部分 颗粒消失。在此过程中, 细胞质膜并不受影响, 始终 保持其完整性。大约2 20 m in后, 细胞质膜破裂, 将 高度活跃的混合物( 颗粒蛋白和核甘酸) 释放到胞外 展 开, 形 成 可以 捕 杀 病 原 微 生 物的N E T s 吕 。 研究显示, 活化N A D P H氧化酶产生R O S 这一信 号转导途径参与了诱导N E Ts生成的过程, 并且R O S 是形成N E T 。 所必需的。 F uc h 。 等人 9 的体外实验, 用葡萄糖氧化酶( gl uc ose oxi dase, G O
13、 ) 生成外源的过 氧化氢( H 2 0 : ) 刺激人p M N s , 能诱导细胞形成N E T s 。 因 为H 2 0 : 可激活N A D P H 氧化酶下游信号通路, 甚 至在用阻断剂抑制N A D P H氧化酶活性后, G O仍能 诱导 P M N s 形成 N E T s 。而过氧化氢酶( c a t a l a s e , C A T ) 的存在可以完全抑制该效应, 证明G O是通过 产生H Z O : 绕过N A D P H氧化酶途径对P M Ns直接起 诱导作用的。用C A T的专一性抑制剂3 一 氨基三哇 ( 3 一 a m i n o 一 1 , 2 , 4 一 州
14、az o l e , A T ) 处理, 可以 显著地促进 各种刺激物诱导P M Ns形成N E Ts。有趣的是, 无论 用金黄色葡萄球菌( 5 . a “ re us) 还是豆兹酞佛波醇乙 醋( p h o th o l m 州s ta te a c e t a te , p M A ) 诱导来自 慢性肉 芽肿病患者的P M N 。 , 都不能形成N E T 。 , 但是用G O 可以激活细胞形成正常细胞水平的N E Ts。由于血清 具有抗氧化作用, 血清可以剂量依赖性地抑制 N E T s 的形成。因此, N E T s 的形成需要血清浓度至少 低 于 2 % 的 环 境 s 。 2 光生
15、物调节作用杀菌现象 光生物医 学效应是单色光或激光( m o no ch ro m at ic l ig h t o r las e r i rr a d i at io n , L l ) 对生物系 统的 作用。 根据 光的强度可以 将L l 分为高强度L l ( h ig h i n te n s ityL I , H I L ) ( 1 0聊c m Z ) 、 中强度L l ( m o d e rate in t e n s i ty L l , M I L ) ( 1 0 2 一 l o 3 m 聊c m Z ) 和 低强度u ( lo w i n te n- s ityL I , L
16、 I L ) ( l o m w / c m Z ) 。 光生物医 学效应可以 分为热损伤效应、 光动力效应( p ha tody na m i。 e ffe c ts , P D E ) 和P B M 。P D E是由光敏剂或内源性光敏剂产 生的R o S 0 所介导。P B M是光对生物系统功能的 刺激或抑制作用 ” 一12, 对生物系统没有损伤。 激光 在体抗菌研究中, 人们研究较多的是HIL 的热损伤 效 应 4,3- 14) 。 J aw h ar a 等 人 用 光 学 标 记 的 大 肠 杆 菌 研究了H I L ( s l o n m , 6 . S w/c m Z , 2 0
17、 。 、 3 0 5 和4 0 。 ) 对大肠杆菌感染的大鼠皮肤伤口的杀菌效应, 发现 H I L 会引起皮肤温度升高, 杀菌效果随着HIL 的剂量 增加而增加, 2 6 0J/ c m 2 的H I L 4 8 h 后可以完全灭 菌。李万红发现, 使用半导体 1 5 5 0 n m激光光源及 单模光纤将激光引人根管, HIL可以通过直接杀 菌 4 治疗慢性牙髓炎和慢性根尖周炎, 治愈率分别 为9 6 . 15%和9 4 . 7 4%, 疗效优于对照组。 P D E 活体 杀菌的研究开始于2 0 0 2 年 5 一,6 。 H a m b l in 等人 ” 利用光学标记的大肠杆菌研究了精心设
18、计的P D E ( 6 6 0n m ) 对大肠杆菌感染的小鼠皮肤伤口的杀菌效 应, 发现杀菌效果随着光剂量的增加而增加, 且P D E 并没有损伤伤口。他们随后还研究了P D E 对细菌感 染的伤口、 烧伤和脓肿的杀菌作用, 发现了类似的效 应, 即细菌被杀死, 挽救了小鼠避免因脓肿而死亡, 伤口 的愈合也得到改善 6 。 无论是HIL 的热损伤 效应, 还是P D E , 它们在杀菌的同时可能会引起周围 细胞的损伤或功能低下 7 。本文主要讨论P B M的 杀菌作用。 万方数据 激光生物2 8 0锹夕 石土划子恨第 17 卷学报 P B M的杀菌作用可以有两种作用方式, 一种是 通过 降
19、低细菌的耐药性 8 一19辅助抗菌素的 杀菌作 用, 一 种是 康复 体内 的 杀菌能力。 杨小燕等 . 的 研 究表明, ll L 可使耐药菌耐药性下降, 但可否降低至 敏感或中敏尚需进一步实验设计与验证。杨小云 等 【 9 发 现, 铜 绿 假 单 胞 菌 对L IL有 一 定 适 应 性, 低 剂 量可以降低耐药性, 但剂量的进一步增加则无效。 显然, U L 对细菌耐药性的降低有一定的局限性。 王琳等 “ 用健康家兔下腹部制作轴型血管皮 瓣, 并用金黄色葡萄球菌建立了家兔感染性皮瓣模 型。 他们发现H e 一 N e 激光( 0 . 3 5 m w / c m Z ) 照射1 5 m
20、in可以显著减轻红肿, 机理研究发现创口处P M Ns 显著 减少。 高美华等【 川将葡萄球菌注人小鼠背部 皮下建立了化脓性炎症的动物模型。他们的研究显 示H e 一 N e 激光组的菌落数和病灶直径明显减少, 机 理研究发现外周血中P M Ns显著减少。 子宫依原体感染可以导致子宫颈处的P M N s 胞 内R o s 降 低和噬菌功能下降22 。 一个俄国小组发 现【2 2-2 , , 子 宫u L 直接照射可以 增加P M Ns胞内的 R O S , 增加噬菌作用, 恢复P M N的功能。 低能量激光血管内照射疗法( i nt ra v as cu l arl ow e n e 卿l a
21、 s e r i rrad iat io n t h e ra p y , I L E LT) 常 用于 康复 心 脑血管疾病, 但人们也发现了它的抗菌效应。人们 先后发现, IL E LT 可以促进很多细菌性疾病的康复, 包括外科感 染24 、 急性肺炎25 J 、 肺结核26 和输尿管 结核t27 、 支 气管哮喘【 川和浓毒症【2 9 等。 N ei m a rk等 人3O 1 进 一 步研究发现, 在尿道和前列腺抗菌方面, IL E LT是间接的, 效果没有U L 直接照射好。 3 光生物调节作用杀菌机理 如果光子的能量刚好等于分子的两个相关能级 之差, 该光子的波长称为分子的特征波长
22、, 分子与光 的作用称为共振作用。细胞或细菌响应光的通路可 以分为两条通路, 特异性通路由可以对光发生共振 吸收的光敏剂或内源性光敏剂所介导, 非特异性通 路由只能对光发生非共振吸收的膜上蛋白质分子介 导的。下面分别讨论两条通路介导的杀菌作用机 理。 3 . 1 活性氧介导的杀菌作用 特异性通路介导的杀菌作用通常是通过P D E 来 实 现 的 。 研 究 表明, 低水 平R O S 具 有P B M 川, 中 水 平R O S 诱导凋亡, 高水平R o S 引起坏死 2 。 一定量 的R o s 对杀菌是有益的 ” 。 最近发现的P M N s 形 成N E Ts的杀菌方式也需要一定量的R
23、0 s 81 。当 P M N 。 杀菌功能低下时, 特异性通路正好通过提高适 当的R O S 来康复P M N s 的 杀菌作用。 I LELT 是M IL的内源性P D E 所产生的P B M在血 管内的应用。由于M IL作用时间在微秒量级, 所产 生的R O S 水平属于P B M , IL E LT 具有细胞康复功 能 川。 当 然, IL E LT对P M N s 的 杀菌功能也具有康 复作用。 3 . 2 信号转导介导的杀菌作用 前期的工作发现, U L 可以诱导P M N 。 产生呼吸 爆 发 汇35 一 , 1 。 我 们 研 究了H e 一 N 。 激 光 ( 0 . 3 m
24、 聊c m , ) 诱导牛P M Ns产生呼吸 爆发的 信号通路 ” 。 用化学 发光法测量激光诱导 P M Ns 在体外呼吸爆发, 用 ge ni st ei n 等胞内 信号转导分子活性抑制剂研究产生 这一效应的信号转导途径。实验发现, 酪氨酸蛋白 激酶( p ro t e i n t y ro s i n e k i n a s e s , 盯K s ) 抑制剂g e n i s t e i n ( 10 O m o F L ) 完全抑制了这一效应, 磷脂酶C ( p h os - p h o l ip a s e C , p L C ) 抑制剂U 一 3 1 2 2 ( l m ol/
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- 生物 调节作用 杀菌 策略
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