除了紫外線，這些光也可以殺死病毒

2020-03-25

        日常生活中，我們都在有意或無意間用過紫外線殺菌，最常見的例子就是曬被子。有專家認為，天氣暖和了，新冠病毒可能自然而然就消失了，部分也是基于紫外殺菌這一原理。那么紫外線是否真的可以殺死病毒呢？事實上，除了紫外光，可見光和紅外光也具有強大的殺菌本領。那么，這些光是如何殺死細菌、真菌和病毒等病原體的？這些光介導的滅菌技術又可以應用于哪些場景呢？

        近年來，研究人員開發(fā)了一系列光介導的滅菌技術，既能用于日常生活中的各種場景，也能用來滅活病毒制備疫苗，還可以直接用于創(chuàng)口的治療等方面。根據(jù)前人的研究[1]來看，這些技術可以針對細菌、真菌和病毒等各種類型的生物武器。因此，對于最近正在各國肆虐的新冠病毒來說，這些技術理應也能夠在新冠病毒的防御和治療等方面發(fā)揮重要作用。

        與化學消毒劑、殺菌劑和抗感染藥物相比，光具有很多優(yōu)點：

        對環(huán)境友好，無污染。

        相對安全無毒。

        不會對周圍的生物介質造成過度的損傷，無論是無機的、有機的還是有生命的。

        生產(chǎn)成本相對較低。

        反應速度很快，通常僅需幾秒鐘。

        可應用于人類皮膚、傷口、粘膜和其他暴露部位，而不會造成不應有的傷害。

        尚沒有報道表明，微生物細胞對基于光的抗感染療法會產(chǎn)生抗性。

        我們在這里介紹幾種光介導的殺菌方式，希望對新冠病毒的預防和治療等工作有所啟發(fā)。

        不同波長的光及其作用

        首先，我們平日所說的光由哪些“成分”組成？其中哪些對人體有損害作用，哪些善加利用將有利于殺菌、除菌等工作？

        光可以根據(jù)其波長范圍和與物質作用時能否產(chǎn)生電離效應進行分類，按波長的升序排列可將其分成γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波和無線電波。波長越短，頻率越高，能量也越大。由于光的電磁特性，它與物質相互作用時能夠引起各種現(xiàn)象。例如，波長小于100納米的光波在與物質相互作用時，會導致物質原子發(fā)生電離；隨著波長的增加，光波所攜帶的能量雖不足以引起電離作用，但可以激發(fā)電子，使物質處于高能量狀態(tài)，并誘導其分子結構發(fā)生變化。

圖1：電磁光譜及其對各種微生物的生理作用

        由于基于紫外線、可見光和紅外線的滅菌技術在日常生活、科學研究和醫(yī)療中應用較廣，在這里我們主要從這幾個方面進行展開。

        紫外線的殺菌原理和應用

        紫外線 (ultraviolet，UV) 的波長范圍介于X射線 (≤100納米) 和可見光 (>400納米) 之間，大約在100-400納米的范圍內。根據(jù)紫外線與分子的相互作用，又可將其分為四種類型，這幾種類型的紫外線對物質產(chǎn)生的生理效應有所差異。

        真空紫外線 (vacuum UV, VUV)波長范圍在100-200納米。在低劑量下，它也能與氧原子及有機分子發(fā)生即時反應，是有害的。

        超短紫外線UVC波長范圍在200-280納米之間的光。UVC能夠完全被大氣層吸收，并沒有天然UVC射線照射到地球表面。位于這個波段的紫外線具有殺菌作用。人們平常所說的 “紫外殺菌”，其中的有效“成分”就是指UVC[2]，可以通過人造光源（例如UVC LED或汞燈）獲得。

UVC的穿透能力較弱，大部分會被人體皮膚的角質層和表皮層吸收，只有極少一部分會打到真皮層，而紫外線只有作用到真皮層才會引起皮膚細胞癌變，所以通常認為UVC對人體皮膚影響不大（嬰兒以及對UVC過敏的人群除外）。然而，由于眼睛沒有角質層保護，UVC 對人眼有傷害作用，所以在使用UVC消毒房間時，人盡量不要進入其中，若必須進入的話，一定要配戴專門的防護眼鏡和防護服。

        遠紫外線UVB波長范圍在280-315納米之間的光。這個波段的光可以引起皮膚的“太陽灼傷”，與光致癌和光老化有關，涂抹防曬霜的目的主要是為了對抗它。

        近紫外線UVA波長范圍在315-400納米之間的光。其中波長較短的UVA (315-340納米，UVA1)由于能夠產(chǎn)生活性氧，也會對皮膚產(chǎn)生有害影響。它的穿透力很強，可以穿透大部分透明的玻璃及塑料，也可以直達肌膚真皮層，破壞彈性纖維和膠原蛋白纖維，將皮膚曬黑。

        在各種波段的紫外線中，僅超短紫外線UVC具有殺菌消毒的作用。當用超短紫外線照射細菌、病毒等微生物時，其中波長為254納米的超短紫外線能夠被這些微生物的核酸中的嘧啶和嘌呤吸收，促使核酸通過堿基二聚化的方式產(chǎn)生一些光產(chǎn)物，從而破壞微生物細胞中脫氧核糖核酸 (DNA) 和核糖核酸 (RNA) 的分子結構。當DNA被破壞時，核酸難以進行復制，即便復制能夠進行，通常也會具有缺陷，使細菌無法存活。另外，在使用多波長的超短紫外線去照射微生物時，超短紫外線還可能影響芳香族氨基酸，進而影響蛋白的結構和功能，使細菌無法存活。

        超短紫外線是一種成熟的消毒方法，可以用來殺死許多種病原體，包括導致炭疽、天花、病毒性出血熱、肺鼠疫、腺鼠疫、土熱癥、耐藥結核病、流感大流行和嚴重急性呼吸系統(tǒng)綜合癥等疾病的潛在生物恐怖主義制劑。

        由于其對微生物的殺菌作用，紫外線的應用也已擴展到食品加工業(yè)、污水凈化、通風和空調系統(tǒng)的消毒、房間和表面消毒等方面，也有人將其用于殺滅通過水傳播的人類病原體（細菌、病毒和原生動物）。

        在食品加工領域，在對鮮切水果和蔬菜進行表面消毒方面，紫外線顯示出巨大的潛力，它能減緩水果和蔬菜的變質速度，延長貯藏壽命，成為二氧化鈦 (TiO2) 和氯等化學殺菌劑的有效替代品。

        紫外線燈能夠有效對抗各種微生物，并且不會產(chǎn)生化學殘留物或其它副產(chǎn)品，不影響水質，因此也可以用于污水處理。也有公司會在水龍頭和飲水機上安裝紫外線燈。

        紫外線的另一個重要用途是空氣消毒。多種真菌、細菌和病毒病原體可能通過空氣中的飛沫進行傳播，如結核分枝桿菌、流感病毒、SARS冠狀病毒、曲霉菌屬等軍團菌，紫外線燈照射30分鐘能夠有效降低空氣中微生物的濃度。因此除了外科手術室和微生物實驗室中廣泛使用的紫外燈管，在空氣處理裝置和通風系統(tǒng)中安裝超短紫外線燈，也能夠降低室內空氣中通過空氣傳播的細菌、真菌和病毒的濃度。

        外科手術室內空氣消毒的初步成功，刺激了超短紫外線在醫(yī)院的推廣應用。例如，在嬰兒病房及新生兒重癥監(jiān)護病房內設置超短紫外線燈，能夠防止呼吸道感染；超短紫外線也能用于減少氣管中微生物的定植和治療呼吸相關的肺炎。

        一旦了解了紫外線殺死細菌、病毒和真菌等微生物的潛力，人們就越來越有興趣提高紫外線的利用率。但實際上紫外線殺菌在對付細菌時有兩個缺陷：

        一是紫外線不僅對細菌有影響，對哺乳動物細胞也有不利作用。二是細菌的孢子對紫外線具有很強的抵抗力，這在某種程度上令人擔憂。例如，枯草桿菌等芽孢桿菌的休眠孢子對紫外線輻射的抵抗力是相應生長細胞的5到50倍。

        孢子之所以具有如此頑強的抵抗力，主要是由于孢子中有一種獨特的DNA修復酶，稱為孢子光產(chǎn)物裂解酶 (spore photoproduct lyase，SP裂解酶) 。在內生孢子萌發(fā)過程中，SP裂解酶能夠特異性修復紫外線誘導的DNA損傷。細菌芽孢對諸如熱、電離、紫外線和伽瑪輻射、滲透壓和干燥等物理損傷都具有極強的抵抗力。孢子還能保護細菌免受化學和生物消毒劑的侵害，如碘、過氧化物和烷基化劑等試劑。所以即便是粗暴的物理、化學等方法也無法除去細菌孢子。

        所謂野火燒不盡，春風吹又生。因此，拓展其他更有效的殺菌方法也刻不容緩。

        光催化殺菌技術

        紫外線中的超短紫外線UVC能夠在不損傷機體的情況下直接作用于各種病原體并將之殺滅，近紫外線UVA則并不具備殺菌效果，且對人體有一定的壞處。但是，當紫外線中的近紫外線UVA與一些可被光催化的介質（如二氧化鈦和補骨脂）聯(lián)合使用的時候，又可以起到意想不到的效果。

        （1）光觸媒殺菌技術

        二氧化鈦是一種化學性質穩(wěn)定的惰性物質，在光照條件下可連續(xù)發(fā)揮抗菌作用。它主要有三種晶型：銳鈦礦型、金紅石型和板鈦礦型。研究表明，銳鈦礦酶是最有效的光催化劑，而金紅石活性較低。令人驚奇的是，銳鈦礦酶和金紅石的混合物，或在銳鈦礦酶中摻雜硫、陰離子或銀等金屬時，都比100%的銳鈦礦酶具有更高效的光催化作用，而且對病毒的滅活效果也更好。另外，相比于塊狀二氧化鈦材料，二氧化鈦納米顆粒滅活病原體的性能更好，研究人員將那些以納米級二氧化鈦為代表的，具有光催化功能的光半導體材料統(tǒng)稱為光觸媒。

        當近紫外線UVA照射到二氧化鈦上時，入射光子會激活活性氧的產(chǎn)生。二氧化鈦光催化表面直接與細胞壁接觸，使細胞壁上發(fā)生氧化損傷。最初受到氧化損傷的細胞仍然是活著的，然而，局部細胞壁的喪失使這些細胞的細胞質膜也容易受到氧化損傷，結果就是，光催化作用逐漸增加了細胞的通透性，最終導致細胞內容物流出，進而導致細胞死亡。除此之外，二氧化鈦似乎也可以進入膜損傷細胞，對細胞內成分造成直接損傷，從而加速細胞死亡。

圖2：光催化的作用機制

        光觸媒滅菌技術對多種微生物都有很好的殺菌效果，可廣泛地殺滅革蘭氏陰性和革蘭氏陽性細菌、真菌 (單細胞和絲狀) 、原生動物、藻類、哺乳動物病毒和噬菌體。

        近幾十年來，耐抗生素細菌感染的發(fā)病率急劇上升，并因此成為公共衛(wèi)生領域最重要的問題之一，而二氧化鈦具有滅活耐抗生素細菌的潛力。研究人員發(fā)現(xiàn)，UVA激活的二氧化鈦能夠用于滅活懸浮液中的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）、耐多藥鮑曼不動桿菌 (MDRAB) 和抗萬古霉素的腸球菌等。當UVA存在時，二氧化鈦能夠有效減少懸浮液中耐藥微生物的含量。

        對于那些對紫外線有抗性的細菌孢子，光觸媒滅菌技術也能起到一定的作用。研究表明，這一技術可以降低炭疽孢子的存活率，約殺滅25%的孢子。

        在醫(yī)學上，光觸媒技術可以對病房、手術室進行殺菌，也可以用來治療腫瘤；在口腔健康方面，光觸媒技術可以用于牙齒清潔和漂白；在美容養(yǎng)生方面，也可以用納米二氧化鈦制作防曬化妝品，日本的大多數(shù)防曬品中都含有二氧化鈦[3]。

        （2)補骨脂素和UVA滅活法（PUVA）

        補骨脂素是一種天然的呋喃香豆素，由埃及的一種叫大阿米芹的植物中提取出來。它們也存在于芹菜、歐芹、胡蘿卜、防風草和其他蔬菜中。自古以來，人們就知道食用這些食物后，在陽光下暴曬會導致類似曬傷的光敏性皮膚反應。

        1982年，補骨脂素與UVA光 (PUVA) 結合并開始被用于治療銀屑?。ㄋ追Q牛皮癬，是一種慢性炎癥性皮膚病），患者口服補骨脂素化合物或在洗澡時使用補骨脂素，在UVA的刺激下，補骨脂素可以促進黑色素的合成，使其沉積于皮下，從而有效治療白癜風、銀屑病等皮膚疾病。

        補骨脂素分子具有正確的結構和形狀，能夠插入雙螺旋結構的兩股DNA之間，并在光照下誘導反向互補的核酸鏈之間形成鏈間共價交聯(lián)，從而破壞DNA結構。因此，PUVA已被用于滅活血小板和血漿血液成分中的細菌、病毒和原生動物。

圖3：PUVA的作用機制

        PUVA的光化學滅活活性可以殺死病原體，但又能保持其新陳代謝的能力（Killed But Metabolically Active，KBMA），也就是說這種方法可以使整個微生物被滅活，但仍保持免疫原性，因此可以用于疫苗開發(fā)。一些研究小組已經(jīng)利用完整微生物個體開發(fā)出重組和病原衍生的KBMA疫苗，這些微生物已被證明是無害的，具有免疫原性，這一技術給特異性疾病的預防和減少動物模型傳染病的發(fā)生帶來了新的希望。

        此外，PUVA還可用于其他多種病毒的滅活，如登革病毒、基孔肯雅病毒、SARS-CoV等。有些研究人員使用酸性石灰和合成的補骨脂加強太陽對水的消毒作用。他們對其中所含的諾如病毒、大腸桿菌和MS2噬菌體進行了實驗室評估，發(fā)現(xiàn)補骨脂素和酸性石灰提取物與紫外線輻射協(xié)同作用，能夠加速微生物的失活。

        藍光滅活病原體的機制和應用

        盡管紫外線的殺菌作用已為人熟知，但是它具有引起皮膚損傷和致癌的風險，更為嚴重的缺陷是，紫外線不具有或僅具有較弱的殺傷細菌孢子的作用。而生物武器所用的細菌制劑通常是從表現(xiàn)出抗生素耐藥性或能夠形成內生孢子和生物膜的細菌中選擇，以使其能夠對現(xiàn)有的抗菌治療方案具有更強的耐藥性，這樣才能發(fā)揮最大的破壞能力。由于這些原因，研究人員仍然需要對毒性強的細菌、真菌和病毒進行研究，以便能成功擊敗可能的生物戰(zhàn)。

        目前的研究表明，可見光中的藍光也具有殺菌的效果，它的波長范圍為435-450納米。與紫外線照射相比，藍光不僅可以殺傷耐抗生素細菌和細菌孢子，而且對哺乳動物細胞的危害要小得多，因此利用可見光進行殺菌更具有明顯的優(yōu)勢。

        波長為405納米的藍光對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌顯示出廣譜的抗菌效果。目前，已經(jīng)有人提出用藍光作為替代療法，治療一些對甲氧西林和青霉素產(chǎn)生耐藥性的細菌感染。藍光殺傷耐抗生素細菌的機理可能是，它能夠被細菌產(chǎn)生的卟啉吸收，導致自由基增加，進而影響細胞質膜蛋白和DNA，或直接影響細菌的耐光色素。

        另一方面，高強度的波長為405納米的藍光也能夠有效滅活蠟樣芽胞桿菌、巨芽孢桿菌、枯草桿菌和艱難梭狀芽胞桿菌。這是一個氧依賴的過程，405納米藍光可能與細菌內生的光致激發(fā)生色團，如糞卟啉發(fā)生作用，進而在芽孢桿菌和梭狀芽胞桿菌體內產(chǎn)生單線態(tài)氧等對細胞具有毒性的活性氧，從而對細菌產(chǎn)生損傷。

        然而需要注意的是，藍光不僅能調控細菌的活力，抑制生物膜的形成，增強對細菌的光滅活作用，同時也能增強細菌的毒力因子。

        高強度的405納米光除了可以在醫(yī)療、軍事和農(nóng)業(yè)等領域，用于防治炭疽芽孢桿菌和蠟樣芽孢桿菌等的暴露外，也可以用于空氣、接觸表面和醫(yī)療器械等的消毒工作?，F(xiàn)在市面上流通的祛痘用的藍光治療儀和藍光洗衣機也是基于藍光滅菌的原理。

        光動力療法

        光動力療法 (PDT) 是一種非侵入型治療方法，使用無毒光敏劑和無害的可見光或近紅外光來產(chǎn)生單線態(tài)氧和其他活性氧，這些活性氧能夠作用于核酸、蛋白質和不飽和脂肪酸等生物大分子，引起細胞損傷。例如，用光動力療法治療癌癥時，活性氧會對腫瘤細胞內這些關鍵的生物分子造成損傷，并引發(fā)細胞凋亡。光動力療法的生物靶標 (蛋白質、脂類、核酸) 是所有種類微生物及其衍生物的主要成分。因此，光動力療法可以摧毀所有已知的生物武器。

        光動力鈍化作用產(chǎn)生的短壽命活性氧是導致病毒關鍵分子靶損傷的主要原因。單線態(tài)氧和其他活性氧 (過氧化氫、超氧化物和羥基自由基) 可攻擊不同的病毒靶標，如病毒囊膜、蛋白、衣殼、核心蛋白及核酸等，從而使病毒喪失感染性。已有研究表明，囊膜病毒可因蛋白質損傷而失活。由于光動力鈍化作用能夠對病毒蛋白產(chǎn)生損傷，因此即使是無囊膜病毒也能被有效滅活。

        對于不同種類的哺乳動物病毒和噬菌體，無論它們是有囊膜的還是無囊膜的病毒，無論是DNA還是RNA病毒，不同類型的光敏劑均能在病毒的光動力鈍化作用中發(fā)揮有效的作用。

        光動力鈍化是少數(shù)幾種能滅活病原體產(chǎn)生的毒素和毒力因子的療法之一。活性氧產(chǎn)生的光動力學作用可以攻擊毒素分子自身的易被氧化的分子特征，如硫原子、芳香環(huán)、雜環(huán)、不飽和雙鍵、氨基等。這些氧化反應可以干擾毒素的構象或改變其官能團，從而破壞其生物學功能。

圖4：光敏劑化合物

        推薦使用光動力療法進行殺菌操作是因為它具有兩大顯著的優(yōu)點：

        一是相較其他化學消毒劑，光動力療法較為環(huán)保，在對房屋或汽車等進行消毒后，殘留的光敏劑可被陽光分解；

        二是因為光動力療法具有高選擇性，它既能夠通過光敏劑選擇性地針對特定的細胞或組織類型，也能通過控制光照區(qū)域選擇性地針對某些區(qū)域。

        通過使用適當?shù)墓饷魟┖凸猓鈩恿Ο煼軌蛴脕須缢?、車輛和設備等表面、食品、皮膚、傷口中的病原體，甚至能夠在系統(tǒng)性入侵發(fā)生之前，治療病原體對人體或動物造成的局部感染。

飛秒激光的抗菌效果

        飛秒激光（Femtosecond Lasers）除了用于近視手術外，還能用于殺菌。飛秒激光是指脈沖時間為10-15秒的激光，可以破壞透明的或半晶石狀的生物組織，是一種殺滅病原體的新方法。

        飛秒激光在滅活不同微生物時采用的機制不同：滅活病毒時，飛秒激光能夠促使病毒粒子蛋白質外殼中的氫鍵、疏水鍵斷裂，使弱的蛋白連接分離，或引起病毒衣殼和囊膜蛋白選擇性地聚集，從而使病毒失活；而在滅活細菌時，細菌的失活與可見飛秒激光照射造成的DNA損傷有關。

        研究發(fā)現(xiàn)，可見飛秒激光或近紅外亞皮秒光纖激光對多種病毒均具有滅活作用，包括M13噬菌體、鼠巨細胞病毒、煙草花葉病毒、人乳頭瘤病毒和人類免疫缺陷病毒。

        結語

        光介導技術在對抗所有已知病原體時均具有廣泛的應用價值，從短紫外到近紅外 (單獨或與光敏劑結合使用) 的波長均可用于殺死或滅活革蘭氏陽性細菌和革蘭氏陰性細菌、真菌、內生孢子、寄生蟲、病毒，甚至蛋白毒素。

        隨著微生物及其衍生物的類型不同，所使用的光的波長不同，以及是否使用光敏劑，光介導技術發(fā)揮作用的機制也可能有所不同，但這些技術主要針對兩類目標，如UVC和PUVA針對病原體的核酸，而藍光和光動力療法針對光解的氧化蛋白。因此，當發(fā)生任何大規(guī)模的生物襲擊之時，都可以嘗試使用這些光介導的滅菌技術進行應對。

        注釋及參考文獻

        [1] Fatma Vatansever, Cleber Ferraresi and et al., Can biowarfare agents be defeated with light? Virulence 4:8, 796–825

        [2] 注釋：我們知道紫外線屬于不可見光，但是為什么日常生活中的紫外燈大多散發(fā)出藍紫色的光呢？事實上，雖然殺菌紫外燈的紫外線波長是254納米，屬于不可見光，肉眼看不見，但是燈管中的低壓汞受電子轟擊后發(fā)出的汞光譜中，除了波長254納米的紫外線這一主要成分，還包括可見光范圍內的藍光和紫光。這樣，紫外燈既能發(fā)揮紫外線的殺菌作用，又能提醒使用者所處的環(huán)境是否開啟了紫外燈，從而防止紫外線對人體的傷害。

        [3] 王宇輝，徐高田，光觸媒技術的發(fā)展與應用，化學工程師，1002-1224（2004）12-0038-04

來源：返樸