温故而知新专栏 | 光生物调节微生物群益生菌的应用进展
文摘
科学
2024-08-01 17:01
北京
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研究发现，光生物调节(PBM)对人类微生物群益生菌和人体免疫活性的有益影响，对病毒感染性疾病的防控至关重要。PBM与益生菌联合干预可控制微生物群，提高免疫系统活性，挽救免疫失衡人群的生命。在新冠病毒危机的今天，寻求和开创新的治疗方法，以发现微生物群和能量生物刺激帮助我们抗击危机的潜力。
低能量水平激光的应用，即目前的光生物调节（PPBM)，是由激光医学的先驱恩德雷·梅斯特(1903-1984)医生在发现可操作激光后，1967年第一个应用于皮肤肿瘤患者而开始。他发现了光生物调节积极的生物效应，成功地用于临床各种医疗条件下的替代治疗。光生物调节与益生菌和人类微生物群之间的多重相互作用，可以揭示光生物学应用于疾病健康的最新益处和前景。本文概述了这方面的进展。PBM利用特别是从红色到近红外光谱辐射，引发一系列临床医学结果。目前提出的可能作用机制为：通过线粒体中的细胞色素c氧化酶和非线粒体受体，如细胞膜中的离子通道和NADPH氧化酶等发色团，第一个吸收光子，从而增加ATP的产生，引发一氧化氮、活性氧的突然爆发和钙水平的调节，启动转录因子的强烈生成，合成新的蛋白质，增强细胞存活、增殖和迁移的发生，也可直接影响细胞骨架生成。根据辐射(光)的剂量，细胞的反应会有所不同，因此低剂量时产生有益的、积极的、刺激的效果；而高剂量的辐射，会起到抑制作用；这就是PBM双期剂量反应。PBM可以调节氧化应激，在某些低ROS水平的细胞中，它可以增加ROS的合成；在其他情况下，它减少氧化应激，减少活性氮生成及前列腺素水平；它调节NF-kB通路，减少活化炎症细胞中的炎症标记物，导致肌肉骨骼系统疾病、大脑和肠道炎症的整体减少，对呼吸功能障碍的影响更是如此，且尤其重要。
Bicknell等人最近研究了光生物调节作为局部治疗(PBMT)直接应用对腹部的影响，以发现小鼠体内微生物组组成的可能变化。他们假设微生物组可以被食物、益生菌和粪便移植改变，从而带来对健康有益的微观结构改变。实验小鼠在红色(660 nm)或红外(808 nm)范围内接受单剂量或多次剂量的低功率激光治疗，直接照射腹部，为期2周。激光治疗第7天和第14天，每次治疗前从肠道中取无菌粪便保存于50℃，进行DNA提取。从粪便颗粒中提取16S rRNA基因，采用焦磷酸测序技术制备基因组DNA。作者发现与对照组相比，PBM处理小鼠的微生物多样性的显著改变(p <0.05)。该研究首次表明PBM可以影响肠道菌群的多样性，并能提高肠道中良好益生菌类异源菌的比例。
PBM的这种治疗方法也为人类，特别是肥胖、神经退行性疾病、心血管疾病以及冠状病毒感染(Covid-19)等传染病的治疗开辟了广阔的前景。肠道微生物组PBM疗法，或通过其他方式如益生菌添加，将有针对性的通过对人体和肠肺脑轴的影响，从而对健康和健康状况，如压力和疾病状态产生积极的影响。因为这个轴从肠肺脑信息循环、交感和副交感神经系统到大脑皮层的反馈调控，会对疾病和健康产生有益的作用。近年来，神经退行性疾病(阿尔茨海默病、帕金森氏病)等在神经细胞大量死亡基础上出现的频率越来越高，但至今仍没有令人满意的治疗方法。这是现代社会令人不安的景象之一。最新的治疗方法针对的是症状和体征，只能减缓神经退行性变，但无法阻止它。PBM已经被证明是一种有效和成功的替代治疗方法，一种可以阻止神经元破坏的疾病修复疗法，特别是在近红外范围内的应用，用于治疗大脑缺氧及其有害代谢产物增多，DNA损伤，基因改变，退化神经元线粒体损伤时的病理状况。在帕金森病的发病机制中，有大量的临床和病理生理学研究，提出了该病发病源于肠道菌群功能障碍的假设；信息通过肠脑轴突触连接从一个细胞传递到另一个细胞，在交感神经和副交感神经系统到黑质和中枢神经系统的上行路径上达大脑皮层[269]。PBM可纠正肠道神经元线粒体能量代谢紊乱，调节突触传递和细胞分泌，使信息在肠道脑轴上重新实现正确的双向传递。因此，PBM是一种非常有前途的非药物治疗方式，用于治疗这一轴上的功能障碍和疾病。众所周知，任何肠道感染的历史都会增加菌群对随后感染的耐药性。因此，微生物群通过所谓的定殖抗性保护宿主不受传染性入侵。然而，这种基本进化发展发生的确切模式还不是很清楚。随着时间的推移，人们认识到，这种改变可能与胆汁酸代谢调整增加牛磺酸生产有关。感染性刺激增强了宿主的牛磺酸生产和牛磺酸的利用扩大。肠道微生物群将牛磺酸转化为硫化物，对使用牛磺酸的分类菌群进行放大，从而抑制病原体的呼吸。在第一次感染后，牛磺酸的合成将成为一种有价值的营养物，用于喂养和训练微生物群抵御随后的感染。已有研究表明，即使从体外给药牛磺酸也足以诱导这种微生物群功能的变化，从而提供对感染的长期抵抗。RNA病毒包括多种病毒制剂，给全世界带来了巨大压力和重大公共卫生警报，尤其是在人类大流行和致命威胁时。引起人类疾病的已知RNA病毒有：流感病毒、鼻病毒、呼吸道合胞病毒、轮状病毒、麻疹病毒、丙型肝炎病毒、人类免疫缺陷病毒、埃博拉病毒、寨卡病毒、登革热病毒、黄热病病毒、脊髓灰质炎病毒、SARS冠状病毒等。病毒感染的病理生理机制研究表明，目前预防病毒感染最有效安全的是疫苗的接种。而针对这些病毒的治疗策略已日益成为全球各国医学领域的研究重点。
2019年12月开始，爆发了一场新的可怕的COVID-19病毒感染大流行，至今仍没有令人满意的治疗方法。病毒感染后，平均5天后出现轻、中、重度临床表现，包括：鼻漏、鼻痒、嗅觉丧失、味觉丧失、头痛、发热、腹泻、乏力、肌痛、失眠、咳嗽折磨、疲倦、无效、呼吸困难伴呼吸急促、全身发绀、呼吸衰竭、心力衰竭。在一些严重的病例中，患者最终可能会死亡。在严重的炎症过程中，会发生严重的血管舒张，肠道通透性增加，肠道内的细菌很容易越过肠屏障进入肺部，引起肺毛细血管充血。导致细胞因子分泌过多,诱发强烈的炎症反应和急性肺损伤，导致急性呼吸窘迫综合征(ARDS)。
光生物调节通过其光分子和细胞效应，可以减少肠肺脑轴的局部和全身炎症反应，达到减少细胞因子风暴的效用。复合PBM与益生菌联合干预可以调节微生物群，提高免疫系统的活性，挽救免疫失衡人群的生命，如图1所示模型。
图（1）. PBM对人体微生物群的影响模型，以及益生菌、免疫系统和宿主疾病之间的相互关系。益生菌可调节加重的免疫反应，如COVID-19细胞因子风暴。利用PBM和益生菌靶向细胞因子风暴，是一种有用的治疗选择。在COVID-19病例中，PBM可影响抗炎细胞因子和促炎细胞因子之间的平衡，从而导致感染症状减轻。PBM能有效增加CD4+和CD8+T细胞
及改善二者平衡
Diao等分析了COVID-19患者T细胞总数，发现CD4+ T细胞数和CD8+ T细胞总数显著减少，并与患者生存率呈负相关。T细胞总数也与血清IL-6、IL-10和TNF-α浓度呈负相关，在病情恢复的情况下，发现IL-6、IL-10和TNF-α浓度和总T细胞数量重新降低。
研究表明，T细胞总数低于800/μL的患者，即使没有严重的症状，也需要立即干预，因为他们的病情可能会迅速恶化。Cury等人用LLLT (660 nm, 10 J/cm2辐射照射)治疗C57BL/6小鼠急性肺损伤，发现细胞因子(TNF-α， IL-1β， IL-6，)和趋化因子(MCP-1)表达和分泌减少。证明PBM在控制免疫反应(多形核、单核细胞、巨噬细胞、促炎细胞因子和胶原沉积)中发挥重要作用，诱导炎症细胞内流和炎症介质分泌显著下降。因此PBM可有效减少肺部炎症反应，促进肺组织再生。IL-1β(炎症过程启动的核心作用)、IL-6(多效细胞因子，在肺和血浆中增加)和IL-8水平的增加在急性呼吸窘迫综合征(ARDS)病理生理中起关键作用，被证明与ARDS患者的持续炎症和不良预后有关。PBM通过降低IL-1β、IL-6(肺和血浆中)和IL-8(肺中)显著降低ARDS的严重程度，同时降低死亡率。人们普遍认为PBM是一种无创治疗方法，可以减少炎症，刺激组织再生和愈合过程。PBM控制SARS-CoV-2病毒感染
病理生理机制
在目前covid - 19严重大流行中，如果能够减少肺部病毒感染引发的炎症过程，减少水肿和支气管收缩，停止肺泡-支气管-肺结构的损伤，使气道通畅以确保氧气供应，任何可行的治疗方法都应被应用，以恢复正常的呼吸功能。PBM已被证明，特别是在急性呼吸窘迫综合征时，使免疫系统的远程调节和血流氧合增加。Maldaner等人对H2O2诱导的皮肤成纤维细胞(HFF-1)炎症进行的实验中，光生物调节(660 nm, 3 8 J/cm2)部分逆转了H2O2诱导的DNA氧化损伤、caspase 3/8、IL-1β/6和IFN-γ的活化，在4 J/cm2的能量密度下，抗炎IL-10水平增加(p <0.001)，也改善了H2O2处理和LLLT处理的成纤维细胞的增殖。人类传染病的症状缓解特点，可通过促炎细胞因子(由IL-1β、IL-6、IL-12、IL-23控制)，和抗炎细胞因子(由IL-10、转化生长因子(TGF)-β、趋化因子配合体(CCL) 1、CCL2、CCL17、CCL18和CCL22主导)的此消彼长而波动。正如巨噬细胞亚型M1和M2的作用变化一样。巨噬细胞是一种重要的炎症介质：M1表型为直接宿主防御病原体的促炎型，而M2表型参与炎症分解和组织修复。在一项实验研究中，Carvalho等人研究了光疗(PhT)对来自大肠杆菌脂多糖激活(LPS)细胞的影响。已知该细胞可以控制各种脂多糖激活细胞中炎症介质的释放。他们使用U937细胞，一种人类单核细胞，在LPS培养基中培养并成熟为巨噬细胞，并以4.5 J/cm2的剂量照射(660 nm)。实验证明PhT下调促炎因子、趋化因子、ROS和NF-κB，上调IL-10、精氨酸酶、PGC-1β和谷胱甘肽。PhT后Sp1活性增加，相比仅lps处理的细胞Sp1活性更高。最后，PhT使巨噬细胞的极化恢复到M2模型，并通过转录因子Sp1发挥关键作用调节IL-10的分泌，平衡氧化应激，调节免疫应答。光生物调节可以调节巨噬细胞的M1/M2比值和氧化应激，在疾病管理中具有重要的临床意义。PBM是一种能够影响极化的技术，可以确定激活的巨噬细胞M1(促炎症)向M2(抗炎)转化，可能是一种非常有价值的辅助治疗方法，用于解决SARS-CoV-2影响的肺部炎症。i型干扰素(IFN-I)包括一组以其强抗病毒作用而闻名的信号蛋白。IFN- i由大多数细胞分泌，包括IFN-α、IFN-β、IFN-ο、IFN-δ、IFN-κ、IFN-ε、IFN-τ和IFN-ω，它们直接干扰强大的抗病毒反应。当存在于细胞膜上或所有细胞的胞浆部的模式识别受体被病原体相关的分子模式激活时，就会发生IFN-I的释放，其中研究最多的是toll型受体。IFN-γ是一种由自然杀伤细胞(NK)、CD4+ T细胞和CD8+ T细胞产生的细胞因子，通过诱导IFN基因和调节对感染的免疫应答而发挥抗病毒作用。IFN-γ诱导的免疫调节作用是通过激活和分化免疫细胞以及直接的细胞内抗病毒作用实现的。以多发性硬化症(MS)患者和健康供体的分离免疫细胞为实验对象，研究了670 nm、735 nm和830 nm三种波长的PBM治疗对免疫细胞产生细胞因子的影响。670 nm的PBMT通过降低氧化应激、促炎细胞因子和细胞死亡来降低MS的临床严重程度;它还增加了抗炎细胞因子的产生。两种波长(670 nm和830 nm)都增加了MS细胞中的IL-10，降低了IFN-Ɣ，最终表明MS患者较健康供体的免疫反应有显著改善。减少促炎细胞因子的水平，如il - 1β,il - 6,肿瘤坏死因子α,MCP-1，和提高il - 10水平的平衡，在COVID-19 ARDS时，对减少细胞因子风暴和患者的高死亡率意义重大。研究发现，间充质干细胞在干扰素γ (IFN-γ)、IL-8和IL-1β存在的微环境中可以被激活。PBM作为免疫治疗，可控制细胞因子和趋化因子水平，具有杀菌作用。最近，Guimarães等人评估了PBM和持续气道正压通气(CPAP)对C57BL/6小鼠肺脱细胞情况下肺再细胞化的影响。将人牙髓和肺上皮细胞(BEAS 2B和A549)分离得到的间充质干细胞移植到肺中，在808 nm、100 mW波长PBM 30s照射下培养。对培养媒介进行分析表明，PBM改善了所有参数和肺再细胞化过程。综上所述，大量动物研究和临床模型表明，PBM对益生菌宿主免疫有积极作用，对病毒病原体的侵袭有保护作用，在呼吸系统疾病的防治方面取得了可喜的效果。
结论：
PBM具有重要的免疫调节和抗炎作用，没有副作用，不像抗炎药物如糖皮质激素，除了在挽救生命方面的有益作用外，会导致病毒消除反应延迟，继发感染，增加急性病毒感染的住院率。PBM通过微生物群益生菌治疗病毒性呼吸道感染，可控制免疫系统，减少医疗、经济、社会和心理方面的压力，对控制感染和挽救严重患者生命有意义。相信不久的将来，光生物学和代谢组学将创新性地应用于新的COVID-19疗法，以益生菌和能量生物刺激帮助我们抗击这场大流行，并帮助我们成功地找到RNA病毒、细菌和我们身体之间感染和抗感染通信密码的钥匙。
THE END
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