使用基于胶原蛋白的合成皮肤模型研究蓝光LED装置对伤口病原体的抑制作用

摘要

405 nm 蓝光 LED 设备在基于胶原蛋白的合成皮肤模型上评估时，对多种伤口病原体表现出抗菌效果。这一简化方法 体外 该方法为光基抗菌疗法的早期评估提供了可重复且符合伦理的替代方案。

摘要

传统的伤口管理正日益面临抗菌素耐药性上升以及传统药物细胞毒性副作用的挑战。光疗，特别是蓝光（BL）疗法，提供了一种有前景的非侵入性、非接触式替代方案。本研究采用基于胶原蛋白的合成皮肤模型，评估了一种405 nm BL-LED设备对多种重要临床伤口病原体的抗菌效果与安全性，并强调了将该平台应用于光基抗菌测试的新颖性。这种合成皮肤提供了更接近真实的环境，能够模拟人类皮肤的结构与表面形貌。光照均匀性测绘显示，在10 cm直径范围内辐照度保持一致（30.14 ± 0.78 mW/cm²）。该设备在27 J/cm²剂量下实现了高达3.5个对数级的显著剂量依赖性微生物减少，其效果明显优于类似研究中报道的结果。其广谱抗菌活性已得到证实，可有效对抗ESKAPE病原体和Candida albicans，这对于管理多微生物引起的伤口感染具有重要意义。一项关键发现是不同物种间的敏感性差异：Klebsiella pneumoniae表现出最高的敏感性，而Staphylococcus aureus则最具抗性。这可能与微生物包膜结构及光敏分子含量的差异有关，这些因素影响了活性氧（ROS）的生成。光学透射实验以及表面与嵌入菌落的分析均未显示统计学显著差异，表明蓝光具有抑制皮肤深层病原体的潜在应用价值。红外光谱分析证实，即使在高剂量（108 J/cm²）照射下，蓝光也不会引起胶原基质可检测到的化学或构象降解，而相比之下，杀菌用紫外C波段（UV-C）对照则显示出明显的破坏作用。最后，在气溶胶室中进行的独特评估表明，蓝光处理可使表面微生物沉积减少超过95%，凸显其在减轻医院内感染方面的潜力。这些结果表明，模拟皮肤的基质可作为临床前测试中评估蓝光效果的一种可行替代方案，从而避免使用动物模型。

引言

伤口感染对全球医疗系统构成长期挑战并带来巨大负担，同时影响患者的生活质量。伤口愈合过程常因微生物感染而复杂化，导致皮肤伤口闭合延迟，在老年人群和糖尿病患者中尤为明显，易形成病灶和慢性伤口。传统的伤口管理策略依赖抗生素、消毒剂、化学物质以及天然生物活性成分，主要作用是抑制致病微生物。尽管这些传统方法可通过减少炎性细胞、增加成纤维细胞数量来有效加速愈合过程¹，但仍伴随诸多副作用。许多用于伤口敷料的局部抗菌剂通常对皮肤不友好，可能引起皮肤脱水、组织刺激以及对伤口愈合所需细胞产生细胞毒性等不良反应²。由于抗菌剂（尤其是全身性抗生素）的过度使用，抗菌耐药性（AMR）现象已被广泛报道³，严重威胁现有药物治疗的长期有效性。鉴于当前临床实践中存在的这些局限性，人们愈发强调需要更安全、可持续的伤口护理替代方案，特别是非接触式且无痛的方法，如光疗。

光疗利用可见光谱，在多种皮肤科及治疗应用中逐渐受到关注，成为一种有前景的非侵入性、非药物干预手段。其应用范围从一般的皮肤再生⁴和美容改善，扩展到针对痤疮和抗衰老治疗等特定疾病的靶向治疗。在可见光波长范围（400–760 nm）内，蓝光（通常为400 nm至480 nm）因其多方面的治疗潜力而受到广泛的科学与临床关注⁵

方案

1. 合成皮肤样品的制备

在生物安全柜内，无菌条件下将基于胶原蛋白的合成皮肤模型（VITRO-Skin）片材切割成尺寸为 5.0 cm × 2.5 cm 的矩形样本。每个样本置于无菌培养皿中，并在 4 °C 下保存备用。接种前，将样品平衡至室温，并根据制造商说明在湿度培养箱中进行水合处理，以模拟人体皮肤的水合水平。

2. 微生物培养物的制备

使用美国典型培养物保藏中心（ATCC）的标准菌株，包括Staphylococcus aureus（ATCC 25923）、Escherichia coli（ATCC 25922）、Enterobacter aerogenes（ATCC 13048）、Pseudomonas aeruginosa（ATCC 27853）、Acinetobacter baumannii（ATCC 19606）、Klebsiella pneumoniae（ATCC 13883）和Candida albicans（ATCC 10231）。在无菌条件下，将单菌落接种至5 mL胰蛋白胨大豆肉汤（TSB）中。细菌培养物于35 °C培养24小时，真菌培养物于22 °C培养5天。培....

结果

蓝光LED与UV-C对伤口病原体的抗菌效果
蓝光LED设备（405 nm）在30 mW/cm²强度下照射15分钟，对合成皮肤模型上的所有测试伤口病原体均表现出显著的抗菌效果（图5）。在所测试的菌种中，Klebsiella pneumoniae对蓝光最敏感，活菌数平均减少3.4个对数级。相反，Staphylococcus aureus的反应最弱，尽管其微生物减少量相对较低，但仍具有显著性（>1 log₁₀ CFU减少量）。相比之下，UV-C辐照（265 nm，3 mW/cm²，照射时间2分钟）作为阳性对照，在所有测试微生物中均产生了更高的对数减少量，与其已知的杀菌效力一致。

通过具有重要医学意义的代表性物种，进一步说明了蓝光和UV-C辐照的抗菌谱：Escherichia coli（一种常作为指示菌的革兰氏阴性细菌），Pseudomonas aeruginosa（一种以对多种抗生素产生耐.......

讨论

本研究展示了405 nm蓝光LED（BL-LED）装置在基于胶原蛋白的人工皮肤模型上，对一组临床相关伤口病原体具有显著的抗菌潜力。在27 J/cm²的辐照剂量下，BL-LED照射可使微生物载量最高减少3.5个对数级（图6），其抗菌效果优于多项先前研究报道的结果^6,7,17,18,19，这些研究在相似辐照剂量下使用蓝光（405–470 nm）进行病原体灭活。Dai等人的一项综述⁸指出，许多研究仅报告了有限的抗菌效果，尤其是在未使用光敏剂的情况下。相比之下，本研究结果表明，在更接近真实伤口环境的模拟人工模型上，以中等辐照剂量靶向递送蓝光，可实现显著的微生物抑制。本研究证实的广谱抗菌效果——包括对ESKAPE病原体.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
鲍曼不动杆菌	ATCC 全球生物资源中心	ATCC 19606
蓝光 - 发光二极管	Violumas	N/A	BL-LED 是一种原型，因此没有目录编号
白色念珠菌	ATCC 全球生物资源中心	ATCC 10231
产气肠杆菌	ATCC 全球生物资源中心	ATCC 13048
大肠杆菌	ATCC 全球生物资源中心	ATCC 25922
傅里叶变换红外光谱  （傅里叶变换红外光谱，FT-IR）分光光度计 Nicolet iS5	赛默飞世尔科技	IQLAADGAAGFAHDMAZA	OMNIC 软件用于分析
FT-IR Nicolet iS5 iD1 直接光束透射模块（基座适配器）	赛默飞世尔科技	IQLAADGAAGFAJAMAYX
FT-IR Nicolet iS5 iD7 金刚石衰减全反射模块	赛默飞世尔科技	IQLAADGAAGFAJAMBFN
培养箱	Percival Scientific	9330.01.06L
红外温度计	赛默飞世尔科技	06-664-254
肺炎克雷伯菌	ATCC 全球生物资源中心	ATCC 13883
磷酸盐缓冲液	赛默飞世尔科技	AM9624	PBS 目录号（Thermo Fisher Scientific）
铜绿假单胞菌	ATCC 全球生物资源中心	ATCC 27853
沙保弱葡萄糖琼脂	BD Difco	DF0109-17-1	SAB 目录号（BD Difco）
金黄色葡萄球菌	ATCC 全球生物资源中心	ATCC 25923
胰蛋白胨大豆琼脂	BD Difco	DF0369-17-6	TSA 目录号（BD Difco）
胰蛋白胨大豆肉汤	BD Difco	DF0370-17-3	TSB 目录号（BD Difco）
紫外发光二极管	Violumas	N/A	UV-LED 为原型产品，因此无目录编号
紫外-可见分光光度计（Genesys 10 UV Scanning）	赛默飞世尔科技	335907P
Vitro-Skin	MEDELINK	SKU24000	Vitro-Skin