综述：成纤维细胞中的光生物调节：从光线到愈合的分子通路、组学与人工智能

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Photobiomodulation in fibroblasts: from light to healing through molecular pathways, omics and artificial intelligence

本综述系统探讨了光生物调节（PBM）通过调控成纤维细胞促进组织修复的分子机制。文章详细阐述了PBM通过激活Ras/MAPK、TGF-β/Smad、JAK/STAT、PI3K/Akt等关键信号通路，影响细胞增殖、迁移及细胞外基质（ECM）重塑的过程。特别聚焦于红光（620–700 nm）和近红外光（780–850 nm）在糖尿病等难愈性伤口治疗中的应用潜力。同时，综述强调了组学技术（转录组学、蛋白质组学等）与人工智能（AI）在揭示PBM复杂作用机制、推动精准医疗方面的重要价值，为开发个性化治疗方案提供了新视角。

　　

1 引言

光生物调节（PBM）的历史根源可以追溯到古代文明，例如古希腊医师希罗多德推崇的阳光疗法。现代PBM的诞生源于一个偶然的发现：20世纪60年代，匈牙利科学家Endre Mester在使用低功率红宝石激光尝试治疗大鼠肿瘤时，意外发现激光能刺激毛发生长并显著促进伤口愈合。这一发现催生了低强度激光疗法（LLLT），后来为更准确地反映其作用机制和涵盖非相干光源（如LED），更名为光生物调节（PBM）。PBM使用可见光到近红外光谱的非电离光，通过激活靶细胞内的特定分子通路发挥作用，在促进组织修复和再生方面展现出巨大潜力。

1.1 现代PBM

现代PBM研究致力于深入理解其细胞机制和治疗应用。它利用激光、LED和宽带光等光源，重点关注光线如何干预细胞通路，从而影响如组织修复等过程。成纤维细胞作为伤口愈合过程中的核心细胞，是PBM研究的关键靶点。

1.2 理解PBM效果：光感受器、光接受体、发色团及其他多种因素的关键作用

PBM起效的首要条件是光能被活细胞中的生物分子吸收。这些分子包括专门的光感受器（如视杆和视锥细胞）和更为普遍的光接受体（如细胞代谢通路中的分子）。它们共同的特点是含有发色团，这是负责光吸收的特定结构。光吸收后会引起分子结构变化，进而触发信号级联反应。

不同波长的光被不同的分子吸收，因此产生的下游效应也不同。光的穿透深度是关键因素，通常波长越长，穿透力越强。蓝光（400–470 nm）穿透较浅，已知对伤口愈合、痤疮有积极作用，但也可能因产生过量活性氧（ROS）导致细胞损伤和光老化。绿光（470–550 nm）和黄光（570–595 nm）能激活离子通道等，但对深层组织影响有限。红光（630–700 nm）和近红外光（NIR, 700–1200 nm）穿透更深，其最主要的光接受体是细胞色素c氧化酶（CCO），线粒体电子传递链的关键组分。光被CCO吸收后，可以促进一氧化氮（NO）释放、暂时增加ROS、提升细胞能量（ATP）和钙离子（Ca²⁺）水平，从而调控多种细胞活动。

除了波长，PBM的效果还受能量密度（Fluence）、偏振性和脉冲结构等多种参数影响，且通常呈现剂量依赖性：低中剂量起刺激作用，而高剂量可能产生抑制效应。

2 方法

本综述旨在评估和阐明PBM对成纤维细胞功效的现有证据，并对其调控的分子信号通路进行全面分析，以提供其生物学效应的机制性理解。文献检索涵盖了截至2024年的相关研究，最终筛选出141篇文章进行系统综述。

3 伤口愈合与成纤维细胞

成纤维细胞是结缔组织中最丰富的细胞类型，负责合成和分泌细胞外基质（ECM）成分，如胶原蛋白和弹性蛋白，在维持组织结构方面至关重要。在伤口愈合过程中，成纤维细胞迁移至损伤部位，增殖并产生胶原蛋白，促进肉芽组织形成和瘢痕成熟。

伤口愈合是一个高度协调的过程，包括四个阶段：止血、炎症、增殖和重塑。成纤维细胞在增殖和重塑阶段发挥核心作用。它们还能分化为具有收缩能力的肌成纤维细胞，促进伤口闭合。在糖尿病等病理状态下，成纤维细胞功能受损，表现为迁移能力下降、生长因子分泌异常以及对缺氧反应失常，导致伤口难以愈合，形成慢性创面。PBM作为一种有前景的辅助治疗手段，显示出通过调节成纤维细胞功能改善难愈性伤口愈合的潜力。研究表明，PBM能减轻糖尿病成纤维细胞的氧化应激，恢复ROS稳态，限制炎症介质，并促进其增殖。

4 PBM对成纤维细胞的影响：分子通路

4.1 生长因子释放

延迟的伤口愈合与细胞功能受损有关。生长因子，如碱性成纤维细胞生长因子（bFGF或FGF2），在调控伤口愈合中至关重要。研究表明，用660 nm或830 nm的PBM照射糖尿病伤口模型中的成纤维细胞，可以显著增强细胞活力和增殖能力，并加速细胞迁移。这种改善归因于bFGF水平的增加以及随后Ras/MAPK信号通路的激活。其他研究也发现PBM能促进胰岛素样生长因子-1（IGF-1）等多种生长因子和细胞因子的分泌。值得注意的是，PBM对在高糖环境中培养的成纤维细胞效果更为显著，强调了血糖控制与光疗结合的重要性。效果具有波长和剂量依赖性，例如，632.8 nm、5 J/cm²的参数在促进糖尿病伤口闭合方面表现出最佳效果。

4.2 TGF-β/Smad信号

转化生长因子-β（TGF-β）信号通路在胶原合成、皮肤重塑和伤口愈合中起着重要作用。PBM可以调节TGF-β1的产生。研究发现，830 nm（5 J/cm²）的PBM能显著增加糖尿病伤口成纤维细胞中TGF-β1的水平，从而增强细胞活力、迁移和增殖。在人类真皮成纤维细胞中，810 nm的PBM也能通过激活TGF-β信号通路显著促进细胞迁移，而这种促迁移效应可被TGF-β受体抑制剂所抵消。不同波长效果可能不同，有研究显示1064 nm激光在促进TGF-β表达方面比532 nm激光更有效。

4.3 JAK/STAT信号

表皮生长因子（EGF）及其受体（EGFR）激活的JAK/STAT信号通路在细胞迁移、增殖和分化中至关重要。研究证明，660 nm（5 J/cm²）的PBM能增加糖尿病伤口成纤维细胞中EGF的分泌，进而激活JAK/STAT通路。基因表达分析显示，PBM处理后，与JAK/STAT通路相关的多个基因（如JAK3, STAT1, STAT3等）在糖尿病伤口细胞中上调更为显著，表明PBM在应激细胞中能更有效地激活修复相关基因。类似地，830 nm的PBM也能调节该通路中多个基因的表达。

4.4 PI3K/Akt信号

PI3K/Akt通路是调控细胞生长、存活和代谢的核心通路。糖尿病中的高糖环境诱导的氧化应激会抑制Akt通路，导致伤口愈合不良。PBM（660 nm和830 nm，5 J/cm²）处理能够逆转糖尿病成纤维细胞中增加的氧化应激，通过降低FOXO1转录因子水平、增加超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶的表达来发挥作用，这很可能依赖于Akt通路的激活。PBM还能在成纤维细胞与脂肪源性干细胞（ADSC）共培养模型中提高PI3K和Akt水平，促进伤口愈合。另有研究证实，632.8 nm的PBM能以剂量依赖方式通过PI3K/Akt通路促进细胞增殖。

5 组学、系统生物学与人工智能

组学技术（基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学）为在系统层面理解PBM的复杂效应提供了强大工具。

5.1 基因组学

目前缺乏针对PBM影响成纤维细胞伤口愈合的特定基因组学研究，但已有初步研究提示PBM可能通过调节肠道微生物组影响宿主健康。

5.2 转录组学

转录组分析可以揭示PBM处理后成纤维细胞mRNA水平的变化。例如，660 nm PBM处理能调节糖尿病伤口模型中64个细胞粘附分子（CAM）相关基因的表达。利用cDNA微阵列技术发现，低强度红光照射可影响成纤维细胞中111个基因的表达，其中7个与细胞增殖直接或间接相关。RNA测序（RNA-seq）研究则表明，偏振PBM能强烈影响线粒体能量生产和伤口愈合相关信号通路基因的表达。

5.3 蛋白质组学

蛋白质组学方法（如质谱法）可用于分析PBM后成纤维细胞的蛋白质表达和修饰。研究发现，Er:YAG激光照射后，人牙龈成纤维细胞（HGF）中有59种蛋白质表达上调，其中半乳糖凝集素-7的上调可能部分解释了细胞增殖的增加。在动物模型中的蛋白质组学研究也揭示了PBM调控组织修复相关的多种生物通路。

5.4 代谢组学

代谢组学 profiling 可以评估PBM处理后成纤维细胞内代谢物的变化，为了解PBM影响的代谢通路（如能量产生、氧化还原平衡）提供见解。目前缺乏在成纤维细胞中的直接代谢组学研究，但在动物模型中的研究显示，经颅近红外光照射能改善大脑皮层和海马体的代谢通路。

5.5 系统生物学与AI

系统生物学旨在通过整合多组学数据、计算分析和数学建模，从整体上理解生物系统。人工智能（AI）和机器学习算法可以用于分析庞大的组学数据，识别模式，预测PBM效果，并优化治疗参数。已有数学模型成功模拟了PBM通过影响细胞色素c氧化酶和NO来调节线粒体呼吸的机制。未来，AI驱动的系统生物学方法有望整合多维度数据，构建预测模型，实现针对个体患者的精准PBM治疗。

6 讨论

当前的基因表达谱、信号通路激活等数据为开发先进的AI模型奠定了坚实基础。通过整合这些数据集，AI方法可以帮助绘制支配成纤维细胞对PBM反应的网络和通路图，从而识别有效的生物标志物、预测个体化反应并优化治疗方案。然而，实现这一目标面临数据碎片化、模型复杂性以及需要扎实的实验验证等挑战。跨学科合作和实时监测技术的发展将推动该领域的进步。

7 挑战与局限

PBM的临床应用仍面临主要挑战，包括照射参数的异质性、实验方案的变异性以及数据报告和整合的碎片化。克服这些障碍需要向精准PBM转变，即结合患者特异性生物特征来制定个性化的光疗方案。这需要标准化实验条件、建立可互操作的组学数据集以及实施能够解码复杂剂量反应动力学的AI驱动模型。

8 结论

本综述全面总结了PBM通过调控多条关键信号通路（Ras/MAPK, TGF-β/Smad, JAK/STAT, PI3K/Akt）对成纤维细胞产生的促进增殖、迁移、ECM生成和分化的积极影响。红光和近红外光（波长620-850 nm，能量密度3-5 J/cm²）在糖尿病等难愈性伤口模型中显示出显著效果。组学技术与人工智能的结合为深入揭示PBM的复杂机制、推动其向精准化和个性化治疗方向发展提供了强大动力和崭新视角。通过采用整合性和个性化的方法，PBM有望超越其当前作为辅助疗法的角色，成为一种核心的、精准指导的医学干预手段。