线粒体脂肪酸氧化过程可被红光照射所激活

《FEBS Letters》：Mitochondrial fatty acid oxidation is stimulated by red light irradiation

不同光波长对角质形成细胞代谢的影响研究显示，UV光完全抑制氧化磷酸化，而蓝、绿光降低细胞存活率，红光（660nm）则通过激活AMPK依赖的脂肪酸氧化途径增强线粒体呼吸并促进增殖。光效应与波长选择性和细胞响应机制相关，揭示了光生物调节在表皮细胞代谢中的作用。

　　光是一种普遍存在于自然界中的能量形式，不仅影响生物体的物理状态，还在细胞层面引发一系列复杂的生物化学反应。这些反应包括光的吸收、散射、反射和透射等，具体取决于细胞中各种生物分子的光学特性。光与细胞内分子的相互作用可以导致生成高度活跃的激发态物质，这些物质比基态更具反应性，可能会引发一系列连锁反应，如光敏氧化等，这些反应在某些情况下可能是有害的。然而，光也具有有益的一面，尤其是在某些特定波长下，如红光，已被广泛用于治疗多种疾病，包括炎症、神经和肌肉骨骼相关疾病。这种光疗技术被称为光生物调节（photobiomodulation, PBM），其作用机制仍不完全明确，但越来越多的研究表明，线粒体功能，特别是氧化磷酸化（oxidative phosphorylation），在其中起着关键作用。

在人体中，皮肤是最容易受到太阳辐射影响的组织之一。皮肤不仅是最大的器官，还承担着多种重要功能，如作为外部环境的屏障、调节体温、合成维生素D等。在皮肤的最外层——表皮中，角质形成细胞（keratinocytes）是主要的细胞类型。这些细胞不仅暴露于紫外线（UV）和可见光中，还含有多种内源性光敏分子，如黄素、烟酰胺和细胞色素，这些分子主要位于线粒体中，能够吸收光能并转化为化学能，进而影响细胞的功能。值得注意的是，虽然光对角质形成细胞的黑色素生成等过程有明确的影响，但其对细胞代谢的影响却未被充分研究。

本研究通过代谢通量分析（metabolic flux analysis）的方法，系统地探讨了不同波长的光对角质形成细胞代谢的影响。结果显示，紫外线A（UVA）几乎完全抑制了氧化磷酸化，而同等剂量的蓝光和绿光则维持了代谢通量，但降低了细胞的存活率。相比之下，红光（660纳米）不仅增强了细胞的增殖能力，还提高了细胞的基础和最大氧气消耗率，而未改变线粒体电子传递链相关蛋白的水平。这一发现揭示了红光对角质形成细胞代谢的特异性调控作用，即通过激活AMPK依赖的脂肪酸氧化（fatty acid oxidation, FAO）来促进代谢活动。这种机制与直接作用于电子传递链不同，说明红光的作用可能更多地依赖于细胞质中的代谢调控过程。

红光促进脂肪酸氧化的具体机制涉及AMPK和其下游靶标——乙酰辅酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase, ACC）的磷酸化。研究发现，红光处理后，ACC的磷酸化水平显著增加，而其总蛋白水平并未发生变化。这种磷酸化事件可能导致ACC活性的抑制，从而减少脂肪酸的合成，并将脂肪酸导向线粒体进行β-氧化。这一过程可能增加了细胞对脂肪酸的利用效率，进而提高了能量代谢的速率和细胞的增殖能力。同时，红光处理导致细胞内游离脂肪酸（free fatty acids, FFA）水平的下降，进一步支持了脂肪酸氧化的增强。这些结果表明，红光通过激活AMPK-ACC通路，间接调控脂肪酸氧化，而非直接改变线粒体的结构或功能。

相比之下，蓝光和绿光虽然对细胞代谢没有显著影响，但它们在某些情况下可能会降低细胞的存活率。这可能与这些波长的光引发的光敏氧化反应有关，这些反应可能通过生成自由基或其他活性氧物种（reactive oxygen species, ROS）对细胞造成损伤。而UVA则因导致线粒体功能的严重破坏，从而显著降低细胞的存活率。这些结果说明，不同波长的光对角质形成细胞的生物学效应存在显著差异，其中红光的作用机制与其他波长不同，更偏向于促进细胞代谢和增殖。

红光的代谢促进作用在多个实验中得到了验证。首先，通过氧消耗率（oxygen consumption rates, OCR）的测定，发现红光处理后的角质形成细胞表现出更高的基础和最大氧消耗率，表明线粒体的氧化磷酸化能力增强。其次，通过细胞存活率的评估，发现红光能够显著提高细胞的增殖水平，这与OCR的提升相吻合。此外，使用Resipher实时细胞分析仪对红光处理后的细胞进行长期监测，发现其代谢效应可持续两天以上，这表明红光的作用可能涉及细胞质中的长期调控机制，而非仅依赖于即时的光吸收和反应。

为了进一步确认红光的作用机制，研究人员还分析了不同细胞类型对红光的反应，包括成纤维细胞和黑色素细胞。结果表明，红光对角质形成细胞的促进作用具有特异性，而对其他细胞类型的影响则不显著。这提示红光的作用可能局限于某些特定的细胞类型或代谢途径。此外，研究还排除了红光的热效应作为其促进细胞代谢的可能机制，因为即使在相同的温度条件下，红光的处理仍表现出显著的代谢增强。

红光促进脂肪酸氧化的机制可能与细胞内的代谢调控网络密切相关。线粒体作为细胞代谢的核心，其功能不仅依赖于自身的结构和酶活性，还受到细胞质中多种信号通路的调控。AMPK作为一种重要的能量感应蛋白，能够响应细胞内的能量状态变化，并通过磷酸化作用调节下游代谢酶的活性。在红光处理后，AMPK的磷酸化水平显著上升，这可能激活了其下游的代谢通路，如脂肪酸氧化。这种调控方式不仅影响脂肪酸的利用，还可能通过调节细胞内的能量代谢，提高细胞的存活率和增殖能力。

此外，研究还发现红光能够减少细胞内的游离脂肪酸含量，而这一效应在其他波长的光处理中并未观察到。这表明红光可能通过特定的代谢调控机制，促使细胞将脂肪酸转运至线粒体进行氧化，从而增加能量的产生。这种机制可能与细胞对红光的敏感性有关，而这种敏感性可能源于细胞内特定的光敏分子或代谢通路的激活。

研究结果不仅揭示了红光对角质形成细胞代谢的调控作用，还重新定义了光生物调节在表皮细胞中的作用模式。传统的观点认为红光的作用主要通过直接激活线粒体中的细胞色素c氧化酶（cytochrome c oxidase）来实现，但本研究通过多种实验手段，如高分辨率呼吸测定和细胞质代谢通路分析，表明红光的作用更可能涉及细胞质中的代谢调控，而非直接作用于线粒体的结构或功能。这一发现为光生物调节提供了新的理论依据，并拓展了其在细胞代谢调控中的应用前景。

从更广泛的角度来看，这些发现对理解光与细胞之间的相互作用具有重要意义。光不仅是能量来源，还可能通过调控细胞内的代谢通路，影响细胞的生长、存活和功能。因此，未来的研究可以进一步探索不同波长的光对细胞代谢的具体调控机制，以及这些机制在不同细胞类型中的差异。此外，光生物调节的临床应用也可能因此得到拓展，例如在治疗炎症、神经退行性疾病和皮肤修复等领域。

综上所述，红光对角质形成细胞的代谢促进作用是通过激活AMPK和ACC的磷酸化，从而增强脂肪酸氧化来实现的。这一机制为光生物调节在皮肤细胞中的应用提供了新的视角，并提示我们，光不仅能够影响细胞的物理状态，还可能通过复杂的代谢调控网络，对细胞的生理功能产生深远影响。这一研究不仅加深了我们对光与细胞代谢关系的理解，也为未来的光疗研究和应用提供了重要的理论基础和实验依据。