姜黄素光动力灭活在低光剂量下对铜绿假单胞菌群体感应、毒力和感染伤口愈合的波长依赖性效应（405 nm vs. 425 nm）

《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》：Wavelength-dependent effects of curcumin photodynamic inactivation at low light doses on Pseudomonas aeruginosa quorum sensing, virulence, and healing of infected wounds (405?nm vs. 425?nm)

　　

摘要

铜绿假单胞菌（PA）因其耐药性和复杂的致病性而成为严重的公共卫生威胁。姜黄素介导的光动力灭活（PDI）是一种潜在的非抗生素治疗策略。虽然蓝光（如425 nm）常用于姜黄素PDI，但低光剂量下不同波长的影响，特别是对细菌毒力的影响，尚不清楚。在此，我们在相同的低光剂量（12 J/cm²）下系统比较了405 nm和425 nm光介导的姜黄素PDI对PAO1的疗效，评估了杀菌效果、细胞内活性氧（ROS）水平、全局基因表达（RNA-seq）、关键群体感应（QS）基因（lasR、rhlR、pqsA）的调控，以及随后的生物膜形成和绿脓菌素产生。我们发现，405 nm-PDI在PAO1细胞中诱导的ROS水平高于425 nm-PDI（分别是对照组的4.97倍和2.23倍）。转录组分析鉴定了405 nm-PDI和425 nm-PDI组之间的190个差异表达基因，表明与波长相关的转录差异涉及群体感应（QS）和生物膜相关过程。RT-qPCR分析进一步显示，在405 nm-PDI处理后，选定的QS相关基因表达较低，特别是rhlR和pqsA。与这些分子观察结果一致，与未处理组相比，405 nm-PDI预处理与后续生物膜形成减少（平均厚度降低约79%）和绿脓菌素产生正常化（降低约64%）相关。此外，在小鼠全层伤口感染模型中，姜黄素介导的光动力治疗与更大的伤口愈合、更低的IL-6和TNF-α水平以及良好的组织学特征相关，特别是在405 nm-PDI组。我们的研究结果表明，在低光剂量下，405 nm光可能更有效地优化姜黄素PDI对抗PA的抗毒力效果，值得在感染相关应用中进一步评估。

引言

铜绿假单胞菌（PA）是一种主要的革兰氏阴性机会致病菌，对全球公共卫生构成严重威胁。由于其固有的多重耐药性（MDR）、强大的生物膜形成能力和广泛的毒力因子，世界卫生组织（WHO）将其列为“关键优先病原体”，迫切需要新的治疗策略[1]。PA感染的治疗尤其具有挑战性，特别是在免疫功能低下的患者中，它可引起呼吸机相关性肺炎、囊性纤维化肺部感染和慢性伤口感染，通常与持续性生物膜相关[2]。这种情况强调了迫切需要新的非抗生素策略来有效对抗PA及其毒力。

光动力灭活（PDI）是一种有前景的抗菌方法。虽然其根源可以追溯到古代文明使用阳光进行治疗，但其科学基础奠定于19世纪末和20世纪初[3]、[4]。该疗法使用特定波长的光激活无毒光敏剂（PS），导致产生活性氧（ROS），如单线态氧（¹O₂）和自由基。这些高活性物质非特异性地破坏细菌的基本成分，包括蛋白质、核酸和脂质，最终导致细胞死亡[5]、[6]。PDI具有几个关键优势，包括广谱抗菌活性、由于其多靶点机制而产生耐药性的可能性低、局部适用性以及对宿主组织的损伤最小[7]。姜黄素（图S1）是从姜黄根茎中提取的天然多酚化合物，由于其良好的光化学性质、低细胞毒性和生物相容性，在PDI应用中已被广泛研究[8]。姜黄素的最大吸收峰主要在蓝光区域，在400–500 nm范围内通常表现出良好的光吸收特性（图S2）[9]。因此，传统研究通常使用蓝光（如425 nm）激发姜黄素进行PDI。然而，有报道表明，使用该波长范围的姜黄素PDI对清除PA可能效果不佳，可能由于光穿透有限、光敏剂吸收效率低或ROS产率低等因素[10]。

最近，405 nm紫光引起了相当大的关注。与紫外光相比，405 nm光对宿主细胞的损伤较小，可能具有不同的组织相互作用[11]。此外，研究表明405 nm光本身具有内在的抗菌活性，其机制涉及激活细菌内源性光敏剂（如卟啉类化合物）以产生ROS[11]、[12]、[13]。一些细菌卟啉类发色团在405 nm附近有吸收[14]。PAO1悬浮液的全光谱吸光度曲线参见补充图S4。这表明即使没有外源性光敏剂，405 nm光也能诱导细菌内源性ROS产生，从而发挥抗菌作用[11]。PA的致病性受其群体感应（QS）系统严格调控，这是一种细胞间通讯过程，根据种群密度调节多种毒力因子和生物膜形成的表达[15]。PA中的主要QS系统是las、rhl和pqs系统，它们呈层级组织，代表一个潜在的抗菌靶点[16]、[17]。PDI产生的ROS可能通过各种机制干扰QS信号通路，从而抑制PA的致病潜力。

鉴于405 nm光在激发姜黄素和细菌内源性光敏剂方面的双重潜力，我们直接在相同低剂量条件下比较了405 nm和425 nm姜黄素PDI，并评估了它们对ROS、全局转录反应、QS相关基因、随后的毒力相关表型以及感染伤口模型中治疗效果的影响（图1A）。这项工作的结果为优化PDI参数提供了实验观察结果，旨在为针对PA感染的低剂量PDI策略提供信息，特别是慢性和生物膜相关的感染。

章节片段

细菌培养和光敏剂制备

使用参考菌株铜绿假单胞菌PAO1（ATCC 15692）。PAO1在Luria-Bertani（LB）肉汤中于37 °C、150 rpm振荡培养至对数生长期中期（600 nm处OD ≈ 0.6）。收集细胞，用磷酸盐缓冲液（PBS）洗涤两次，并重悬于PBS中。将细菌悬浮液调整至约10⁸ CFU/mL用于杀菌和ROS测定，或根据后续实验要求进行调整。对于研究抑制

405 nm-PDI与425 nm-PDI对PAO1的杀菌效果比较

我们首先在低光剂量（10 mW/cm²，20 min，总光剂量12 J/cm²）下评估了不同光照条件对PAO1细胞的直接杀灭效果。如图1B所示，未处理的PAO1细胞（Untreated）的初始计数约为1.23 × 10⁸ CFU/mL。在这些低光剂量条件下，单独姜黄素处理（Cur_Only）、405_Only和425_Only与未处理组相比，均未显著改变PAO1细胞活力。这表明无论是光照暴露还是

讨论

在本研究中，在低光剂量（10 mW/cm²，12 J/cm²）下比较了405 nm和425 nm光介导的姜黄素PDI对铜绿假单胞菌PAO1的作用。在这些条件下，405 nm-PDI诱导了更高的细胞内ROS水平，对QS相关基因（特别是rhlR和pqsA）产生了更强的抑制，并且比425 nm-PDI更大程度地抑制了随后的生物膜形成和绿脓菌素产生。相比之下，两种波长仅显示出有限的直接杀菌效果。

结论

本研究证明了在低剂量照射条件下，铜绿假单胞菌PAO1对姜黄素介导的光动力灭活存在波长依赖性差异。尽管405 nm-PDI和425 nm-PDI产生了相对温和且相当的活菌数即时减少，但405 nm-PDI产生了更高的细胞内ROS相关荧光信号，并与选定的QS相关基因（特别是rhlR和pqsA）的较低表达相关。

CRediT作者贡献声明

Lei Gao: 写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。Yan Wang: 资金获取。Kun Zhang: 资源。Yuejuan Zhang: 资金获取。Sinan Chen: 资源。Ying Liu: 软件。Heng Sun: 软件。Fan Li: 软件。Yi Wan: 资源、资金获取。

资金

本研究得到国家自然科学基金（No. 32400109）、陕西省科学院科技计划项目（）、陕西省自然科学基础研究计划（2025JC-YBMS-287）、西安市科学技术局（23GXFW008）的资助。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Lei Gao|Yan Wang|Kun Zhang|Yuejuan Zhang|Sinan Chen|Ying Liu|Heng Sun|Fan Li|Yi Wan

陕西省微生物研究所，西安市西影路76号，710043，中国