228纳米远紫外C（far-UVC）发光二极管的抗菌效果与安全性评估

《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》：Antimicrobial effect and safety of 228 nm far-UVC light-emitting diodes

本研究针对传统紫外C（UVC，~254 nm）杀菌技术对人体有害的局限，首次对新型228纳米波长far-UVC发光二极管（LED）的抗菌效果与生物安全性进行了系统评估。实验证明，该LED可有效灭活多种细菌（如E. coli、S. aureus）和真菌（C. albicans），且在小鼠皮肤模型中未观察到DNA损伤（CPD形成）及炎症通路激活，为开发人机共存环境下的安全高效消毒技术提供了关键证据。

　　

紫外线消毒并非新鲜事，但传统用于空气和表面杀菌的紫外C（UVC，波长约254纳米）光线有一个致命的缺点：它能穿透人体皮肤和眼睛的浅表组织，损伤细胞DNA，从而增加皮肤癌和白内障的风险。因此，它只能在无人环境下使用，这大大限制了其在医院、学校、公共交通等持续有人活动场所的应用。有没有一种既能高效杀菌，又对人体安全的紫外线呢？科学家们将目光投向了光谱中一个更短的波段——远紫外C（far-UVC，波长200-230纳米）。理论认为，这个波段的紫外线能被生物大分子（如蛋白质）强烈吸收，在穿透微生物（尺寸微米级）时足以破坏其结构，但其穿透深度极浅，无法到达人类皮肤有活细胞的基底层或眼睛的晶状体。然而，此前的研究大多基于笨重、昂贵且光谱不纯的准分子灯（如222纳米）。一种更小巧、高效且有望低成本化的光源——far-UVC发光二极管（LED）——其实际抗菌效能与安全性尚未得到充分验证。为此，由Honoka Fujikawa、Yuki Shimizu、Mane Nishimura、Tomohiro Fujii、Yu Okada、Keisuke Kawasaki、Kenji Watanabe、Yoichi Mizukami和Jun Nishikawa组成的研究团队，在《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》上发表了他们的研究成果，首次系统探究了峰值波长为228纳米的far-UVC LED的抗菌能力与生物安全性。

本研究采用了体外抗菌实验与体内动物安全性评估相结合的研究策略。关键实验技术包括：1）体外抗菌定性定量分析：通过琼脂平板扩散法（定性）和菌落计数法（定量）评估228纳米far-UVC LED对五种微生物（大肠杆菌E. coli、铜绿假单胞菌P. aeruginosa、金黄色葡萄球菌S. aureus、具核梭杆菌F. nucleatum和白色念珠菌C. albicans）的杀灭效果。2）小鼠皮肤安全性模型：使用4周龄雌性HR-1无毛小鼠，在其背部皮肤照射不同剂量的228纳米far-UVC和265纳米UVC（作为对照），并于照射后立即及24小时采集样本。3）组织病理学与免疫组化分析：对皮肤样本进行苏木精-伊红（H&E）染色以观察组织形态学变化，并采用免疫组化法检测环丁烷嘧啶二聚体（Cyclobutane Pyrimidine Dimer, CPD，一种典型的DNA损伤标志物）的形成。4）RNA测序（RNA-seq）与生物信息学分析：对经UVC和far-UVC照射的小鼠皮肤组织进行转录组测序，通过Ingenuity Pathway Analysis (IPA)软件分析差异表达基因涉及的通路和上游调控因子，从分子层面评估紫外线照射引发的生物效应。

研究结果

3.1. 远紫外C发光二极管的抗菌效果

研究人员首先在琼脂平板上验证了far-UVC的抑菌圈。在38.5 mJ/cm²的能量照射下，所有受试微生物的生长均被抑制，抑菌圈直径从大到小依次为：F. nucleatum(10.2 毫米) > P. aeruginosa(8.8 毫米) > S. aureus(6.9 毫米) > E. coli(5.8 毫米) > C. albicans(3.5 毫米)。定量实验进一步证实，其杀菌效果呈现剂量依赖性。在51.4 mJ/cm²的照射能量下，E. coli被完全灭活（检测不到菌落），而S. aureus、F. nucleatum和P. aeruginosa在38.5 mJ/cm²时即被完全灭活。相比之下，真菌C. albicans的抵抗力最强，在51.4 mJ/cm²照射后仍有菌落存活。

3.2. 远紫外C发光二极管安全性的小鼠实验

为了评估安全性，研究团队在小鼠皮肤上进行了照射实验。宏观和组织学（H&E染色）观察显示，即使在96.8 mJ/cm²的far-UVC照射下，小鼠皮肤在照射后立即和24小时均未出现肉眼可见的红斑或微观结构损伤。与之形成鲜明对比的是，使用265纳米UVC在48.2 mJ/cm²的较低能量照射后，皮肤虽无宏观变化，但免疫组化检测到了显著的DNA损伤：约23.0% ± 5.8%的表皮细胞核呈现CPD阳性。而经far-UVC照射的皮肤样本中，未发现任何CPD阳性细胞。

更深入的RNA测序分析从分子层面揭示了差异。与far-UVC照射相比，265纳米UVC照射显著改变了438个基因的表达。通路分析显示，UVC特异性激活了“无粒白细胞粘附和血细胞渗出”以及“病原体诱导的细胞因子风暴信号”等炎症相关通路。上游调控因子分析进一步指出，干扰素-γ (IFN-γ)、肿瘤坏死因子 (TNF) 和信号转导和转录激活因子3 (STAT3) 等促炎因子可能是驱动这些变化的关键。这些数据表明，far-UVC在诱发炎症反应方面的能力远弱于传统UVC。

结论与意义

本研究首次综合评估了228纳米far-UVC LED的抗菌效能与生物安全性，得出明确结论：该新型光源能有效杀灭包括革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、厌氧菌和真菌在内的多种微生物，且杀菌效果呈剂量依赖性。更重要的是，在动物安全性实验中，该波长的照射未引起小鼠皮肤的宏观或微观损伤，未检测到DNA损伤标志物CPD的形成，且在分子水平上未像传统UVC那样激活关键的炎症通路。这强有力地证明，228纳米far-UVC LED在测试剂量下对哺乳动物皮肤是安全的。

这项研究的意义重大。它不仅仅验证了一种新型光源的效能，更重要的是为“人机共存”的持续消毒场景开辟了新的可能性。与传统UVC相比，far-UVC LED凭借其光谱特性，有望在人员密集的医院、学校、机场、公共交通等场所实现“实时消毒”，而不必清场。此外，其半导体光源的固有优势——小型化、坚固耐用、低产热——使其特别适合集成到便携设备或特定场景中，例如论文中提及的正在开发的用于治疗牙周病的口腔照射设备。当然，研究也指出了当前工作的局限性，如动物样本量较小、对眼睛的安全性尚未验证、以及LED光源本身可能含有少量波长>230纳米的光谱需要过滤等。未来，通过更全面的安全性评估和技术优化，far-UVC LED有望成为一种变革性的工具，为人类传染病的预防和治疗提供一种安全、高效、便捷的物理手段。