紫外紅外光對(duì)骨代謝及腸道菌群影響的研究進(jìn)展

馬 政 付玉明 ?劉 紅

(1.北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100083；3.北京航空航天大學(xué)空天生物技術(shù)與醫(yī)學(xué)工程國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 100191)

1 引言

骨健康是在載人航天、水下潛航等密閉隔離的特殊人工光照環(huán)境下必須關(guān)注的重要生理健康問(wèn)題。目前載人航天器、潛艇的人工照明系統(tǒng)多為節(jié)能長(zhǎng)壽命的白光LED，其光譜與太陽(yáng)光存在顯著不同，主要表現(xiàn)為不包含紫外與紅外波段。而紫外和紅外光對(duì)人體健康具有重要影響。適量的紫外光照射可以增強(qiáng)人體免疫力，還可以調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)功能，促進(jìn)機(jī)體新陳代謝；而紅外光可以促進(jìn)機(jī)體細(xì)胞活性，促進(jìn)組織修復(fù)與再生。由于缺乏紫外、紅外等有益波段，長(zhǎng)期在人工照明環(huán)境下工作生活，人體健康不僅面臨維生素D缺乏、新陳代謝紊亂、免疫力下降等問(wèn)題，還會(huì)對(duì)人體骨骼產(chǎn)生負(fù)面影響。前期研究已經(jīng)證明，在和平號(hào)空間站內(nèi)的人工光照條件下，紫外含量過(guò)低不能刺激人體合成充足的維生素D用于骨形成。近年來(lái)的研究表明，執(zhí)行長(zhǎng)期航行任務(wù)的潛艇艇員與長(zhǎng)期室內(nèi)工作人員均出現(xiàn)了骨密度下降、骨質(zhì)疏松加劇的現(xiàn)象。因此，為了保障長(zhǎng)期在密閉隔離環(huán)境中工作人員的骨健康，一個(gè)潛在的解決方案是在人工光源中添加適宜波段和能量密度的紫外、紅外光譜，設(shè)計(jì)科學(xué)合理、安全高效的人工健康光源。

了解紫外、紅外光譜對(duì)骨代謝的影響機(jī)制是設(shè)計(jì)健康光源、改善骨代謝的重要基礎(chǔ)。然而，紫外、紅外光究竟以何種方式影響骨代謝途徑，目前尚不完全清楚。一方面，紫外、紅外光譜可以直接作用于人體骨代謝；另一方面，紫外、紅外光譜可能通過(guò)免疫、代謝等其他途徑間接影響骨代謝。越來(lái)越多的研究證明，紫外、紅外光療會(huì)產(chǎn)生明顯的全身效應(yīng)，將紫外或紅外照射應(yīng)用于身體的一個(gè)部位，可對(duì)遠(yuǎn)程器官產(chǎn)生有益結(jié)果。這提示紫外、紅外照射可能通過(guò)影響其他部位進(jìn)而進(jìn)一步影響骨代謝。近年來(lái)的腸骨軸研究證實(shí)了腸道菌群與骨代謝之間具有緊密聯(lián)系。因此，腸道菌群可能是紫外紅外光影響骨代謝的重要介導(dǎo)器官。

本文綜述紫外、紅外光照對(duì)骨代謝、腸道菌群影響的研究進(jìn)展，就腸道微生物介導(dǎo)紫外、紅外光照影響骨代謝的潛在機(jī)制提出展望。

2 紫外、紅外光直接影響骨代謝

2.1 紫外光照射對(duì)骨代謝的影響

適量的紫外光照射能夠促進(jìn)維生素D的合成進(jìn)而改善骨代謝。紫外(UV)B輻射(280～320 nm)是太陽(yáng)紫外光譜(200～400 nm)中唯一誘導(dǎo)維生素D合成的部分，寬頻帶UVB(BBUVB)和窄帶UVB(NB-UVB，311±2 nm)都能改善維生素D的狀態(tài)。皮膚中的7-脫氫膽固醇需要紫外光輻射后才能轉(zhuǎn)化為維生素D前體，后者最終通過(guò)熱異構(gòu)化轉(zhuǎn)化為維生素D。

已有大量研究表明，人工紫外光應(yīng)用于人或動(dòng)物補(bǔ)充維生素D，促進(jìn)骨形成的高效性與安全性，具有很好的應(yīng)用前景。如Kalajian等發(fā)現(xiàn)紫外光B發(fā)光二極管(LEDs)刺激人體皮膚中產(chǎn)生維生素D的效率是太陽(yáng)的2.4倍。另一項(xiàng)針對(duì)于維生素D缺乏癥患者的隨機(jī)臨床試驗(yàn)證明，每周進(jìn)行3次小劑量LED窄帶紫外光B照射比每天口服1600 IU維生素D更有效地治療維生素D缺乏癥。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在人工照明環(huán)境下補(bǔ)充紫外光照射的大鼠骨形成率增加，骨吸收率降低，骨密度提高，并且對(duì)皮膚無(wú)不良影響。最近一項(xiàng)采用新型紫外LED裝置對(duì)缺乏維生素D的衰老加速小鼠模型進(jìn)行小范圍紫外光照射(UVR)發(fā)現(xiàn)，UVR使血清25(OH)D和1，25(OH)D水平均升高，骨小梁體積和骨骼強(qiáng)度也有顯著增長(zhǎng)，紫外光照射可能改善與維生素D缺乏相關(guān)的骨代謝。

紫外光除了可以通過(guò)誘導(dǎo)維生素D的合成改善血清中25(OH)D的水平外，還可以通過(guò)免疫途徑影響骨代謝。先前的研究已經(jīng)表明，紫外光通過(guò)增加循環(huán)Treg細(xì)胞數(shù)量進(jìn)而分泌更多的白細(xì)胞介素-10(IL-10)。而IL-10作為抗炎的細(xì)胞因子，可有效抑制骨吸收，已被證實(shí)對(duì)去卵巢小鼠骨質(zhì)疏松的治療有明顯作用。

2.2 紅外光照射對(duì)骨代謝的影響

紅外光(IR，760 nm～1 mm)照射對(duì)骨的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:

1)由于紅外光對(duì)組織的高滲透性，可以刺激成纖維細(xì)胞增殖，使膠原蛋白分泌增加，直接影響骨骼修復(fù)和生長(zhǎng)。如體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，LED紅外照射(880 nm；8 J/cm；50 mW/cm)可使小鼠來(lái)源的成纖維細(xì)胞、大鼠來(lái)源的成骨細(xì)胞和骨骼肌細(xì)胞的體外培養(yǎng)生長(zhǎng)速度提高140%～200%；人體實(shí)驗(yàn)還表明，LED紅外照射(880 nm；4 J/cm；10 mW/cm)治療使海豹突擊隊(duì)隊(duì)員的肌肉骨骼訓(xùn)練損傷改善了40%以上，并縮短了美國(guó)海軍潛艇上船員的傷口愈合時(shí)間，改善了新陳代謝。Pinheiro等用LED紅外照射(850±10 nm，16 J/cm，150 mW)結(jié)合骨缺損生物填充材料治療骨缺損的雄性Wistar大鼠，發(fā)現(xiàn)紅外LED照射使骨修復(fù)過(guò)程加快，并改善了新形成骨的質(zhì)量。Pinheiro等進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)無(wú)論是否植入生物材料，紅外LED照射都能改善骨愈合和生長(zhǎng)。Aicole研究表明，以骨質(zhì)疏松大鼠模型為實(shí)驗(yàn)材料，紅外LED照射治療可刺激成纖維細(xì)胞膠原沉積的增加，進(jìn)而改善骨質(zhì)疏松。

2)紅外光還可以通過(guò)改善血液循環(huán)，調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能，提升巨噬細(xì)胞吞噬能力和炎癥因子的分泌來(lái)影響骨代謝。Xavier等研究了紅外LED對(duì)大鼠炎癥過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)紅外LED可降低炎癥細(xì)胞內(nèi)白細(xì)胞介素-6(IL-6)、腫瘤壞死因子α(TNF-α)的mRNA表達(dá)。這二者都是與骨代謝有密切聯(lián)系的細(xì)胞因子，IL-6作為一種促炎細(xì)胞因子，已被證明可促進(jìn)骨吸收。而TNF-α是骨分解的動(dòng)因之一，具有促進(jìn)骨吸收，抑制骨形成的作用。在另一項(xiàng)將紅外LED療法應(yīng)用于骨關(guān)節(jié)炎治療的研究中，與未治療組相比，軟骨中Ⅱ型膠原mRNA表達(dá)上調(diào)，軟骨和滑膜組織中TNF-α表達(dá)下調(diào)，炎癥水平均有所降低，紅外LED光療顯示出潛在的抗炎功能及對(duì)關(guān)節(jié)軟骨表面失穩(wěn)的保護(hù)作用。

3 腸道微生物介導(dǎo)紫外、紅外影響骨代謝

3.1 紫外、紅外光照對(duì)腸道菌群的影響

紫外光照射可誘導(dǎo)產(chǎn)生維生素D，而維生素D可以通過(guò)誘導(dǎo)抗菌肽基因和調(diào)節(jié)腸道上皮層的緊密連接蛋白來(lái)增強(qiáng)免疫功能，間接影響腸道微生物群。在一項(xiàng)以加拿大健康女性為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的研究中發(fā)現(xiàn)，皮膚暴露于NB-UVB燈光照射下，所有參與者的25(OH)D濃度顯著增加，并且腸道菌群發(fā)生變化；而且紫外光對(duì)腸道微生物組成的調(diào)節(jié)作用在缺乏維生素D的人身上表現(xiàn)的更加明顯，乳桿菌科、理研菌科、梭狀芽孢桿菌科等都出現(xiàn)了明顯的富集。這些菌群富集可能在骨代謝中發(fā)揮著重要功能。李麗研究證實(shí)，小鼠灌胃乳桿菌T3L后，腸道菌群的多樣性發(fā)生改變，產(chǎn)短鏈脂肪酸(Short-chain Fatty Acids，SCFAs)的菌屬增多，同時(shí)股骨力學(xué)參數(shù)和骨密度均有所升高。Fukuda等的研究證實(shí)梭狀芽孢桿菌群可以增加結(jié)腸內(nèi)乙酸、丙酸等SCFAs的產(chǎn)量，并能起到抗炎的作用。抗炎細(xì)胞因子分泌的增加，可以有效抑制骨吸收，同時(shí)還可以促進(jìn)骨形成。

另外，有證據(jù)表明紫外線照射皮膚改變腸道微生物群也可不依賴(lài)維生素D。Ghaly等觀察了在飲食維生素D高含量、中含量和低含量的情況下，UVB照射對(duì)腸道微生物組的影響，發(fā)現(xiàn)無(wú)論飲食中是否存在維生素D，長(zhǎng)期暴露在UVB下都會(huì)增加腸道微生物組的α多樣性。與未受紫外光照射的小鼠相比，皮膚受紫外光照射的小鼠白細(xì)胞介素1β表達(dá)減少5倍，表明紫外光照射產(chǎn)生了抗炎作用。同時(shí)其腸道菌群發(fā)生了顯著變化，厚壁菌豐度升高，而擬桿菌豐度降低。Ghaly等、Shaw等研究表明，一些厚壁菌如糞球菌屬在紫外線照射下富集，產(chǎn)生具有抗炎作用的SCFAs。此外，Bosman等也發(fā)現(xiàn)小鼠暴露于NB-UVB下，其腸道菌群中可生產(chǎn)SCFAs的

Lachnospiraceae

、

Ruminococcus

和

Clostridiaeae

菌豐度增加，腸道代謝物中的丁酸、乙酸等SCFAs增加。而先前的研究已經(jīng)證實(shí)，SCFAs本身可以調(diào)節(jié)胰島素樣生長(zhǎng)因子1(IGF-1)的水平改善骨代謝。上述研究證明了紫外光在改善骨代謝中，腸道菌群可能發(fā)揮了重要作用。紅外光照射也會(huì)對(duì)腸道菌群產(chǎn)生顯著影響，主要表現(xiàn)為可以誘導(dǎo)產(chǎn)SCFAs的菌屬變化、刺激有益菌的生長(zhǎng)、下調(diào)與微生物組失調(diào)相關(guān)的細(xì)菌比例以及保證腸道粘膜的完整性。例如，Bicknell將小鼠腹部接受低強(qiáng)度紅外(808 nm)激光照射，提取糞便中的DNA后，對(duì)其進(jìn)行16S rRNA基因測(cè)序，與對(duì)照組相比有明顯的差異，特別是經(jīng)紅外照射的小鼠糞便中

Allobaculum

菌豐度明顯升高。

Allobaculum

菌作為一種與腸道健康相關(guān)的細(xì)菌，有利于粘膜層強(qiáng)化和更好的粘膜完整性。在使用7.7～10μm波長(zhǎng)的紅外光照射小鼠后，也可以使腸道菌群發(fā)生顯著變化，擬桿菌門(mén)、疣微菌門(mén)豐度增加，厚壁菌門(mén)減少。Khan等研究表明，遠(yuǎn)紅外輻射也可以誘導(dǎo)腸道菌群的變化，具體表現(xiàn)為脫鐵桿菌門(mén)(

Deferribacteres

，由幾種病原體組成)豐度降低，阿利斯提比斯菌(

Alistipes

)，巴氏桿菌(

Barnesiella

)和普雷沃氏菌(

Prevotella

)等有益菌屬的豐度升高，另外還提高了SCFAs產(chǎn)生菌梭狀芽胞桿菌(

C.Cluster IV

，

C.Cluster XIV

，

C.ClusterXIVa

)簇群的相對(duì)豐度，上調(diào)小鼠腸上皮屏障中的G蛋白偶聯(lián)受體(G Protein-coupled Receptors，GPCR)的基因表達(dá)，而GPCR在腸上皮細(xì)胞表面表達(dá)，能夠促進(jìn)腸內(nèi)環(huán)境平衡和調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)骨形成。這些研究也體現(xiàn)了腸道菌群在紅外光改善骨代謝中的介導(dǎo)作用。

3.2 腸道微生物介導(dǎo)紫外、紅外光照影響骨代謝的可能機(jī)制

通過(guò)上述文獻(xiàn)分析，可以認(rèn)為紫外紅外光能夠通過(guò)腸骨軸發(fā)揮改善骨代謝的功能，其潛在的機(jī)理可能如圖1所示。

圖1 腸道菌群介導(dǎo)紫外紅外影響骨代謝的可能代謝途徑Fig.1 Intestinal flora mediates possible metabolic pathways of ultraviolet and infrared effects on bone metabolism

首先，經(jīng)適量的紫外、紅外光照射后，腸道菌群會(huì)響應(yīng)外界刺激變化，導(dǎo)致代謝產(chǎn)物變化，主要是SCFAs的增加，影響鈣離子代謝通路和其他細(xì)胞因子的分泌，進(jìn)而影響骨代謝。例如，紫外、紅外光照射后，宿主腸道菌群中產(chǎn)SCFAs菌的豐度都升高，目前普遍的機(jī)制認(rèn)為腸道微生物發(fā)酵產(chǎn)生的SCFAs降低了腸道內(nèi)腔的PH值，提高了鈣、鎂、鐵等礦物質(zhì)的吸收，進(jìn)而影響了宿主的骨代謝。SCFAs除了可以影響離子代謝通路外，還可以誘導(dǎo)細(xì)胞因子的分泌來(lái)調(diào)控骨代謝。用微生物代謝產(chǎn)物SCFAs補(bǔ)充經(jīng)抗生素處理的小鼠后，可使IGF-1和骨量恢復(fù)到未經(jīng)抗生素處理小鼠的水平，由此可推測(cè)出SCFAs的產(chǎn)生可能是微生物群增加血清IGF-1的機(jī)制之一。為了進(jìn)一步闡明SCFAs在影響骨代謝中的作用機(jī)制，Lucas等用適量的SCFAs和可被腸道菌發(fā)酵生成SCFAs的高纖維飲食喂養(yǎng)小鼠發(fā)現(xiàn)可顯著增加骨量，預(yù)防骨量丟失，SCFAs對(duì)骨骼的保護(hù)作用與抑制破骨細(xì)胞分化和骨吸收有關(guān)。微生物的代謝產(chǎn)物也連接著腸道免疫和腸道微生物群，可以通過(guò)影響宿主腸道通透性及免疫狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)骨代謝。例如，丁酸鹽通過(guò)激活腸上皮細(xì)胞(Intestinal Epithelial Cells，IECs)中的G蛋白偶聯(lián)受體(GPR43或GPCR109A)來(lái)影響NLRP3(Nucleotide-binding Oligomerization Domain，Leucine-rich Repeat and Pyrin Domain-containing 3)炎性小體，促進(jìn)下游炎性細(xì)胞因子IL-18的表達(dá)，調(diào)節(jié)宿主和微生物群之間的相互作用，從而促進(jìn)上皮修復(fù)和維持屏障功能。SCFAs還被證明通過(guò)G蛋白偶聯(lián)受體直接影響交感神經(jīng)系統(tǒng)，從而控制宿主能量消耗以維持代謝穩(wěn)態(tài)。

其次，特殊光照除了誘導(dǎo)產(chǎn)生SCFAs菌的變化外，還可以調(diào)節(jié)厚壁菌門(mén)/擬桿菌門(mén)的比例；而厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)作為腸道菌群中的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)，與腸道健康密切相關(guān)，其比例變化已被證明會(huì)改變腸道通透性；而腸道通透性的變化又會(huì)導(dǎo)致腸道免疫狀態(tài)的改變，會(huì)對(duì)骨代謝產(chǎn)生重要影響。比較有趣的一點(diǎn)是，紫外光處理后宿主腸道內(nèi)的厚壁菌門(mén)/擬桿菌門(mén)的比值是升高的，而在經(jīng)紅外光處理后該比值是降低的，盡管可能是受到不同模型動(dòng)物的影響，但其具體原因還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

最后，在健康的腸道中，微生物群和腸道免疫系統(tǒng)相互作用以維持體內(nèi)代謝平衡。從目前的數(shù)據(jù)還難以說(shuō)明在特殊光照后是免疫狀態(tài)先發(fā)生了改變，還是腸道微生物先發(fā)生了改變，亦或二者同時(shí)對(duì)光照變化產(chǎn)生了反應(yīng)，因此對(duì)于紫外和紅外是否都能通過(guò)影響免疫來(lái)影響腸道微生物，進(jìn)而調(diào)節(jié)骨代謝還需要更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明。

4 展望

隨著中國(guó)載人航天工程、深海探測(cè)工程的逐步推進(jìn)，未來(lái)航天員、深潛人員將長(zhǎng)期生活工作于密閉空間的人工光照環(huán)境。由于當(dāng)前的人工照明光缺乏紫外紅外光，必然會(huì)加劇和誘發(fā)密閉隔離環(huán)境人員骨密度下降、骨量降低、骨質(zhì)疏松。而探究光-菌群-腸骨軸信號(hào)通路的作用機(jī)制，將自然光照中的有益波段加入到人工光中，與對(duì)骨生長(zhǎng)有益的微生物聯(lián)合使用是一個(gè)改善航天員、深潛人員骨骼健康的新思路。

1)相比于紫外紅外和腸道微生物單獨(dú)對(duì)骨代謝影響的研究，對(duì)于腸道微生物介導(dǎo)紫外、紅外進(jìn)而影響骨代謝的研究，目前還缺少系統(tǒng)地將光和微生物以及骨代謝組合進(jìn)行分析的研究，不同補(bǔ)光措施下屬水平菌群的變化、優(yōu)勢(shì)菌群之間的相互影響以及菌群基因功能變化對(duì)骨代謝的影響機(jī)制也需更深入分析。其次，針對(duì)于紫外、紅外照射影響骨代謝的研究中，大多數(shù)的照射處理都是運(yùn)用點(diǎn)照射方法，且上述研究中可供選擇的波長(zhǎng)和劑量很多，紫外、紅外照射的劑量，時(shí)間，照射部位等以及在特殊環(huán)境下(深空、深海)的生物效應(yīng)如何還有待進(jìn)一步的研究。

2)紫外、紅外光照射會(huì)導(dǎo)致宿主腸道菌群發(fā)生改變，而且變化的腸道菌群中，有一部分已經(jīng)被證明可以調(diào)節(jié)骨代謝。但現(xiàn)有研究中，只停留在發(fā)現(xiàn)了腸道菌群發(fā)生的變化和宿主生理代謝分子的改變，菌群變化的深層次原因還有待進(jìn)一步研究；而且在探究菌群變化時(shí)，紫外、紅外光照的作用對(duì)象大多數(shù)研究者選擇的是健康狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，之后的研究中應(yīng)當(dāng)考慮針對(duì)性地使用骨流失實(shí)驗(yàn)動(dòng)物來(lái)觀察與骨代謝相關(guān)的腸道菌群變化。

3)還需重點(diǎn)關(guān)注光照導(dǎo)致的菌群變化，在變化的菌群中篩選出與骨生長(zhǎng)高度相關(guān)的菌株，并對(duì)篩選出的菌株進(jìn)行優(yōu)化組合，構(gòu)建光響應(yīng)改善骨代謝的人工腸道有益菌。