UVC技術(shù)滅活常見病原微生物研究現(xiàn)狀及臨床應(yīng)用

吳明娥，周古翔，李振宇，李艷，張雨馳,3b，袁力蓉，吳榮謙，呂毅

1.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 a.陜西省再生醫(yī)學(xué)與外科工程研究中心；b.精準(zhǔn)外科與再生醫(yī)學(xué)國家地方聯(lián)合工程研究中心；c.肝膽外科，陜西 西安 710061；2.陜西省磁醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；3.西安交通大學(xué) a.醫(yī)學(xué)部；b.電信學(xué)部，陜西 西安 710061

引言

隨著微生物對抗微生物藥物耐藥性的產(chǎn)生，耐藥細(xì)菌、真菌感染發(fā)病率和死亡率的上升已成為影響公眾健康的重要公共衛(wèi)生問題[1]。微生物對不同類別的抗真菌、細(xì)菌類藥物都可能產(chǎn)生耐藥性，抗生素耐藥性導(dǎo)致患者患病時間更長、死亡風(fēng)險(xiǎn)增加[2-3]。同時，隨著冠狀病毒引起的幾次全球性呼吸道疾病大流行對人民生命健康及經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的巨大威脅與損失[4]，探索高效、快捷、安全的防治策略來彌補(bǔ)傳統(tǒng)治療方法的不足和應(yīng)對公共衛(wèi)生突發(fā)事件成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢。

紫外線（100～400 nm）根據(jù)其波長可分為A 波段紫外線（315～400 nm，Ultraviolet A，UVA）、B 波段紫外線（280～315 nm，Ultraviolet B，UVB）、C 波段紫外線（200～280 nm，Ultraviolet C，UVC）和真空紫外線（100～200 nm， Vacuum Ultraviolet，VUV）[5]。UVC較UVA 和UVB 穿透力弱，且具有巨大的殺菌消毒潛力，目前，UVC 已被廣泛開發(fā)應(yīng)用于工業(yè)消毒、食品安全、環(huán)境安全及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域[6-8]。UVC 技術(shù)可選擇特定波長滅活不同病灶部位的不同病原微生物，兼具普適與廣泛性，可以彌補(bǔ)抗微生物藥物治療的不足[9]。研究表明暴露于254 nm 紫外線可能存在健康風(fēng)險(xiǎn)，如皮膚灼傷、角膜損傷、白內(nèi)障風(fēng)險(xiǎn)等[10-11]，而對病毒、細(xì)菌和真菌仍具有滅活作用的222 nm 紫外線具有一定的生物安全性[12-13]。因此，為應(yīng)對抗微生物藥物耐藥性的問題，如何安全有效地借助UVC 技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域已成為近年來的研究熱點(diǎn)。本文對比分析了UVC 滅活常見病原微生物的作用機(jī)制、滅活效果及影響因素，分析了UVC 技術(shù)臨床應(yīng)用的生物安全性，并歸納UVC 技術(shù)設(shè)備在臨床應(yīng)用的研究進(jìn)展，以期為未來研究提供參考。

1 UVC滅活病原微生物的主要作用機(jī)制

1.1 遺傳物質(zhì)的損傷和ATP的衰減

UVC 滅活病原微生物的作用機(jī)制與誘導(dǎo)DNA 的損傷和基因組復(fù)制的中斷有關(guān)[14]，通過UVC 輻射形成兩大類致DNA 突變的損傷產(chǎn)物，其中最主要的為嘧啶二聚體，UVC 可引起環(huán)丁烷嘧啶二聚體、嘧啶酮光產(chǎn)物以及相關(guān)的杜瓦價鍵異構(gòu)體的改變，從而阻止DNA 復(fù)制和基因表達(dá)，以滅活病原微生物[15-17]。有研究比較了低壓UV 汞燈、中壓UV 汞燈、265 nm、285 nm 和222 nm 5 種不同紫外光源對耐氯菌的滅活效果，并對病原微生物滅活機(jī)制進(jìn)行了分析[18]，結(jié)果顯示265 nm 的殺菌效果最佳，低壓UV 汞燈、中壓UV 汞燈與222 nm 的滅菌效果相當(dāng)，285 nm 最弱，222 nm 在對病原微生物的滅活機(jī)制中與其他波長存在差異，222 nm 除直接作用于DNA 外，還通過對細(xì)菌ATP 的直接降解作用以及誘導(dǎo)活性氧形成從而破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響細(xì)菌活性，造成細(xì)菌損傷，這是區(qū)別于其他紫外光源的新消毒機(jī)制。

1.2 細(xì)胞膜損傷和細(xì)胞內(nèi)酶失活

Ha 等[19]比較了222 nm 與254 nm 紫外線對食源性病原體的滅菌效果，結(jié)果顯示222 nm 對大腸桿菌、鼠傷寒沙門菌血清型和單核細(xì)胞增生李斯特氏菌的滅活能力顯著高于254 nm，同時，通過熒光染料碘化丙啶（Propidium Iodide，PI）和羧基熒光素二乙酸酯（Carboxyfluorescein Diacetate，cFDA） 評估了由222 nm 與254 nm UVC 誘導(dǎo)的對病原體細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)酶的損傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)254 nm 處理后的病原體細(xì)胞膜沒有顯著損傷，經(jīng)222 nm 處理后的病原體PI 攝取程度及cFDA 轉(zhuǎn)化值均顯著高于254 nm 處理組。因此，細(xì)胞膜損傷和細(xì)胞內(nèi)酶滅活可能是導(dǎo)致222 nm 殺菌效果增強(qiáng)的主要因素。

1.3 蛋白質(zhì)的破壞

紫外線對核酸／微生物的破壞取決于核酸／微生物對紫外線的吸收和反應(yīng)。Naito 等[20]使用222 nm 與254 nm 紫外線照射大腸桿菌、蛋白酶、寡肽、氨基酸、質(zhì)粒DNA 和核苷，分析DNA/RNA 和蛋白質(zhì)的潛在損傷機(jī)制，研究結(jié)果表明，222 nm 紫外線殺菌機(jī)制主要是蛋白質(zhì)降解，而254 nm 紫外線主要?dú)⒕鷻C(jī)制為核酸破壞。Ong 等[21]使用人類冠狀病毒hCoV-229 E 和hCoVOC 43 探究UVC 對病毒的滅活機(jī)制，結(jié)果顯示277 nm紫外線在滅活人類冠狀病毒方面優(yōu)于254 nm 紫外線，這主要得益于在Trp 436 處，刺突蛋白在277 nm 處降解，而在254 nm 處未被降解。

2 UVC對常見病原微生物的滅活效果

2.1 UVC對真菌的滅活效果

紫外線照射對真菌具有殺滅作用，但由于真菌孢子細(xì)胞壁較厚以及某些真菌具有顏色，導(dǎo)致紫外線殺滅真菌的作用較弱[22]。Song 等[23]研究了UVC-LED（275±10）nm 的深紫外光對感染小鼠模型（糞腸道球菌、大腸埃希菌、白色念珠菌等）的滅菌效果，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組在300 mJ/cm2的275 nm 紫外線照射后，沒有觀察到細(xì)菌或真菌生長。Schleusener 等[24]比較了3 種波長的紫外線（222、233 和254 nm）對兩種念珠菌（病原體白癬菌和副癬菌）的滅菌效果，結(jié)果表明222 nm與254 nm 紫外光在20 mJ/cm2的劑量下，兩種念珠菌的菌落計(jì)數(shù)均顯著減少，3 種波長UVC 均在40 mJ/cm2劑量下表現(xiàn)出較好的殺菌效果，殺菌率可達(dá)98%。

2.2 UVC對病毒的滅活效果

UVC 光目前已被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)及物體表面的病毒消毒，多項(xiàng)研究均表明，UVC 光對病毒滅活效果顯著，且對物體表面腐蝕較少[25-27]。Inagaki 等[28]對SARSCoV-2 進(jìn)行了消毒處理，發(fā)現(xiàn)37.5 mJ/cm2的280 nm 紫外線即可快速滅活90%的SARS-CoV-2。Minamikawa等[29]評估了3 種波長（265、280 和300 nm）UVC 光對SARS-CoV-2 的滅活效果，為達(dá)到99.9%的病毒滅活效果，265、280 和300 nm 所需的總劑量分別為1.8、3.0、23 mJ/cm2。Muramoto 等[30]使用3 種波長（265、275和285 nm）對固體表面的流感病毒（HCoV-229E）進(jìn)行照射，結(jié)果表明病毒滅活效果最佳波長為265 nm，其次為275 nm 和285 nm，其中265 nm 與275 nm 紫外線在25.92 mJ/cm2的劑量下，滅活率可達(dá)99.9%。Ma 等[31]使用4 種波長（222、254、270、282 nm）對噬菌體Phi6和兩種冠狀病毒（HCoV-229E、小鼠肝炎病毒）進(jìn)行照射，結(jié)果表明UVC 設(shè)備可以有效滅活包膜病毒，其中222 nm滅活效率最佳。腺病毒對紫外線消毒具有高度抗性，經(jīng)254 nm 紫外光的照射對腺病毒滅活往往效果不佳[32]，在低于240 nm 的波長下，蛋白質(zhì)對紫外光吸光度最高，220 nm 處的蛋白質(zhì)損傷顯著大于254、261 和278 nm 處。

2.3 UVC對細(xì)菌的滅活效果

Fukuda 等[33]探討了使用265 nm 和280 nm UVC 滅活具核梭桿菌的有效性，結(jié)果顯示兩種波長的深紫外發(fā)光二極管對具核梭桿菌顯示出相似的殺菌效果。該團(tuán)隊(duì)后續(xù)探討了222 nm 深紫外線對大腸桿菌的滅菌性[34]，結(jié)果表明222 nm 深紫外線對大腸桿菌同樣有較好的滅菌效果。有研究探討了254 nm 紫外線對脂環(huán)酸芽孢桿菌的滅菌效果，并觀察其對芽孢孢子和生物膜形成的影響，結(jié)果表明在16.8 kJ/m2的輻照劑量下，酸土脂環(huán)酸芽孢桿菌、草本脂環(huán)酸芽孢桿菌和環(huán)庚脂環(huán)酸芽孢桿菌的孢子數(shù)急劇下降，而酸熱脂環(huán)酸桿菌孢子對UVC 更敏感，在12.6 kJ/m2的輻照劑量下即可觀察到孢子數(shù)急劇下降，所有菌類在UVC 照射下均觀察到生物膜形成減少[35]。Taylor 等[36]檢測了222 nm 紫外線用于殺滅物體表面細(xì)菌孢子的有效性，結(jié)果顯示222 nm 紫外線對蠟狀芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌、艱難梭狀芽孢桿菌有滅活作用。

3 影響UVC滅活常見病原微生物的因素

UVC 波長、輻射劑量以及微生物種類是影響紫外光消毒滅菌的主要因素，除此之外，溫度、濕度和生物特性等其他因素也會對UVC 的消毒滅菌效果產(chǎn)生影響。

3.1 溫濕度

有研究表明較高的相對濕度會降低紫外光的殺菌效果，一方面是因?yàn)檩^高的相對濕度有助于病原微生物的生長和繁殖；另一方面是因?yàn)榄h(huán)境中相對濕度越大，病原微生物周圍形成水層，使病原微生物對UVC 照射的敏感性降低，同時，空氣中存在的大量水分子會對紫外光吸收、折射和反射，削弱了紫外光照射的強(qiáng)度，使紫外光難以達(dá)到最佳消毒效果[37-38]。Wen 等[39]探究了不同溫度（5～35 ℃）對真菌孢子的光復(fù)活與暗修復(fù)作用，結(jié)果表明溫度對真菌孢子的暗修復(fù)沒有顯著影響，但較高的溫度對真菌孢子的光復(fù)活具有一定程度的促進(jìn)作用。Zhang 等[38]比較了在15～16℃、20～21℃、25～26℃下紫外光照射對表皮葡萄球菌、產(chǎn)堿桿菌和大腸桿菌滅菌效果的影響，結(jié)果表明當(dāng)溫度在20～21℃時，其滅菌效果最佳。

3.2 生物特性

研究發(fā)現(xiàn)食品接觸材料的表面粗糙度、表面鋪展系數(shù)等性質(zhì)顯著影響UVC 對微生物的殺滅效果[40-41]。Adhikari 等[42]使用254 nm 紫外線對有機(jī)水果表面大腸桿菌進(jìn)行照射，結(jié)果表明表面粗糙度值高、有凹痕的水果可以保護(hù)微生物細(xì)胞免受UVC 的影響。紫外光的強(qiáng)度隨穿透深度而衰減，除了物體表面屬性影響紫外光滅菌效果外，物質(zhì)本身屬性也會對紫外光滅菌造成影響，對于直接暴露于紫外光照射下的病原微生物滅活效果更佳[43-44]。Duering 等[45]比較了在272 nm 紫外線照射下液體和干燥樣品中大腸桿菌的滅活效果，結(jié)果表明紫外光在液體中的滅活效果優(yōu)于干燥表面樣品中的滅活效果。有研究還證明了飛沫或氣溶膠的存在亦可削弱紫外線對新冠病毒的滅活效果，氣溶膠是由固體或液體小質(zhì)點(diǎn)分散并懸浮在氣體中形成的膠體分散體系，而飛沫本身通常含有相對高濃度的蛋白質(zhì)，這些介質(zhì)的存在可能會限制遠(yuǎn) UVC 輻射穿透氣溶膠，這取決于氣溶膠的直徑和成分，而氣溶膠的直徑和成分又會影響光子向目標(biāo)病原體的傳遞，從而削弱其滅活效果[46]。

4 UVC技術(shù)臨床應(yīng)用生物安全性分析

由于紫外線長期大劑量的照射對人體皮膚和眼睛有害，甚至造成基因突變或癌變等，因此，探索安全系數(shù)高、照射劑量少、消毒滅菌效果好的高效紫外波長具有重要意義。近年來， 222 nm紫外線憑借其生物安全性及消毒滅菌有效性高等優(yōu)勢引起了研究人員的廣泛關(guān)注。Buonanno等[12]通過體內(nèi)外研究報(bào)告了222 nm紫外線照射皮膚組織的安全性，體外研究結(jié)果顯示222 nm紫外線照射未誘導(dǎo)上皮細(xì)胞相關(guān)DNA損傷，體內(nèi)研究表明與254 nm紫外線相比，波長范圍200～222 nm對于暴露組小鼠無相關(guān)的皮膚損傷風(fēng)險(xiǎn)，其原因可能是200～222 nm不能穿透哺乳動物細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)以及具有角質(zhì)層的所有組織。Narita等[47]比較了222 nm與254 nm UVC照射感染耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的小鼠皮膚傷口的安全性與有效性，在照射后第3、5、8和12天評估感染處細(xì)菌計(jì)數(shù)，222 nm UVC的殺菌效果等于或優(yōu)于254 nm UVC，組織學(xué)分析顯示，254 nm照射組對傷口愈合過程中角質(zhì)形成細(xì)胞的遷移造成損害，但在222 nm照射組中未受影響。Yamano等[48]比較了在222 nm與254 nm紫外線長期照射下的安全性，結(jié)果顯示222 nm照射組未誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)，在眼瞼與角膜分析中，254 nm照射組中的小鼠可觀察到白內(nèi)障及角膜混濁，222 nm照射組未觀察到視網(wǎng)膜組織受損。Fukui等[13]探索了222 nm紫外線照射人體背部皮膚的安全性及殺菌效果，結(jié)果顯示在50～500 mJ/cm2的照射劑量下，受試者背部未出現(xiàn)紅斑，皮膚拭子培養(yǎng)物中的細(xì)菌菌落數(shù)顯著減少，表明222 nm UVC照射人體角質(zhì)層區(qū)域的安全性。Sugihara等[49]評估了暴露于222 nm紫外線下1年的6名眼科醫(yī)生的眼部情況，平均每周工作時長為6.7 h，檢查結(jié)果未發(fā)現(xiàn)受試者出現(xiàn)角膜糜爛、結(jié)膜充血和眼瞼皮膚紅斑等急性不良事件，也未發(fā)生翼狀胬肉、白內(nèi)障或眼瞼腫瘤等慢性不良事件，受試期間視力、屈光不正和角膜內(nèi)皮細(xì)胞密度未發(fā)生改變。上述研究證實(shí)了222 nm UVC用于人類皮膚消毒滅菌的安全性與有效性，這為紫外線殺菌技術(shù)拓展至臨床提供了新思路，但對于短波紫外線在臨床的推廣與應(yīng)用尚需要更多學(xué)者進(jìn)行體內(nèi)與體外實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證與研究。

5 UVC技術(shù)設(shè)備的臨床應(yīng)用

鑒于UVC 對空氣、食品、物體表面和醫(yī)療設(shè)備等的消毒滅菌潛力，近年來用于消毒的UVC-LED 普及率激增。由于安裝UVC-LED 消毒范圍受限，因此，改良與研發(fā)UVC 設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，代表性的市售UVC 設(shè)備主要為深紫外線消毒機(jī)器人。目前，市面已有用于在醫(yī)院環(huán)境中對抗微生物傳播的UVC 機(jī)器人，這些機(jī)器人的設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅擁有UVC 消殺系統(tǒng)，還擁有距離傳感器、視頻識別系統(tǒng)以及用于感應(yīng)人體安全距離且可實(shí)現(xiàn)自動關(guān)斷的微波傳感器，如i-Robot[50]，UVBot[51]，AIDBOT[52]等，該類UVC 機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)99%的病毒滅活率，且能通過Wi-Fi 或在智能手機(jī)上進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，是進(jìn)行空間安全消殺的理想選擇。由于目前大多數(shù)市面上可用的UVC 機(jī)器人通常使用低壓汞燈或脈沖氙燈陣列，所需功耗高且不適合有人同時在場的情況下操作。于是，有研究者開發(fā)了一種優(yōu)于市售UVC 機(jī)器人的UVC機(jī)器人（G-Robot）[53]，其優(yōu)勢在于增加了可用于被其他物體遮擋也能順利消殺的紫外線消毒機(jī)械臂以及與人類皮膚直接接觸具有安全性的遠(yuǎn)紫外線（222 nm），進(jìn)一步提高了紫外消毒機(jī)器人的適用范圍及使用安全性，目前該研究將繼續(xù)評估G-robot 在臨床環(huán)境中的有效性。我國近年來亦有一大批研究者致力于紫外線消毒機(jī)器人的研發(fā)與改良，如盛飛科儀器（上海）有限公司盧毅團(tuán)隊(duì)公開發(fā)明了一種使用遠(yuǎn)紫外線的消毒機(jī)器人，包括遠(yuǎn)紫外線消殺系統(tǒng)、視頻識別系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)，其遠(yuǎn)紫外消殺波長范圍為200～300 nm，視頻識別系統(tǒng)可用于自動識別人機(jī)距離，從而實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)下自動規(guī)避人類[54]。

6 總結(jié)與展望

本文綜述了近年研究中UVC 對常見病原體微生物的作用機(jī)制、影響因素及滅活效果，探討了UVC 技術(shù)應(yīng)用于臨床的生物安全性，并簡要介紹了該技術(shù)在設(shè)備上的臨床應(yīng)用進(jìn)展。波長范圍為200～280 nm 的各種波長的UVC 對常見病原體微生物均表現(xiàn)出較好的滅活效果，其中，波長范圍為200～233 nm 的紫外線對病毒滅活較為顯著，可能由于在低于240 nm 的波長下，蛋白質(zhì)對紫外光吸光度更高，而波長范圍為254～275 nm 的紫外線對細(xì)菌滅活較為顯著，基于紫外線照射對人體安全性的考慮，體內(nèi)或體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，222 nm 波長的紫外線更具有安全性。對于未來研究，有必要對200～233 nm 波長范圍內(nèi)的紫外線進(jìn)行更多的臨床實(shí)驗(yàn)，以加快該技術(shù)在設(shè)備上的研發(fā)，最大限度地提高其臨床適用范圍。