重大突破

　　蓝光（400-480nm）抗感染治疗是光治疗的主要应用方向之一，可广泛应用于治疗真菌、细菌等微生物感染，具有无痛、副作用低、不产生抗药性等优点。其主要机理是光通过细胞内自然存在的光敏剂对微生物产生的氧化毒性，造成细胞膜的破裂、DNA的损害，进而导致细胞凋亡。尽管蓝光抗微生物感染治疗的有效性和定性机理已经在许多文献中得到证明，但针对蓝光治疗在细胞和动物层面的有效性和安全性的研究尚不多见。另外，针对不同波长和不同辐射能量密度的光造成微生物细胞内的活性氧自由基（ROS）含量变化的数学建模方面的研究更是少之又少。因此，基于现有技术，尚不足以对光的波长、能量密度等关键参数对治疗效果的影响进行定量计算和分析。 

　　为了解决上述问题，苏州医工所董建飞课题组近年来系统开展了蓝光抗真菌感染治疗的机理、光诱导ROS的动力学过程建模与量效关系研究，并基于数学模型分析了蓝光治疗的有效性和安全性等方面取得了一系列重要成果。 

　　在体外实验中蓝光治疗的有效性和安全性的方面，董建飞课题组王天峰等人在Lasers in Medical Science 发表了题为Blue light therapy to treat Candida vaginitis with comparisons of three wavelengths: an in vitro study的论文，研究了405nm、415nm和450nm三种波段的蓝光抗微生物感染治疗的效果和安全性，实验选用白色念球菌和人体上皮黏膜细胞。根据实验数据分析了不同波长蓝光的剂量（或刺激时间）对真菌和上皮细胞的存活率的影响，建立了不同剂量（光子能量、能量密度）的光对真菌存活率影响的数学模型。其仿真结果如图1所示。 

　　图1 不同蓝光参数对真菌和上皮细胞存活率的影响：（a）存活率之间的直接数学关系；（b）根据数学模型计算的不同剂量的蓝光对真菌存活率的影响 

　　在动物实验中蓝光治疗对上皮组织真菌感染的治疗效果的方面，董建飞课题组的赵昀、张云楚等人在Lasers in Medical Science 发表了题为Evaluating the efficacy of anti-fungal blue light therapies via analyzing tissue section images的论文，提出了基于组织切片图像处理的光治疗真菌感染效果分析的方法。相对于现有技术中由体表取菌并通过平板计数，或者通过使用特殊的荧光型真菌菌株直接进行在体实验和成像的方法，本方法可以揭示真菌感染的深度分布信息，具体方法如图2所示。结果说明180J/cm²（60min）的光剂量可显著抑制感染到上皮组织内的真菌，从而阻止其进一步向皮肤深层入侵。 

　　图2 基于组织切片图像处理的光治疗真菌感染效果分析：（a）图像处理方法；（b-e）蓝光治疗后在上皮组织的不同深度的真菌存活率，在第二层（35.75 ～ 71.5μm）只有60min的实验组与对照组有差异性（P=0.0003），在第三层（71.5 ～ 107.25μm）45min（p=0.004）和60min（p=0.0003）都有显著性差异，而在任何光剂量下第一层（0 ～ 35.75μm）中的真菌含量均无显著下降 

　　在数据驱动量效建模方面，该团队在IEEE Access发表了题为Data driven modeling of the reactive oxygen species stimulated by photon energy in light therapies的论文，建立了光刺激造成的ROS含量动态变化的数学模型，基于模型分析了蓝光治疗的有效性和安全性。现存研究报道中没有对蓝光在真菌细胞内诱导的ROS进行定量建模的研究。通过实验测量了四种波段的蓝光在真菌和人体上皮细胞内产生的ROS含量变化，基于数据建立了一种一阶积分器模型，并将蓝光的波长（或光子能量E_p）和累积能量密度（H_e）作为输入变量，将ROS含量作为输出变量，建立了数学模型。使用该模型计算得到的不同光子能量（E_p）和累积能量密度（H_e）引起的ROS含量变化如图3所示。该数学模型证明当E_p =2.8~3eV时，在相同的剂量刺激下，所研究的真菌内的ROS增量是最多的。 

　　上述三篇论文最近被美国麻省总医院和哈佛大学医学院的光治疗团队在Advanced Drug Delivery发表的题为Antimicrobial Blue Light: A ‘Magic Bullet’ for the 21st Century and Beyond？中大段引用。

　　近日，该团队又进一步研究，在IEEE Transactions on Biomedical Engineering 发表了题为Analyzing efficacy and safety of anti-fungal blue light therapy via kernel-based modeling the reactive oxygen species induced by light的论文。该团队采用基于核函数（kernel）的非线性回归模型（NARX）改进了上述一阶积分器模型。该模型可以更精确地模拟光刺激ROS的复杂动力学过程，可将模型的拟合误差大约降低一半。在此基础上，团队正在继续深入研究光诱导细胞内单线态氧的动力学过程模型及其物理意义和剂量计算方法。 

　　图3 光刺激造成的ROS含量动态的数学建模：（a）由一阶积分器模型仿真的真菌细胞内的ROS含量随E_p和H_e的变化；（b）非线性NARX动力学模型对真菌细胞内的ROS数据的拟合结果 

　　该研究获得了国家自然科学基金、科技部重点研发计划等项目资助。 

　　论文链接： 

　　[1] T. Wang, J. Dong*, H. Yin and G. Zhang. Blue light therapy to treat Candida vaginitis with comparisons of three wavelengths: an in vitro study. Lasers in Medical Science, 35: 1329–1339, 2020.  https://link.springer.com/article/10.1007/s10103-019-02928-9 

　　[2] Y. Zhao, Y. Zhang, J. Dong*. Evaluating the efficacy of anti-fungal blue light therapies via analyzing tissue section images. Lasers in Medical Science, early access, 2021.  https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10103-021-03319-9 

　　[3] J. Dong* and T. Wang. Data driven modeling of the reactive oxygen species stimulated by photon energy in light therapies. IEEE Access (IEEE生物医学工程学会特刊), 8: 18196–18206, 2020. https://ieeexplore.ieee.org/document/8964389/ 

　　[4] L.G. Leanse, et. al. Antimicrobial Blue Light: A ‘Magic Bullet’ for the 21st Century and Beyond?, Advanced Drug Delivery Reviews, 180: 114057. 2022”  https://doi.org/10.1016/j.addr.2021.114057 

　　[5] T. Wang, J. Dong*, and G. Zhang. Analyzing efficacy and safety of anti-fungal blue light therapy via kernel-based modeling the reactive oxygen species induced by light. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, early access, 2022. https://ieeexplore.ieee.org/document/9695174/keywords#keywords