紫外紅外光對骨代謝及腸道菌群影響的研究進展

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題。目前載人航天器、潛艇的人工照明系統(tǒng)多為節(jié)能長壽命的白光LED，其光譜與太陽光存在顯著不同，主要表現(xiàn)為不包含紫外與紅外波段。而紫外和紅外光對人體健康具有重要影響。適量的紫外光照射可以增強人體免疫力，還可以調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)功能，促進機體新陳代謝；而紅外光可以促進機體細(xì)胞活性，促進組織修復(fù)與再生。由于缺乏紫外、紅外等有益波段，長期在人工照明環(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、免疫力下降等問題，還會對人體骨骼產(chǎn)生負(fù)面影響。前期研究已經(jīng)證明，在和平號空間站內(nèi)的人工光照條件下，紫外含量過低不能刺激人體合成充足的維生素D用于骨形成。近年來的研究表明，執(zhí)行長期航行任務(wù)的潛艇艇員與長期室內(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，為了保障長期在密閉隔離環(huán)境中工作人員的骨健康，一個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、紅外光譜對骨代謝的影響機制是設(shè)計健康光源、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、紅外光譜可能通過免疫、代謝等其他途徑間接影響骨代謝。越來越多的研究證明，紫外、紅外光療會產(chǎn)生明顯的全身效應(yīng)，將紫外或紅外照射應(yīng)用于身體的一個部位，可對遠(yuǎn)程器官產(chǎn)生有益結(jié)果。這提示紫外、紅外照射可能通過影響其他部位進而進一步影響骨代謝。近年來的腸骨軸研究證實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、紅外光照對骨代謝、腸道菌群影響的研究進展，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 紫外光照射對骨代謝的影響

適量的紫外光照射能夠促進維生素D的合成進而改善骨代謝。紫外(UV)B輻射(280～320 nm)是太陽紫外光譜(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)用于人或動物補充維生素D，促進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的效率是太陽的2.4倍。另一項針對于維生素D缺乏癥患者的隨機臨床試驗證明，每周進行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。動物實驗發(fā)現(xiàn)，在人工照明環(huán)境下補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，并且對皮膚無不良影響。最近一項采用新型紫外LED裝置對缺乏維生素D的衰老加速小鼠模型進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度也有顯著增長，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，還可以通過免疫途徑影響骨代謝。先前的研究已經(jīng)表明，紫外光通過增加循環(huán)Treg細(xì)胞數(shù)量進而分泌更多的白細(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，已被證實對去卵巢小鼠骨質(zhì)疏松的治療有明顯作用。

2.2 紅外光照射對骨代謝的影響

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

1)由于紅外光對組織的高滲透性，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。如體外細(xì)胞實驗表明，LED紅外照射(880 nm；8 J/cm；50 mW/cm)可使小鼠來源的成纖維細(xì)胞、大鼠來源的成骨細(xì)胞和骨骼肌細(xì)胞的體外培養(yǎng)生長速度提高140%～200%；人體實驗還表明，LED紅外照射(880 nm；4 J/cm；10 mW/cm)治療使海豹突擊隊隊員的肌肉骨骼訓(xùn)練損傷改善了40%以上，并縮短了美國海軍潛艇上船員的傷口愈合時間，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)過程加快，并改善了新形成骨的質(zhì)量。Pinheiro等進一步的實驗還發(fā)現(xiàn)無論是否植入生物材料，紅外LED照射都能改善骨愈合和生長。Aicole研究表明，以骨質(zhì)疏松大鼠模型為實驗材料，紅外LED照射治療可刺激成纖維細(xì)胞膠原沉積的增加，進而改善骨質(zhì)疏松。

2)紅外光還可以通過改善血液循環(huán)，調(diào)節(jié)機體免疫功能，提升巨噬細(xì)胞吞噬能力和炎癥因子的分泌來影響骨代謝。Xavier等研究了紅外LED對大鼠炎癥過程的影響，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，已被證明可促進骨吸收。而TNF-α是骨分解的動因之一，具有促進骨吸收，抑制骨形成的作用。在另一項將紅外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關(guān)節(jié)軟骨表面失穩(wěn)的保護作用。

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增強免疫功能，間接影響腸道微生物群。在一項以加拿大健康女性為實驗對象的研究中發(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，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，同時股骨力學(xué)參數(shù)和骨密度均有所升高。Fukuda等的研究證實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?？寡准?xì)胞因子分泌的增加，可以有效抑制骨吸收，同時還可以促進骨形成。

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照射對腸道微生物組的影響，發(fā)現(xiàn)無論飲食中是否存在維生素D，長期暴露在UVB下都會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，SCFAs本身可以調(diào)節(jié)胰島素樣生長因子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。紅外光照射也會對腸道菌群產(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、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度紅外(808 nm)激光照射，提取糞便中的DNA后，對其進行16S rRNA基因測序，與對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，有利于粘膜層強化和更好的粘膜完整性。在使用7.7～10μm波長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、疣微菌門豐度增加，厚壁菌門減少。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(

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)，能夠促進腸內(nèi)環(huán)境平衡和調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)，進而促進骨形成。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制

通過上述文獻分析，可以認(rèn)為紫外紅外光能夠通過腸骨軸發(fā)揮改善骨代謝的功能，其潛在的機理可能如圖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)胞因子的分泌來調(diào)控骨代謝。用微生物代謝產(chǎn)物SCFAs補充經(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，由此可推測出SCFAs的產(chǎn)生可能是微生物群增加血清IGF-1的機制之一。為了進一步闡明SCFAs在影響骨代謝中的作用機制，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對骨骼的保護作用與抑制破骨細(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，可以通過影響宿主腸道通透性及免疫狀態(tài)來調(diào)節(jié)骨代謝。例如，丁酸鹽通過激活腸上皮細(xì)胞(Intestinal Epithelial Cells，IECs)中的G蛋白偶聯(lián)受體(GPR43或GPCR109A)來影響NLRP3(Nucleotide-binding Oligomerization Domain，Leucine-rich Repeat and Pyrin Domain-containing 3)炎性小體，促進下游炎性細(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，從而促進上皮修復(fù)和維持屏障功能。SCFAs還被證明通過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/擬桿菌門的比例；而厚壁菌門和擬桿菌門作為腸道菌群中的優(yōu)勢菌門，與腸道健康密切相關(guān)，其比例變化已被證明會改變腸道通透性；而腸道通透性的變化又會導(dǎo)致腸道免疫狀態(tài)的改變，會對骨代謝產(chǎn)生重要影響。比較有趣的一點是，紫外光處理后宿主腸道內(nèi)的厚壁菌門/擬桿菌門的比值是升高的，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物的影響，但其具體原因還有待進一步實驗驗證。

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，亦或二者同時對光照變化產(chǎn)生了反應(yīng)，因此對于紫外和紅外是否都能通過影響免疫來影響腸道微生物，進而調(diào)節(jié)骨代謝還需要更多的實驗來證明。

4 展望

隨著中國載人航天工程、深海探測工程的逐步推進，未來航天員、深潛人員將長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-腸骨軸信號通路的作用機制，將自然光照中的有益波段加入到人工光中，與對骨生長有益的微生物聯(lián)合使用是一個改善航天員、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對骨代謝影響的研究，對于腸道微生物介導(dǎo)紫外、紅外進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行分析的研究，不同補光措施下屬水平菌群的變化、優(yōu)勢菌群之間的相互影響以及菌群基因功能變化對骨代謝的影響機制也需更深入分析。其次，針對于紫外、紅外照射影響骨代謝的研究中，大多數(shù)的照射處理都是運用點照射方法，且上述研究中可供選擇的波長和劑量很多，紫外、紅外照射的劑量，時間，照射部位等以及在特殊環(huán)境下(深空、深海)的生物效應(yīng)如何還有待進一步的研究。

2)紫外、紅外光照射會導(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一步研究；而且在探究菌群變化時，紫外、紅外光照的作用對象大多數(shù)研究者選擇的是健康狀態(tài)的實驗動物，之后的研究中應(yīng)當(dāng)考慮針對性地使用骨流失實驗動物來觀察與骨代謝相關(guān)的腸道菌群變化。

3)還需重點關(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高度相關(guān)的菌株，并對篩選出的菌株進行優(yōu)化組合，構(gòu)建光響應(yīng)改善骨代謝的人工腸道有益菌。