光动力学疗法在感染性疾病中的应用

潘甜甜，刘成程，叶峰

(1.西安交通大学第一附属医院感染性疾病科，西安 710000； 2.西安交通大学医学部基础医学院病原微生物与免疫学系，西安710000)

据世界卫生组织2018年报道，导致人类死亡的前10种疾病就包含3种感染性疾病[1]。随着抗生素、抗真菌药物和抗病毒药物的大量使用，人类在抗感染领域取得了飞速发展，但同时也带来了一些危及人类健康的新问题(如广谱耐药菌的产生)，使感染性疾病的治疗仍然困难。而最后一类新抗生素(达霉素，一种脂肽)的研究始于2003年[2]，新抗生素的发明逐年稳定地减少，因此临床上迫切需要新的治疗方法应用于抗微生物领域。光动力学疗法(photodynamic therapy，PDT)对感染性疾病的治疗具有独特的优势，与传统的抗菌药物相比，PDT对宿主组织的有害作用更少，由于致病菌等增生性细胞对无毒光敏剂的选择性摄取，且光动力反应仅发生在照射区域，所以PDT对宿主组织的选择性更高[3]。更重要的是，被释放的活性氧类的非特异性作用不易诱发任何耐药机制[4]。目前光敏剂已有三代，第一代光敏剂以血卟啉衍生物为代表；第二代光敏剂大多是从第一代光敏剂优化而来，代表药物有叶绿素降解产物、5-氨基酮戊酸、亚甲蓝、酞菁类、金丝桃素以及血卟啉单甲基咪等；第三代光敏剂主要解决生物相容性，包括与各种物质交联的npe6(Mone-L-Aspartyl Chlorin e6)和酞菁类，尚处于动物研究阶段。PDT最初应用于肿瘤的治疗，随着研究的不断深入，发现PDT对细菌、病毒以及真菌等感染性疾病也具有良好的效果。现就PDT在感染性疾病中的作用予以综述。

1 PDT治疗细菌感染性疾病

1.1PDT对常见细菌的杀伤作用 PDT可以杀灭多种常见细菌，其中球菌以金黄色葡萄球菌、链球菌为主。金黄色葡萄球菌可被多种不同种类的光敏剂(如5-氨基酮戊酸、亚甲蓝、姜黄素、竹红菌甲素、吩噻嗪类、卟啉类)所介导的PDT杀灭。近年来，学者们致力于新型人工合成类光敏剂的研究，如各种叶绿素类、卟啉类、酞菁类与纳米材料的结合物，但大多数仍为体外实验，部分体内研究常见于牙周疾病及烧伤模型中。生物膜的形成是金黄色葡萄球菌感染治疗的难题，Rosa等[5]用感染金黄色葡萄球菌的人骨标本为模型的研究发现，以亚甲蓝为光敏剂的PDT成功减少了骨中金黄色葡萄球菌生物膜的形成；另外，正丁基蓝和孔雀石绿也被证实可减少人骨中金黄色葡萄球菌生物膜的产生[6]，这为治疗顽固性金黄色葡萄球菌感染提供了思路。常见的链球菌为肺炎链球菌和变形链球菌。对变形链球菌的研究最多，常见于牙科疾病，姜黄素、甲苯胺蓝、玫瑰红、亚甲蓝、红素及卤素、二氧化钛、吲哚菁绿等均可作为光敏剂参与治疗致龋性变形链球菌。而肺炎链球菌的相关研究均为体外实验，吲哚菁绿和吩噻嗪类是常见的PDT体外治疗肺炎链球菌的光敏剂。另外，PDT还可杀灭一些临床常见的球菌(如粪肠球菌、铜绿假单胞菌[7]、卡他莫拉菌[8])。

PDT对于杆菌同样具有杀伤作用。蜡样芽孢杆菌[9]、枯草芽孢杆菌[10]可经PDT灭活；幽门螺杆菌在PDT作用下，菌落数减少了99.9%[11]；伤寒沙门杆菌数量在PDT作用后也可以减少1～7 log10 CFU/mL[12]。对于少见杆菌，如洋葱伯克霍尔德菌[13]、假结核耶尔森菌、单核增生李斯特菌[14]、流感嗜血杆菌等也可经PDT杀灭。

另外，PDT对于弧菌也有效，Wu等[15]证实，10 μmol/L 和20 μmol/L姜黄素激发的PDT治疗可使副溶血性弧菌减少超过6.5 log10 CFU/mL；Deng等[16]用亚甲蓝与激光联合处理产生的光动力学效应能显著抑制副溶血性弧菌的生长，其失活率>99.99%。

综上，PDT治疗各种细菌的研究大多为体外实验，通过比较治疗前后菌落大小、数量，对比治疗后细菌代谢活性变化以及采用电子显微镜、共聚焦显微镜、免疫固定电泳等方法探究治疗后细菌的细胞结构及蛋白质、DNA的变化。少数体内实验也常应用小鼠等动物表皮感染模型来探讨PDT的疗效，而对于体内侵袭性细菌感染的研究几乎是空白。人体细菌感染更多的是侵袭性感染(如肺炎、菌血症)，由于光的穿透性、光敏剂靶向性、安全性等问题，PDT能否真正用于人体细菌感染仍存在许多质疑，需要深入研究和探索。随着新型光敏剂不断被合成、传统光敏剂不断被改进以及越来越多的机制研究等，PDT有望在临床上得到广泛应用。

1.2PDT对耐药菌的杀伤作用 PDT不仅能够有效杀灭常见的细菌，对于耐药菌感染也具有独特的优势。有学者预测，到2050年抗菌耐药将导致全球约1 000万人死亡，超过癌症和其他疾病造成的死亡，成为人类疾病死亡的首因[17]。临床上常见的耐药菌主要包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、产超广谱β-内酰胺酶细菌、耐万古霉素的肠球菌、多重耐药鲍曼不动杆菌和多重耐药铜绿假单胞菌5种。这些耐药细菌，特别是多耐药和耐多药的细菌对常用抗生素均有明显的抗药性，但PDT对这些细菌均具有显著的杀灭效果。研究发现，对于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，除了常见的卟啉类和吩噻嗪类外，更有多种新型人工合成的光敏剂(如阳离子卟啉衍生物、RLP068/Cl及氧化锌纳米粒)，且体内、体外实验均证实PDT对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的作用效果[18-26]；耐多药的大肠埃希菌可被甲苯胺蓝介导的PDT灭活[27]；耐多药鲍曼不动杆菌可被新型氨基酸卟啉偶联物4所介导的PDT灭活[28]；对于耐多药铜绿假单胞菌，乙二胺四乙酸可作为PDT的光敏剂诱导细菌的灭活[29]。也有相关动物实验研究证实，PDT对耐药菌感染具有很好的效果，如以亚甲蓝为光敏剂，用对碳青霉烯类耐药的铜绿假单胞菌感染耳朵的犬做实验，术后第7天临床症状完全消失，且从第7天开始所采集的标本中均未发现细菌[30]。

耐药菌治疗一直是临床的棘手问题，PDT给人们提供了一种新的治疗方法。但PDT对于耐药菌的治疗也存在一定的局限性，如缺乏大量的随机对照试验，尚不能对PDT的疗效做出准确评价。目前体内实验仅局限于动物实验或烧伤感染人群的皮肤，缺少耐药菌引起的败血症等治疗的研究，也缺少评断标准，因此PDT作为一种治疗耐药菌感染的新方法，还需要更长期的探索。

1.3PDT杀伤细菌的机制 目前认为PDT杀灭细菌的机制主要有两种：直接损伤质膜，原子力显微镜下显示，PDT可以有效地破坏细菌的膜和壁，导致内容物泄漏而造成细菌死亡[31]；损伤细菌的DNA，有研究表明，PDT可以破坏细菌的单链和双链DNA，实验中培养的细菌经PDT后，革兰阳性或阴性菌中的质粒部分超螺旋消失[32]；也有研究认为，PDT通过对细菌毒力因子的影响，造成毒力因子灭活[33]。但这方面的研究结果非常有限，还需要大量深入的研究明确其机制。

2 PDT治疗真菌感染性疾病

PDT不仅具有抗细菌效果，在治疗真菌感染方面也具有良好的疗效。真菌可分为酵母菌、霉菌和蕈类三类。对于酵母菌感染，如白色念珠菌，用氨基酮戊酸、亚甲蓝、原卟啉Ⅸ、赤藓红、姜黄素、三芳基甲烷和吩噻嗪类溴化衍生物等作为光敏剂激发PDT可产生显著疗效[34]。而对于其他少见的念珠菌(如杜氏假丝酵母[35]、格拉布拉塔念珠菌[36]、克鲁塞假丝酵母[37])，随着光敏剂浓度和光照强度增加，PDT对上述真菌的抑制率逐步增高。

霉菌大致可分为曲霉菌属、青霉菌属、镰刀菌属。有研究证实，以Green2W为光敏剂，PDT可有效灭活烟曲霉[38]。Preuβ等[39]以新合成的corroles作为光敏剂，经过光照后，黑曲霉和紫青霉均未显示出任何可见的生长，且放在黑暗中也未发现真菌的恢复。红色毛癣菌是临床最常见的皮肤感染性真菌，以新亚甲蓝和吲哚菁绿、亚甲蓝、硅酞菁4介导的PDT均可杀灭红色毛癣菌。研究发现，用姜黄素作为光敏剂，辐照96 h不仅可杀灭红色毛癣菌分生孢子，也可显著抑制交指型毛癣菌、陆地毛癣菌、犬小孢子菌、石膏小孢子菌、絮状表皮毛癣菌的生长，并在96 h后，对红色毛癣菌仍有抑制作用[40]。对于镰刀菌属，PDT有良好的治疗效果，以TONS504、亚甲蓝、玫瑰红及核黄素作为光敏剂，PDT能够表现出对丝状真菌镰刀菌的显著抑制作用；临床研究发现，以玫瑰红作为光敏剂，PDT也可以治疗人耐药镰刀菌角膜炎，8个月随访时发现，既无感染复发，也未发生不良反应[41]。癣菌也是临床上常见的一种真菌，具有代表性的是马拉色菌，常可侵袭皮肤角质层而引起花斑癣、马拉色菌毛囊炎、甲真菌病以及新生儿脓疱病等。Takahashi等[42]以TONS504为光敏剂，光照条件下，可最大限度地抑制体外生长的糠秕马拉色菌。有研究发现，以氨基酮戊酸作为光敏剂，PDT也可以成功治愈马拉色菌引起的难治性花斑癣，并且3个月无复发[43]。

综上，PDT治疗真菌感染研究广泛，且效果佳、复发率低，但仅限于表皮真菌感染。近年来，由于免疫抑制剂、抗肿瘤药物大量使用等问题，深部真菌感染逐渐成为医学上难以攻克的难题，PDT在这方面的研究极少，需要深入研究，以期为临床治疗提供新的方法。

3 PDT治疗病毒感染性疾病

病毒为常见致病微生物，一些病毒感染会造成严重的疾病结局甚至危及生命，但目前抗病毒药物数量有限，且疗效也不理想。有研究发现，PDT也能治疗病毒感染性疾病，环境噬菌体通常被用作人类肠道病毒的指标，以阳离子卟啉及Tri-Py(+)-Me-PF作为光敏剂可用于PDT灭活T4样噬菌体，且5个累积的光动力周期后，未检测到活性恢复，证明未对PDT产生耐药性[43-44]。Lim等[44]以纳米材装载酞菁锌为光敏剂，发现PDT使腺病毒5型的失活率>99%。对于常见的人乳头瘤病毒(human papilloma virus，HPV)，以氨基酮戊酸为光敏剂，经过3个疗程PDT治疗后病毒载量显著降低[45]。Zverev等[46]证实，单纯疱疹病毒1型也可经PDT灭活。对RNA病毒研究发现，登革热病毒(血清型2)[47]和人免疫缺陷病毒[48]也有相关PDT治疗获得效果的报道。Ao等[49]招募了19例肛门生殖器疣患者，所有患者在最后一次PDT治疗1周后均获得完全临床缓解，HPV负荷显著下降，且治疗结束后6个月随访，所有患者均无复发。Katsuta等[50]将76例持续性宫颈高危型HPV感染患者随机分为治疗组和对照组，结果发现，治疗组高危型HPV缓解率为64.10%，随访3个月，治疗组缓解率显著高于对照组。PDT临床上只用于浅表感染病毒的治疗(如HPV引起的皮肤疣、阴道炎)，对于血液和器官中病毒的杀伤作用仍缺乏具体深入的研究。

4 PDT治疗其他感染性疾病

5 小 结

PDT作为一种新型疗法，为许多难治性感染提供了新的治疗思路。所有的光敏剂均为阳离子，且分子量大(约为12 000)，很难通过宿主细胞膜[62]，并可广泛与微生物结合产生超氧化反应而起到杀伤作用，而这些都是PDT治疗感染性疾病的独特优势。目前，PDT治疗感染性疾病已被越来越多的学者认可，但仍需在靶向送达、有效激活、光的穿透性及光敏剂的稳定性等方面进行进一步的研究；并在广谱安全的光敏剂研发、合理给药途径的选择、光照条件、光敏剂不良反应最小化等方面加快研究步伐，尽快为PDT在临床抗感染治疗以及其他治疗领域开辟出新的道路。