UVC技术灭活常见病原微生物研究现状及临床应用

吴明娥，周古翔，李振宇，李艳，张雨驰,3b，袁力蓉，吴荣谦，吕毅

1.西安交通大学第一附属医院 a.陕西省再生医学与外科工程研究中心；b.精准外科与再生医学国家地方联合工程研究中心；c.肝胆外科，陕西 西安 710061；2.陕西省磁医学重点实验室，陕西 西安 710049；3.西安交通大学 a.医学部；b.电信学部，陕西 西安 710061

引言

随着微生物对抗微生物药物耐药性的产生，耐药细菌、真菌感染发病率和死亡率的上升已成为影响公众健康的重要公共卫生问题[1]。微生物对不同类别的抗真菌、细菌类药物都可能产生耐药性，抗生素耐药性导致患者患病时间更长、死亡风险增加[2-3]。同时，随着冠状病毒引起的几次全球性呼吸道疾病大流行对人民生命健康及经济发展带来的巨大威胁与损失[4]，探索高效、快捷、安全的防治策略来弥补传统治疗方法的不足和应对公共卫生突发事件成为当前的发展趋势。

紫外线（100～400 nm）根据其波长可分为A 波段紫外线（315～400 nm，Ultraviolet A，UVA）、B 波段紫外线（280～315 nm，Ultraviolet B，UVB）、C 波段紫外线（200～280 nm，Ultraviolet C，UVC）和真空紫外线（100～200 nm， Vacuum Ultraviolet，VUV）[5]。UVC较UVA 和UVB 穿透力弱，且具有巨大的杀菌消毒潜力，目前，UVC 已被广泛开发应用于工业消毒、食品安全、环境安全及医疗卫生等领域[6-8]。UVC 技术可选择特定波长灭活不同病灶部位的不同病原微生物，兼具普适与广泛性，可以弥补抗微生物药物治疗的不足[9]。研究表明暴露于254 nm 紫外线可能存在健康风险，如皮肤灼伤、角膜损伤、白内障风险等[10-11]，而对病毒、细菌和真菌仍具有灭活作用的222 nm 紫外线具有一定的生物安全性[12-13]。因此，为应对抗微生物药物耐药性的问题，如何安全有效地借助UVC 技术应用于医疗卫生领域已成为近年来的研究热点。本文对比分析了UVC 灭活常见病原微生物的作用机制、灭活效果及影响因素，分析了UVC 技术临床应用的生物安全性，并归纳UVC 技术设备在临床应用的研究进展，以期为未来研究提供参考。

1 UVC灭活病原微生物的主要作用机制

1.1 遗传物质的损伤和ATP的衰减

UVC 灭活病原微生物的作用机制与诱导DNA 的损伤和基因组复制的中断有关[14]，通过UVC 辐射形成两大类致DNA 突变的损伤产物，其中最主要的为嘧啶二聚体，UVC 可引起环丁烷嘧啶二聚体、嘧啶酮光产物以及相关的杜瓦价键异构体的改变，从而阻止DNA 复制和基因表达，以灭活病原微生物[15-17]。有研究比较了低压UV 汞灯、中压UV 汞灯、265 nm、285 nm 和222 nm 5 种不同紫外光源对耐氯菌的灭活效果，并对病原微生物灭活机制进行了分析[18]，结果显示265 nm 的杀菌效果最佳，低压UV 汞灯、中压UV 汞灯与222 nm 的灭菌效果相当，285 nm 最弱，222 nm 在对病原微生物的灭活机制中与其他波长存在差异，222 nm 除直接作用于DNA 外，还通过对细菌ATP 的直接降解作用以及诱导活性氧形成从而破坏细胞膜结构进而影响细菌活性，造成细菌损伤，这是区别于其他紫外光源的新消毒机制。

1.2 细胞膜损伤和细胞内酶失活

Ha 等[19]比较了222 nm 与254 nm 紫外线对食源性病原体的灭菌效果，结果显示222 nm 对大肠杆菌、鼠伤寒沙门菌血清型和单核细胞增生李斯特氏菌的灭活能力显著高于254 nm，同时，通过荧光染料碘化丙啶（Propidium Iodide，PI）和羧基荧光素二乙酸酯（Carboxyfluorescein Diacetate，cFDA） 评估了由222 nm 与254 nm UVC 诱导的对病原体细胞膜和细胞内酶的损伤，结果发现经254 nm 处理后的病原体细胞膜没有显著损伤，经222 nm 处理后的病原体PI 摄取程度及cFDA 转化值均显著高于254 nm 处理组。因此，细胞膜损伤和细胞内酶灭活可能是导致222 nm 杀菌效果增强的主要因素。

1.3 蛋白质的破坏

紫外线对核酸／微生物的破坏取决于核酸／微生物对紫外线的吸收和反应。Naito 等[20]使用222 nm 与254 nm 紫外线照射大肠杆菌、蛋白酶、寡肽、氨基酸、质粒DNA 和核苷，分析DNA/RNA 和蛋白质的潜在损伤机制，研究结果表明，222 nm 紫外线杀菌机制主要是蛋白质降解，而254 nm 紫外线主要杀菌机制为核酸破坏。Ong 等[21]使用人类冠状病毒hCoV-229 E 和hCoVOC 43 探究UVC 对病毒的灭活机制，结果显示277 nm紫外线在灭活人类冠状病毒方面优于254 nm 紫外线，这主要得益于在Trp 436 处，刺突蛋白在277 nm 处降解，而在254 nm 处未被降解。

2 UVC对常见病原微生物的灭活效果

2.1 UVC对真菌的灭活效果

紫外线照射对真菌具有杀灭作用，但由于真菌孢子细胞壁较厚以及某些真菌具有颜色，导致紫外线杀灭真菌的作用较弱[22]。Song 等[23]研究了UVC-LED（275±10）nm 的深紫外光对感染小鼠模型（粪肠道球菌、大肠埃希菌、白色念珠菌等）的灭菌效果，结果显示实验组在300 mJ/cm2的275 nm 紫外线照射后，没有观察到细菌或真菌生长。Schleusener 等[24]比较了3 种波长的紫外线（222、233 和254 nm）对两种念珠菌（病原体白癣菌和副癣菌）的灭菌效果，结果表明222 nm与254 nm 紫外光在20 mJ/cm2的剂量下，两种念珠菌的菌落计数均显著减少，3 种波长UVC 均在40 mJ/cm2剂量下表现出较好的杀菌效果，杀菌率可达98%。

2.2 UVC对病毒的灭活效果

UVC 光目前已被广泛应用于室内及物体表面的病毒消毒，多项研究均表明，UVC 光对病毒灭活效果显著，且对物体表面腐蚀较少[25-27]。Inagaki 等[28]对SARSCoV-2 进行了消毒处理，发现37.5 mJ/cm2的280 nm 紫外线即可快速灭活90%的SARS-CoV-2。Minamikawa等[29]评估了3 种波长（265、280 和300 nm）UVC 光对SARS-CoV-2 的灭活效果，为达到99.9%的病毒灭活效果，265、280 和300 nm 所需的总剂量分别为1.8、3.0、23 mJ/cm2。Muramoto 等[30]使用3 种波长（265、275和285 nm）对固体表面的流感病毒（HCoV-229E）进行照射，结果表明病毒灭活效果最佳波长为265 nm，其次为275 nm 和285 nm，其中265 nm 与275 nm 紫外线在25.92 mJ/cm2的剂量下，灭活率可达99.9%。Ma 等[31]使用4 种波长（222、254、270、282 nm）对噬菌体Phi6和两种冠状病毒（HCoV-229E、小鼠肝炎病毒）进行照射，结果表明UVC 设备可以有效灭活包膜病毒，其中222 nm灭活效率最佳。腺病毒对紫外线消毒具有高度抗性，经254 nm 紫外光的照射对腺病毒灭活往往效果不佳[32]，在低于240 nm 的波长下，蛋白质对紫外光吸光度最高，220 nm 处的蛋白质损伤显著大于254、261 和278 nm 处。

2.3 UVC对细菌的灭活效果

Fukuda 等[33]探讨了使用265 nm 和280 nm UVC 灭活具核梭杆菌的有效性，结果显示两种波长的深紫外发光二极管对具核梭杆菌显示出相似的杀菌效果。该团队后续探讨了222 nm 深紫外线对大肠杆菌的灭菌性[34]，结果表明222 nm 深紫外线对大肠杆菌同样有较好的灭菌效果。有研究探讨了254 nm 紫外线对脂环酸芽孢杆菌的灭菌效果，并观察其对芽孢孢子和生物膜形成的影响，结果表明在16.8 kJ/m2的辐照剂量下，酸土脂环酸芽孢杆菌、草本脂环酸芽孢杆菌和环庚脂环酸芽孢杆菌的孢子数急剧下降，而酸热脂环酸杆菌孢子对UVC 更敏感，在12.6 kJ/m2的辐照剂量下即可观察到孢子数急剧下降，所有菌类在UVC 照射下均观察到生物膜形成减少[35]。Taylor 等[36]检测了222 nm 紫外线用于杀灭物体表面细菌孢子的有效性，结果显示222 nm 紫外线对蜡状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、艰难梭状芽孢杆菌有灭活作用。

3 影响UVC灭活常见病原微生物的因素

UVC 波长、辐射剂量以及微生物种类是影响紫外光消毒灭菌的主要因素，除此之外，温度、湿度和生物特性等其他因素也会对UVC 的消毒灭菌效果产生影响。

3.1 温湿度

有研究表明较高的相对湿度会降低紫外光的杀菌效果，一方面是因为较高的相对湿度有助于病原微生物的生长和繁殖；另一方面是因为环境中相对湿度越大，病原微生物周围形成水层，使病原微生物对UVC 照射的敏感性降低，同时，空气中存在的大量水分子会对紫外光吸收、折射和反射，削弱了紫外光照射的强度，使紫外光难以达到最佳消毒效果[37-38]。Wen 等[39]探究了不同温度（5～35 ℃）对真菌孢子的光复活与暗修复作用，结果表明温度对真菌孢子的暗修复没有显著影响，但较高的温度对真菌孢子的光复活具有一定程度的促进作用。Zhang 等[38]比较了在15～16℃、20～21℃、25～26℃下紫外光照射对表皮葡萄球菌、产碱杆菌和大肠杆菌灭菌效果的影响，结果表明当温度在20～21℃时，其灭菌效果最佳。

3.2 生物特性

研究发现食品接触材料的表面粗糙度、表面铺展系数等性质显著影响UVC 对微生物的杀灭效果[40-41]。Adhikari 等[42]使用254 nm 紫外线对有机水果表面大肠杆菌进行照射，结果表明表面粗糙度值高、有凹痕的水果可以保护微生物细胞免受UVC 的影响。紫外光的强度随穿透深度而衰减，除了物体表面属性影响紫外光灭菌效果外，物质本身属性也会对紫外光灭菌造成影响，对于直接暴露于紫外光照射下的病原微生物灭活效果更佳[43-44]。Duering 等[45]比较了在272 nm 紫外线照射下液体和干燥样品中大肠杆菌的灭活效果，结果表明紫外光在液体中的灭活效果优于干燥表面样品中的灭活效果。有研究还证明了飞沫或气溶胶的存在亦可削弱紫外线对新冠病毒的灭活效果，气溶胶是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体中形成的胶体分散体系，而飞沫本身通常含有相对高浓度的蛋白质，这些介质的存在可能会限制远 UVC 辐射穿透气溶胶，这取决于气溶胶的直径和成分，而气溶胶的直径和成分又会影响光子向目标病原体的传递，从而削弱其灭活效果[46]。

4 UVC技术临床应用生物安全性分析

由于紫外线长期大剂量的照射对人体皮肤和眼睛有害，甚至造成基因突变或癌变等，因此，探索安全系数高、照射剂量少、消毒灭菌效果好的高效紫外波长具有重要意义。近年来， 222 nm紫外线凭借其生物安全性及消毒灭菌有效性高等优势引起了研究人员的广泛关注。Buonanno等[12]通过体内外研究报告了222 nm紫外线照射皮肤组织的安全性，体外研究结果显示222 nm紫外线照射未诱导上皮细胞相关DNA损伤，体内研究表明与254 nm紫外线相比，波长范围200～222 nm对于暴露组小鼠无相关的皮肤损伤风险，其原因可能是200～222 nm不能穿透哺乳动物细胞的细胞质以及具有角质层的所有组织。Narita等[47]比较了222 nm与254 nm UVC照射感染耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的小鼠皮肤伤口的安全性与有效性，在照射后第3、5、8和12天评估感染处细菌计数，222 nm UVC的杀菌效果等于或优于254 nm UVC，组织学分析显示，254 nm照射组对伤口愈合过程中角质形成细胞的迁移造成损害，但在222 nm照射组中未受影响。Yamano等[48]比较了在222 nm与254 nm紫外线长期照射下的安全性，结果显示222 nm照射组未诱导炎症反应，在眼睑与角膜分析中，254 nm照射组中的小鼠可观察到白内障及角膜混浊，222 nm照射组未观察到视网膜组织受损。Fukui等[13]探索了222 nm紫外线照射人体背部皮肤的安全性及杀菌效果，结果显示在50～500 mJ/cm2的照射剂量下，受试者背部未出现红斑，皮肤拭子培养物中的细菌菌落数显著减少，表明222 nm UVC照射人体角质层区域的安全性。Sugihara等[49]评估了暴露于222 nm紫外线下1年的6名眼科医生的眼部情况，平均每周工作时长为6.7 h，检查结果未发现受试者出现角膜糜烂、结膜充血和眼睑皮肤红斑等急性不良事件，也未发生翼状胬肉、白内障或眼睑肿瘤等慢性不良事件，受试期间视力、屈光不正和角膜内皮细胞密度未发生改变。上述研究证实了222 nm UVC用于人类皮肤消毒灭菌的安全性与有效性，这为紫外线杀菌技术拓展至临床提供了新思路，但对于短波紫外线在临床的推广与应用尚需要更多学者进行体内与体外实验的验证与研究。

5 UVC技术设备的临床应用

鉴于UVC 对空气、食品、物体表面和医疗设备等的消毒灭菌潜力，近年来用于消毒的UVC-LED 普及率激增。由于安装UVC-LED 消毒范围受限，因此，改良与研发UVC 设备应运而生，代表性的市售UVC 设备主要为深紫外线消毒机器人。目前，市面已有用于在医院环境中对抗微生物传播的UVC 机器人，这些机器人的设计系统不仅拥有UVC 消杀系统，还拥有距离传感器、视频识别系统以及用于感应人体安全距离且可实现自动关断的微波传感器，如i-Robot[50]，UVBot[51]，AIDBOT[52]等，该类UVC 机器人能够实现99%的病毒灭活率，且能通过Wi-Fi 或在智能手机上进行远程控制，是进行空间安全消杀的理想选择。由于目前大多数市面上可用的UVC 机器人通常使用低压汞灯或脉冲氙灯阵列，所需功耗高且不适合有人同时在场的情况下操作。于是，有研究者开发了一种优于市售UVC 机器人的UVC机器人（G-Robot）[53]，其优势在于增加了可用于被其他物体遮挡也能顺利消杀的紫外线消毒机械臂以及与人类皮肤直接接触具有安全性的远紫外线（222 nm），进一步提高了紫外消毒机器人的适用范围及使用安全性，目前该研究将继续评估G-robot 在临床环境中的有效性。我国近年来亦有一大批研究者致力于紫外线消毒机器人的研发与改良，如盛飞科仪器（上海）有限公司卢毅团队公开发明了一种使用远紫外线的消毒机器人，包括远紫外线消杀系统、视频识别系统和中央控制系统，其远紫外消杀波长范围为200～300 nm，视频识别系统可用于自动识别人机距离，从而实现工作状态下自动规避人类[54]。

6 总结与展望

本文综述了近年研究中UVC 对常见病原体微生物的作用机制、影响因素及灭活效果，探讨了UVC 技术应用于临床的生物安全性，并简要介绍了该技术在设备上的临床应用进展。波长范围为200～280 nm 的各种波长的UVC 对常见病原体微生物均表现出较好的灭活效果，其中，波长范围为200～233 nm 的紫外线对病毒灭活较为显著，可能由于在低于240 nm 的波长下，蛋白质对紫外光吸光度更高，而波长范围为254～275 nm 的紫外线对细菌灭活较为显著，基于紫外线照射对人体安全性的考虑，体内或体外实验数据表明，222 nm 波长的紫外线更具有安全性。对于未来研究，有必要对200～233 nm 波长范围内的紫外线进行更多的临床实验，以加快该技术在设备上的研发，最大限度地提高其临床适用范围。