ÁNH SÁNG XANH TIÊU DIỆT SIÊU VI KHUẨN NHƯ THẾ NÀO
*Quang y học mở ra một hướng điều trị đầy hứa hẹn nhằm đối phó với cuộc khủng hoảng kháng kháng sinh*
Vi khuẩn có thể là một trong những dạng sống đơn giản nhất, nhưng chúng ngày càng “qua mặt” các loại thuốc được thiết kế để kiểm soát chúng.
Hãy lấy MRSA , một loại vi khuẩn gây nhiễm trùng tụ cầu, làm ví dụ. Vi khuẩn này có thể xâm nhập ngay cả những vết thương nhỏ nhất, tạo thành các ổ mủ và những nhiễm trùng da dai dẳng. Trong những trường hợp nặng hơn, nó có thể xâm nhập sâu vào cơ thể, biến một vết trầy xước thành nhiễm trùng huyết. Bám dính lên bề mặt bằng các màng sinh học giống như keo và “quá giang” trên những bàn tay chưa được rửa sạch, MRSA thường tấn công những bệnh nhân dễ tổn thương trong bệnh viện.
Điều đáng sợ hơn cả là vị thế của nó như một “siêu vi khuẩn” – tức là tác nhân gây bệnh đã tiến hóa khả năng kháng kháng sinh. Kể từ khi penicillin mở ra “kỷ nguyên kháng sinh” vào giữa thế kỷ 20, theo Jeffrey Gelfand, giáo sư y khoa bán thời gian tại Bệnh viện Đa khoa Massachusetts (Massachusetts General Hospital – Mass General), việc sử dụng quá mức các thuốc này “đã dẫn đến rất nhiều cơ chế kháng vi sinh khác nhau”, khiến những vết thương nhiễm vi khuẩn như MRSA ngày càng khó điều trị. Một số chuyên gia dự đoán rằng đến năm 2050, các mầm bệnh kháng thuốc có thể gây tử vong nhiều hơn cả ung thư.
Chính vì vậy, Gelfand đã nghiên cứu một phương pháp mới để đối phó với MRSA và các siêu vi khuẩn khác: ánh sáng xanh. Hãy hình dung một thiết bị trông giống như một miếng băng bằng silicone. Thành phần hoạt động của nó không phải là kháng sinh hay thuốc nào khác, mà là những đèn LED siêu nhỏ được nhúng trong lớp silicone, phát ra ánh sáng ở những bước sóng xác định. Gelfand phát triển thiết bị này cùng với Laisa Negri, nghiên cứu viên da liễu, và các đồng nghiệp tại Trung tâm Wellman về Quang y học (Wellman Center for Photomedicine) thuộc Mass General – trung tâm nghiên cứu học thuật lớn nhất thế giới tập trung vào tác động của ánh sáng đối với sinh học con người.
Công cụ mới này dựa trên hơn một thập kỷ nghiên cứu tiền lâm sàng tại Wellman Center, cho thấy ánh sáng xanh có thể ức chế ngay cả những tác nhân vi khuẩn cứng đầu nhất. Nếu được chứng minh hiệu quả ở người, phương pháp này có thể bổ sung một lựa chọn mới hiếm hoi vào kho vũ khí ngày càng thu hẹp chống lại nhiễm trùng kháng thuốc.
Ánh sáng như một phương thuốc
Phổ điện từ được sắp xếp theo mức năng lượng của từng photon. Ánh sáng mà mắt người nhìn thấy chỉ chiếm một phần nhỏ của phổ này. Ánh sáng xanh kháng khuẩn nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy, với bước sóng từ 405 đến 470 nanomet.
Ánh sáng có thể tạo ra những tác động mạnh mẽ lên sinh vật sống. Nó là một dạng năng lượng, chuyển động như sóng khi truyền trong không gian và hành xử như hạt khi tương tác với vật chất, truyền năng lượng theo từng “xung” nhỏ. Bước sóng – khoảng cách giữa các đỉnh sóng – quyết định màu sắc mà chúng ta cảm nhận được, cũng như mức năng lượng mà mỗi photon mang theo.
Các photon tương tác với vật chất theo những cách khác nhau tùy vào mức năng lượng của chúng. Ví dụ, tia cực tím (UV) có thể làm hỏng DNA của tế bào. Điều này khiến UV rất hiệu quả trong việc tiêu diệt vi khuẩn và điều trị nhiễm trùng da, theo Tianhong Dai, phó giáo sư da liễu tại Mass General. Tuy nhiên, tia UV cũng gây tổn thương DNA trong tế bào người, có thể dẫn đến những tác dụng phụ nguy hiểm như ung thư.
Trước đây tại Wellman Center, Dai đã nghiên cứu việc sử dụng tia UV để chống lại vi khuẩn kháng thuốc. Nhưng do lo ngại về tác dụng phụ, ông chuyển sang tìm hiểu các nghiên cứu về việc dùng ánh sáng xanh điều trị mụn trứng cá bằng cách ức chế vi khuẩn gây mụn. Ánh sáng xanh có năng lượng thấp hơn UV và không trực tiếp bị DNA của tế bào hấp thụ. Dai quyết định điều tra xem liệu và bằng cách nào ánh sáng xanh có thể tiêu diệt các vi khuẩn gây nhiễm trùng vết thương mà kháng sinh khó kiểm soát.
Khi vi khuẩn gặp ánh sáng xanh
Trong một trong những nghiên cứu đầu tiên công bố năm 2013, Dai và cộng sự chiếu ánh sáng xanh lên tế bào MRSA trong đĩa petri, rồi quan sát bằng kính hiển vi mạnh. Họ thấy một “khung cảnh tận thế”: mảnh vỡ tế bào, thành tế bào nứt vỡ và cấu trúc bên trong bị phá hủy. Dường như ánh sáng đã “đập tan” vi khuẩn. Khi thử trên chuột có vết thương da nhiễm MRSA, họ là những người đầu tiên chứng minh ánh sáng xanh có thể ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc trong mô hình động vật.
Sau đó, Dai tiến hành hàng chục nghiên cứu được NIH tài trợ, thử nghiệm ánh sáng xanh đối với nhiều loại vi khuẩn khác nhau. Ông chứng minh hiệu quả của nó với Acinetobacter baumannii – một siêu vi khuẩn nổi tiếng gây nhiễm trùng vết thương chiến đấu ở binh sĩ – cũng như các tác nhân nấm tồn tại trong màng sinh học. Ông sử dụng các phân tử huỳnh quang phát sáng bên trong vi khuẩn và thuốc nhuộm cho thấy DNA bị tổn thương để làm rõ cơ chế tác động.
Ông phát hiện rằng ánh sáng xanh khai thác một điểm yếu của nhiều vi khuẩn: nồng độ cao các phân tử gọi là porphyrin – những phân tử thực hiện các chức năng quan trọng và hấp thụ mạnh ánh sáng xanh. Khi ánh sáng chiếu vào, porphyrin bị “kích thích”, khởi phát các phản ứng tạo ra các phân tử oxy phản ứng (ROS) trong tế bào. Những phân tử này phá vỡ màng tế bào, làm gãy DNA, oxy hóa protein và lipid. Tổn thương tích tụ cho đến khi tế bào chết.
Điều thú vị là cơ chế này ít có khả năng tạo ra kháng thuốc so với kháng sinh. Kháng sinh thường nhắm vào một cơ chế cụ thể trong vi khuẩn, như một enzyme hoặc quá trình tế bào. Những vi khuẩn có đột biến giúp chúng kháng lại sẽ sống sót và sinh sôi. Ngược lại, ROS do ánh sáng xanh tạo ra gây tổn thương đồng thời nhiều bộ phận của tế bào, khiến vi khuẩn khó tiến hóa để “thoát thân”. Dai thậm chí còn thử chiếu nhiều đợt ánh sáng liên tiếp để gây kháng thuốc nhưng không thấy hiệu quả điều trị suy giảm.
Một ưu điểm khác là tế bào động vật dường như ít bị ảnh hưởng hơn. Tế bào người chứa lượng porphyrin thấp hơn nhiều so với vi khuẩn và có hệ thống phòng vệ tốt hơn chống lại stress oxy hóa.
Tuy vậy, liều cao ánh sáng xanh có thể ảnh hưởng đến mức năng lượng hoặc khả năng chống stress oxy hóa của tế bào người. Ngoài ra, các vi khuẩn khác nhau có mức và loại porphyrin khác nhau, nên độ nhạy cũng khác nhau. “Chúng ta cần xác định ‘cửa sổ điều trị’ an toàn cho người mà vẫn tiêu diệt hiệu quả mầm bệnh,” Dai nói.
Làm sáng tỏ các phương pháp điều trị truyền thống
Trong một nghiên cứu năm 2024 đăng trên Nature Communications, Mei X. Wu hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Đại học Y Thượng Hải Giao Thông để phát triển và thử nghiệm thiết bị ánh sáng xanh đeo được, linh hoạt.
Để giảm liều ánh sáng cần thiết cho nhiễm trùng phức tạp, Wu phát hiện rằng kết hợp liều nhẹ ánh sáng xanh với dung dịch bôi ngoài da chứa carvacrol (hoạt chất trong tinh dầu oregano) có thể tiêu diệt MRSA nhiều hơn khoảng 80.000 lần so với ánh sáng xanh đơn thuần. Carvacrol hoạt động như một “tiền chất nhạy sáng”, làm tăng sản sinh ROS khi vi khuẩn được chiếu ánh sáng xanh.
Wu và cộng sự đã sàng lọc hàng chục hợp chất từ các cây thuốc trong y học cổ truyền Trung Quốc để tìm chất có tác dụng hiệp đồng. Bà cho rằng trong lịch sử, con người làm việc ngoài trời dưới ánh nắng – nguồn ánh sáng xanh tự nhiên lớn nhất. Khoảng 1/4 đến 1/3 ánh sáng ban ngày nằm trong dải xanh. Có thể ánh sáng xanh là “mắt xích còn thiếu” giải thích vì sao các cây thuốc truyền thống như cỏ xạ hương từng hiệu quả trong điều trị nhiễm trùng da.
“Ở Trung Quốc, trước khi có kháng sinh, thầy thuốc làng vẫn điều trị được nhiễm trùng; họ chỉ cần hái một loại cây đặc biệt,” bà nói. “Cây thuốc rất hiệu quả, vì con người khi đó tiếp xúc với nhiều ánh nắng hơn.”
Đưa ánh sáng xanh đến giường bệnh
Dù hiệu quả trong phòng thí nghiệm và mô hình động vật rất ấn tượng, Gelfand và Negri lưu ý rằng vẫn còn vài bước nữa trước khi áp dụng lâm sàng. Một số thiết bị ánh sáng xanh đã được chấp thuận điều trị mụn trứng cá, nhưng công suất thấp hơn thiết bị đang nghiên cứu.
Năm 2025, nhóm nghiên cứu thử nghiệm thiết bị trên mô hình lợn – gần nhất với da người. Đây là nghiên cứu đầu tiên công bố về thiết bị công suất cao tiêu diệt siêu vi khuẩn trên động vật lớn. Sau hai ngày điều trị, mức MRSA ở vết thương giảm hơn 99,99% so với nhóm không điều trị.
Dù còn thách thức như tối ưu chi phí sản xuất, xác định liều tối ưu và đánh giá tác dụng phụ, các nhà nghiên cứu tin rằng thiết bị đã tiến gần hơn đến thử nghiệm lâm sàng ở người.
Một số thiết bị khác đang được phát triển, như ống tai có laser nhỏ phát sáng để chống màng sinh học gây viêm tai giữa tái phát ở trẻ em, hay sợi quang học chiếu sáng không gian quanh khớp nhân tạo để ngăn nhiễm trùng kháng thuốc.
Các phương pháp này là bước tiến quan trọng trong chiến lược đa hướng nhằm chống lại mối đe dọa ngày càng tăng của siêu vi khuẩn.
“Chúng tôi không kỳ vọng ánh sáng xanh thay thế kháng sinh; mà sẽ bổ trợ, giúp giảm số ngày phải dùng kháng sinh toàn thân hoặc đường uống,” Gelfand nói. “Bất cứ điều gì giúp giảm kháng thuốc cuối cùng sẽ cứu sống con người, tiết kiệm chi phí và giảm đau khổ. Chúng ta cần tận dụng mọi cơ chế có thể để đạt mục tiêu đó.”
&&&
Liên kết nguồn bài từ Harvard Medicine:
How Blue Light Kills Superbugs
&&&
ÁNH SÁNG XANH LÀ GÌ?
TRẢ LỜI CỦA ChatGPT
Trong bài viết trên, “ánh
sáng xanh” dùng để chữa bệnh không phải là ánh sáng xanh từ màn hình điện thoại
hay ánh đèn trang trí, mà là ánh sáng có bước sóng xác định (405–470 nanomet),
được tạo ra bằng các thiết bị y sinh chuyên dụng.
Dưới đây là các loại
thiết bị được nhắc đến và đang được nghiên cứu:
1️.Miếng băng silicone gắn đèn LED
Nhóm của Jeffrey
Gelfand và Laisa Negri tại Massachusetts General Hospital phát triển một thiết
bị giống như miếng băng vết thương:
*Làm bằng silicone mềm,
linh hoạt
*Bên trong có các đèn
LED siêu nhỏ
*Phát ra ánh sáng xanh ở
bước sóng chính xác
*Đặt trực tiếp lên vết
thương nhiễm trùng
Đặc điểm:
Không dùng thuốc
Không tiêm truyền
Chiếu khoảng 60–90 phút
mỗi ngày
Trong thử nghiệm trên lợn:
giảm >99,99% MRSA sau 2 ngày
2️.Thiết bị ánh sáng xanh điều trị mụn (đã được FDA chấp thuận)
Trước đó, ánh sáng xanh
đã được dùng để điều trị mụn trứng cá.
Các thiết bị này thường:
*Là đèn chiếu tại phòng
khám da liễu
*Hoặc mặt nạ LED đeo
ngoài da
*Công suất thấp hơn loại
dùng để diệt “siêu vi khuẩn”
3️. Ống tai có gắn laser siêu nhỏ
Nhóm của Tianhong Dai
đang phát triển:
* Ống tai đặt trong tai
trẻ em
* Bên trong có nguồn sáng
laser nhỏ
* Nhằm tiêu diệt màng
sinh học vi khuẩn gây viêm tai giữa tái phát
4️. Sợi quang học chiếu sáng bên trong cơ thể
Tại Mass General, các
bác sĩ chỉnh hình phát triển:
* Sợi quang học rất nhỏ
* Có thể đưa vào gần khớp
nhân tạo
* Chiếu ánh sáng xanh để
tiêu diệt vi khuẩn kháng thuốc ở nơi kháng sinh khó tiếp cận
Về mặt kỹ thuật, ánh sáng được tạo ra bằng gì?
Chủ yếu bằng:
Đèn LED y khoa
(Light Emitting Diode)
* Tạo ánh sáng đơn sắc
chính xác (405–470 nm)
* Ít sinh nhiệt
* Tiết kiệm điện
* Có thể điều chỉnh cường
độ
Laser công suất
thấp
* Tập trung năng lượng
cao hơn
* Dùng cho vùng sâu hoặc
khó tiếp cận
Lưu ý quan trọng
Ánh sáng xanh điều trị:
* Không phải ánh sáng
xanh từ điện thoại
* Không phải ánh sáng mặt
trời tự nhiên
* Không thể tự làm tại
nhà bằng đèn LED thông thường
* Cần bước sóng, công suất
và thời gian chiếu chính xác
Tóm lại
Ánh sáng xanh chữa bệnh
trong bài viết được tạo ra bằng:
* Miếng băng LED silicone
đeo trên vết thương
* Đèn LED chuyên dụng tại
phòng khám
* Ống tai có laser siêu
nhỏ
* Sợi quang nội soi trong
cơ thể
Đây là một hướng điều
trị không dùng thuốc, đang được nghiên cứu như giải pháp bổ trợ kháng sinh
trong kỷ nguyên kháng thuốc.
&&&
Nguyên văn bài bằng tiếng Anh chép lại từ liên kết trên để đề phòng liên kết bị thất lạc:
How Blue Light Kills Superbugs
Photomedicine offers a promising new avenue of treatment to
combat the crisis of antibiotic resistance
Bacteria may be among the simplest life forms, but they’re
increasingly outsmarting the drugs designed to curtail them.
Take MRSA, a bug that causes staph infections. This bacterium
can infect even the tiniest wounds, forming pockets of pus and stubborn skin
infections. In worse cases, it can infiltrate the body, turning a scrape into
sepsis. Sticking to surfaces in glue-like biofilms and hitching rides on
unwashed hands, it tends to afflict vulnerable patients in hospitals.
What’s even more menacing about this microbe, though, is its
status as a so-called superbug: a pathogen that has evolved resistance to
antibiotics. Since the development of penicillin ushered in the “antibiotic
era” in the mid-20th century, says Jeffrey Gelfand, an HMS professor of
medicine, part-time, at Massachusetts General Hospital, the overzealous use of
these drugs “has led to many, many different mechanisms of antimicrobial
resistance,” making wounds infected with microbes like MRSA increasingly tough
to treat. Some experts predict that, by 2050, drug-resistant pathogens
could kill more people than cancer.
That’s why Gelfand has been exploring a new approach to
tackling MRSA and other superbugs: blue light. Picture a device that looks
something like a bandage made of silicone. Its active ingredient is not an
antibiotic or other drug, but tiny LEDs embedded in the silicone that shine at
specific wavelengths. Gelfand developed the device alongside Laisa Negri, an
HMS research fellow in dermatology, and colleagues at the Wellman Center for
Photomedicine at Mass General, the world’s largest academic research center
focused on the effects of light on human biology.
The new tool is based on more than a decade of Wellman Center
research in preclinical models revealing that blue light can curtail even the
most stubborn bacterial pathogens. If proven viable in people, the approach
could add a rare new option to a shrinking arsenal of defenses against
drug-resistant infections.
Light as medicine
The electromagnetic spectrum is organized by the amount of
energy in an individual photon. The light that is visible to humans forms one
small part of the spectrum. Antimicrobial blue light sits within that visible
light range, with wavelengths between 405 and 470 nanometers. Hover over different
dots to learn more about light’s effects on biology.
Light can exert powerful effects on living things. It’s a
form of energy that acts like a wave as it moves through space and behaves like
particles when it interacts with matter, delivering energy in small bursts. A
light’s wavelength, the distance between the peaks of its waves, determines how
we perceive its color, as well as how much energy each particle, or photon,
carries.
Those photons interact with matter in different ways
depending on how energetic they are. Ultraviolet light, for example, can damage
cells’ DNA. That makes UV very effective at killing bacteria and treating skin
infections, says Tianhong Dai, an HMS associate professor of dermatology at
Mass General. But UV exposure also damages DNA in human cells, which can lead
to harmful side effects like cancer.
Earlier in his career at the Wellman Center, where he has
been an investigator for 20 years, Dai explored using UV light to fight
drug-resistant microbes. But as he became frustrated by its side effects, he
came across research on the use of blue light to treat acne by curtailing
pimple-causing microbes. Blue light sits closer than UV to the low-energy end
of the electromagnetic spectrum and is not directly absorbed by cells’ DNA. Dai
decided to investigate whether and how blue light might combat wound-infecting
bacteria that antibiotics struggle to kill.
When bugs meet blue light
In one of his first studies on antimicrobial blue light,
published in 2013, Dai and colleagues beamed blue light on MRSA cells in a
petri dish before zooming in on those cells using a powerful microscopic
camera. Through the lens, they saw something of an apocalyptic landscape:
broken cell debris, cracked cell walls, and mangled insides. The light had
seemingly shattered the bacteria. They tested the light on MRSA-infected skin
abrasions in mice and were the first to demonstrate that blue light could halt
the growth of the drug-resistant microbe in an animal model.
Dai went on to conduct dozens of NIH-funded studies pitting
blue light against a range of microbes. He demonstrated its effectiveness
against Acinetobacter baumannii, for example, a superbug notorious
for infecting combat-related wounds in soldiers, as well as fungal pathogens that thrive alongside bacteria in sticky biofilms.
Along the way, he used clever tools — like fluorescent molecules that can glow
inside bacteria and stains that reveal damaged DNA — to help elucidate how blue
light harms bacteria.
 |
| Tianhong Dai (right) and student Yingbo Zhu use bioluminescence imaging to assess the efficacy of antimicrobial blue light in treating bacterial wound infections. |
He’s learned that blue light exploits a convenient
vulnerability found in many microbes: high levels of specific molecules, called
porphyrins, that carry out key functions. These molecules happen to absorb
light very strongly in the blue range of wavelengths. When light hits the
porphyrins, they get “excited,” says Dai, triggering reactions that release
bursts of reactive oxygen species into cells. Those highly reactive oxygen
molecules crack the cells’ membranes, break their DNA, and oxidize proteins and
lipids. Damage piles up until the cells die.
What makes this process so interesting, Dai says, is that it
appears less likely than antibiotic drugs to induce resistance. Traditional
antibiotics tend to exploit a precise mechanism in the bacteria, like a single
enzyme or cellular process. The drugs wipe out most of the bugs, sparing only
those that might have a small genetic mutation that helps them withstand its
mechanism of action. As those survivors multiply, the antibiotic loses
effectiveness. In contrast, the reactive oxygen molecules generated by blue
light damage many processes and parts of cells at once. There’s no simple way
for microbes to evolve an escape route. Dai has even conducted experiments
exposing bacterial communities to repeated rounds of light to try to induce resistance, but he found no evidence that the
effectiveness of the treatment waned over time.
Another perk of blue light is that animal cells appear to be
relatively unharmed by the mechanisms it exploits. Human cells contain far
lower levels of porphyrins than most bacterial cells, Dai explains, making them
less susceptible to the light. We also tend to have better defenses against
reactive oxygen species, as well as larger, more complex cells that are harder
to kill.
Still, some studies have suggested that higher doses of blue
light can affect human cells’ energy levels or their ability to cope with
oxidative stress. And Dai has found that different bacteria have different
levels and types of porphyrins, which makes some bugs more susceptible than others
to the treatment. “We’ll need to find therapeutic windows that are safe to
humans while effectively killing different pathogens,” he says, noting that
this is true of any drug, including standard antibiotics.
Illuminating traditional treatments
For a 2024 study published in Nature
Communications, Mei X. Wu collaborated with researchers at the Shanghai Jiao
Tong University School of Medicine to develop and test a wearable, flexible
blue light device.
To reduce the doses of light needed to treat complex
infections, some researchers are finding ways to amplify blue light’s effects.
Mei X. Wu, an HMS professor of dermatology at Mass General, found that pairing
a gentle dose of blue light with a topical solution containing the active
ingredient in oregano essential oil eliminated around 80,000 times more
MRSA bacteria than
blue light alone. The compound, called carvacrol, works as a
“pro-photosensitizer,” Mei says, converting to compounds that magnify the
production of reactive oxygen molecules in bacteria beamed with blue light.
To identify substances that synergize with blue light, Wu and
colleagues screened dozens of compounds from plants used in traditional Chinese
medicine. The Wellman Center researcher, who was born in China, suspects that
blue light’s utility in medicine dates back further than most people realize.
Until recently in human history, Wu explains, people tended
to work outside under the most prominent natural source of blue light: the sun.
Around one quarter to one third of the light in daylight is estimated to be
within the blue range of wavelengths. Perhaps blue light is a missing link that
helps explain why traditional plants like thyme were used to combat skin
infections in the past but appear to be less effective in modern lab studies.
“In China, before we had antibiotics, the countryside doctors
could treat infections; they’d just grab a special plant,” she says. “The
plants were very effective, because people got a lot more sunlight.”
Bringing blue light to the bedside
While blue light’s effectiveness in petri dishes and animal
models has been impressive, Gelfand and Negri caution that it’s still several
steps away from use in the clinic. Some blue light devices are already approved
and used to treat acne in humans, but “those types of devices use lower power
than the one we’re studying now,” says Negri.
