近紅外電磁改變穩態細胞膜電位的製作方法
2023-04-23 08:30:16
專利名稱：近紅外電磁改變穩態細胞膜電位的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於降低對減輕或消除微生物和/或腫瘤相關病理必需的抗微生物分子(藥物)和/或抗腫瘤分子(藥物)的最小抑制濃度(MIC)的方法和系統，由此本來在人安全劑量下不起作用的藥物可再次用作輔助治療。根據本發明方法和系統，使用以所選擇的能量和放射量的近紅外光輻射(本文稱為NIMELS，代表「近紅外除菌系統」)在受輻射的區域內引起膜的去極化作用，這將改變受輻射的細胞的膜電位ΔΨ的絕對值。
這一改變的ΔΨ將引起質子動力勢Δp和所有受影響的膜的生物能學的連帶弱化。因此，NIMELS輻射的作用(NIMELS效應)可增強抵抗微生物感染及其引起的對人宿主的傷害的現有抗微生物分子。這些作用將使得很多細胞合成代謝反應(例如細胞壁形成)和需要化學滲透電化學能(chemiosmotic electrochemical energy)來發揮作用的藥物抗性機制(例如流出泵)作用減弱。因此，任何膜相關的細胞抗性機制或利用膜電位ΔΨ、質子動力勢Δp或磷酸化勢ΔGp作為其功能能源需要的合成代謝反應，將受到本發明方法和系統的影響。
本發明方法和系統利用光輻射來增強抗微生物藥物和/或抗真菌藥物僅抵抗被靶向的不合需要的細胞(例如MRSA或皮膚念珠菌感染)，這種選擇性因為哺乳動物細胞通常不受意欲損傷細菌或真菌細胞的治療(使用分子或藥物)的影響這一事實而成為可能。
在例示性實施方案中，依照本發明方法和系統使用的應用光輻射包括如本文所述以NIMELS放射量的約850nm-約900nm範圍內的一種或多種波長。在一個方面，使用約865nm-約875nm的波長。在另一方面，這樣的應用輻射具有以NIMELS放射量的約905nm-約945nm的波長。在一個方面，這樣應用光輻射具有約925nm-約935nm的波長。在特別方面，可採用930nm的波長(或包括930nm在內的狹窄波長範圍)。在本發明的某些方面，多波長範圍分別包括870和930nm。
其生物能系統可受到本發明NIMELS影響的微生物病原體包括微生物(microorganism)，例如細菌、真菌、黴菌、支原體、原生動物和寄生蟲。
在一個實施方案中，本發明方法和系統用於治療、減少和/或消除已知引起皮膚或傷口感染的感染實體，例如葡萄球菌(Staphylococci)和腸球菌。葡萄球菌和腸球菌感染可涉及身體上的幾乎任何皮膚表面，已知可引起諸如癤子、癰、大皰性膿皰病和燙傷樣皮膚症候群等皮膚病症。金黃色葡萄球菌(S.aureus)也是葡萄球菌食物中毒、腸炎、骨髓炎、中毒性休克症候群、心內膜炎、腦膜炎、肺炎、膀胱炎、敗血病和手術後傷口感染的原因。當患者在醫院或長期護理機構時可獲得葡萄球菌感染。臥病人群和抗生素的普遍使用已導致出現金黃色葡萄球菌的抗生素抗性菌株。這些菌株稱作甲氧西林抗性金黃色葡萄球菌(MRSA)。由MRSA引起的感染常常抵抗多種抗生素(尤其是β-內醯胺(β-lactam))，並且與非MRSA微生物引起的感染相比，隨之而來的是明顯更高的發病率和死亡率、更高的花費和更長的住院時間。在醫院，MRSA感染的風險因素包括鼻孔移生、手術、先前抗生素治療、送入重病監護室、與移生了MRSA的患者或健康護理人員接觸、在醫院超過48小時和使用通過皮膚的留置導管或其它醫療器械。
在另一實施方案中，本發明方法和系統用於治療、減少和/或消除已知為皮膚念珠菌病的感染實體。這些念珠菌感染涉及皮膚，可佔據身體的幾乎任何皮膚表面。然而，最經常出現在溫暖、潮溼或有摺痕的區域(例如腋窩和腹股溝)。皮膚念珠菌病極為常見。念珠菌是尿疹最常見的原因，其利用尿布內溫暖潮溼的環境。引起這些感染的最常見的菌類為白色念珠菌(Candida albicans)。在患有糖尿病的個體和肥胖者中念珠菌感染也極為平常。念珠菌還可引起指甲感染(稱作甲癬)、指甲周圍的皮膚感染(甲溝炎)和嘴角周圍的感染(稱為口角唇炎)。
術語「NIMELS放射量」表示本發明主題波長(subject wavelength)能夠產生活性氧類別(「ROS」)，藉此降低靶位點生物汙染物的水平的功率密度(W/cm2)和能量密度(J/cm2)(此處1瓦特＝1焦耳/秒)值。該術語還包括輻射細胞以通過降低ΔΨ且同時產生的ROS來提高生物汙染物對抗微生物或抗腫瘤藥物的敏感度，其中所述汙染物對所述藥物耐受。可實現該方法而對除所述生物汙染物外的宿主對象組織沒有無法耐受的風險和/或無法耐受的副作用。
「增強」抗真菌藥物或抗細菌藥物或抗腫瘤藥物，意即本發明方法和系統抵消真菌、細菌或癌症的抗性機制，足以讓所述藥物以比不存在本方法和系統時更低的濃度抑制所述真菌、細菌或癌症的生長和/或增殖。在基本上完全抗性的情況下，即所述藥物對所述細胞沒有作用時，增強意即所述藥物將抑制病原體細胞的生長和/或增殖，藉此以治療可接受劑量治療所述疾病狀態。
本文所用術語「微小生物」指在顯微鏡下可見的生物，定義為太小而不能由人的眼睛看見的生物。為本發明目的，微小生物可為細菌、真菌、古細菌、原生動物等。措辭微生物(microbial)定義為屬於或涉及微小生物(microorganisms)。
本文所用術語「細胞膜(或細胞質膜或線粒體膜)」指在所有活細胞中具有共同結構的半滲透脂質雙層。其主要含有涉及無數重要細胞過程的蛋白質和脂類。作為本發明靶標的細胞膜具有＞1的蛋白質/脂類比率。換句話說，在汙染物(或部分，即宿主組織)中沒有一種靶膜含有超過49.99％乾重的脂類。
本文所用術語「線粒體」指膜包裹的細胞器，其在大部分真核細胞(哺乳動物細胞和真菌)中存在。線粒體是『細胞動力工廠』，因為其為真核細胞產生大部分作為細胞化學能源使用的ATP供應。線粒體含有由磷脂雙層和蛋白質組成的內膜和外膜。然而，這兩種膜具有不同性質。線粒體外膜包裹整個細胞器，具有與真核細胞質膜相似的蛋白質/磷脂比率，而線粒體內膜形成稱為嵴的內部隔室，具有與原核生物細胞質膜相似的蛋白質/磷脂比率。這使得諸如細胞色素等蛋白有較大空間恰當有效地起作用。電子傳遞系統(「ETS」)位於線粒體內膜上。在線粒體內膜裡還有將代謝物跨過該膜轉運的高度受控的轉運蛋白。
本文所用術語「液態鑲嵌模型」指一種廣泛接受的含多種幫助跨膜轉運的嵌入蛋白的結構上和功能上不對稱的脂質雙層生物膜概念。之所以命名為液態鑲嵌模型，是因為磷脂在膜中位置移動幾乎毫不費勁(流動性)，並因為膜內存在的所有磷脂、蛋白質和糖蛋白組合使得從外面看起來細胞為鑲嵌式圖象。該模型基於熱力學和功能上的精細平衡。改變膜的熱力學影響膜的功能。
本文所用術語「膜偶極電位Ψd」(與跨膜電位ΔΨ形成不同)指在膜表面高度水化的脂類頭部(親水)和雙層低極性內部(疏水)之間形成的電位。脂質雙層本質上具有由偶極基團和偶極分子的結構組織(主要是磷脂的酯鍵和水)產生的相當大的膜偶極電位Ψd。Ψd不依賴膜表面的離子，本文將用其來描述5種不同的偶極電位 1)哺乳動物細胞質膜偶極電位Ψd-質膜-哺(Ψd-plas-mam)； 2)哺乳動物線粒體膜偶極電位Ψd-線-哺(Ψd-mito-mam)； 3)真菌細胞質膜偶極電位Ψd-質膜-真菌(Ψd-plas-fungi)； 4)真菌線粒體膜偶極電位真菌Ψd-線-真菌(Ψd-mito-fungi)；和 5)細菌細胞質膜偶極電位Ψd-質膜-細菌(Ψd-plas-bact)。
本文所用術語「跨膜電位」指被膜分開的水相之間的電勢差(量綱為mV)，並表示為符號(ΔΨ)。ΔΨ依賴於膜表面的離子，本文將用其來描述三種不同的細胞質跨膜電位 1)哺乳動物細胞質跨膜電位ΔΨ-質膜-哺(ΔΨ-plas-mam)； 2)真菌細胞質跨膜電位ΔΨ-質膜-真菌(ΔΨ-plas-fungi)； 3)細菌細胞質跨膜電位ΔΨ-質膜-細菌(ΔΨ-plas-bact)。
本文所用術語「線粒體跨膜電位」指被線粒體內膜分開的區室之間的電勢差(量綱為mV)，本文將用其來描述兩種不同的線粒體跨膜電位 1)哺乳動物線粒體跨膜電位ΔΨ-線-哺(ΔΨ-mito-mam)； 2)真菌線粒體跨膜電位ΔΨ-線-真菌(ΔΨ-mito-fungi)。
在線粒體中，來自營養物質(例如葡萄糖)的勢能轉化為可用於細胞代謝過程的活化能。在連續的氧化還原反應期間釋放的能量使得可將質子(H+離子)從線粒體基質泵到內膜空間。結果，隨著膜的極化，線粒體膜出現化學滲透電勢差(ΔΨ-線-哺或ΔΨ-線-真菌)。ΔΨ-線-哺和ΔΨ-線-真菌是線粒體功能的重要參數，其為細胞能量狀態(氧化還原態)提供了直接定量值。
本文所用術語「哺乳動物細胞質跨膜電位(ΔΨ-質膜-哺)」指在哺乳動物細胞細胞質膜的水相之間的電勢差。哺乳動物細胞質膜電位不同於主要因H+離子(質子)產生的細菌和真菌ΔΨ。在哺乳動物細胞質膜中，ΔΨ的主要促進物是產電的Na+/K+-ATP酶泵。ΔΨ-質膜-哺由附加的K+跨膜擴散(從細胞內到細胞外)量和產電Na+/K+-ATP酶泵產生。哺乳動物ATP在線粒體中經由質子泵產生。
本文所用術語「真菌細胞質跨膜電位(ΔΨ-質膜-真菌)」指真菌細胞細胞質膜中的電勢差。真菌細胞質膜電位由與膜結合的H+-ATP酶產生，H+-ATP酶是需要ATP以發揮作用的高容量質子泵。這種H+-ATP酶泵對於真菌生長和穩定的細胞代謝和維持都需要。真菌ATP在線粒體中產生。
本文所用術語「細菌細胞質跨膜電位(ΔΨ-質膜-細菌)」指細菌細胞細胞質膜中的電勢差。在細菌細胞質膜內，由電子和質子(H+)跨細菌細胞質膜的穩態流動(遷移)產生細菌細胞質膜電位，遷移因正常電子傳遞和氧化磷酸化作用而發生。所有電子傳遞鏈的共同特徵是存在質子泵以造成跨膜質子梯度。儘管細菌沒有線粒體，但需氧菌通過本質上與發生在真核線粒體中相同的過程來實施氧化磷酸化作用(產生ATP)。本文所用術語「P-級離子泵」指含有ATP-結合位點(即需要ATP以發揮作用)的跨膜主動轉運蛋白集合。在轉運過程期間，蛋白亞基之一被磷酸化，認為被轉運的離子是經由已磷酸化的亞基來移動。這類離子泵包括哺乳動物細胞質膜中的Na+/K+-ATP酶泵，其維持典型動物細胞的Na+和K+電化學電位(ΔNa+/K+)和pH梯度。P-級離子泵的另一重要成員將質子(H+離子)從細胞中運出並將K+離子運進細胞。
本文所用術語「Na+/K+ATP酶」指存在於所有動物細胞細胞質膜的P-級離子泵，其將水解一個ATP分子與運出三個Na+離子及運入兩個K+離子聯繫在一起，Na+離子運出及K+離子運入維持典型動物細胞的Na+和K+電化學電位和pH梯度。真菌細胞(真核細胞同樣)中的內部負膜電位通過ATP提供動力的不同的質子泵將H+離子運出細胞外來產生。
本文所用術語「離子交換劑和離子通道」指哺乳動物細胞中不依賴ATP系統並有助於建立細胞質膜電位的跨膜蛋白。
本文所用術語「氧化還原(氧化/還原反應的縮寫)」闡述了例如在細胞中通過一系列的極為複雜的涉及電子傳遞的過程來使糖氧化的複雜過程。氧化還原反應是化學反應，其中電子從供體分子轉移到受體分子。術語氧化還原來自於還原作用和氧化作用兩個概念，可以以簡單的術語來解釋 氧化作用描述分子、原子或離子的電子丟失； 還原作用描述分子、原子或離子的電子獲得。
本文所用術語「氧化還原態」闡述所述細胞的氧化還原環境(或氧化應激水平)。
本文所用術語「穩態細胞質跨膜電位(ΔΨ-穩態)」指在按照本發明方法和系統輻射前，哺乳動物、真菌或細菌細胞的定量的細胞質膜電位，其將在不存在這樣的輻射下繼續存在。
例如，在正常電子傳遞和氧化磷酸化作用期間發生的電子和質子跨細菌細胞膜的穩態流動將處於穩態，因為穿過膜的常規氧化還原反應發生恆定流動。與此相反，對這種氧化還原態的任何改變將產生瞬態膜電位。本文將使用ΔΨ-穩態來闡述三種(3)不同的穩態細胞質跨膜電位，其基於物種為 1)穩態哺乳動物細胞質跨膜電位ΔΨ-穩態-哺(ΔΨ-steady-mam)； 2)穩態真菌細胞質跨膜電位ΔΨ-穩態-真菌(ΔΨ-steady-fungi)； 3)穩態細菌細胞質跨膜電位ΔΨ-穩態-細菌(ΔΨ-steady-bact)。
本文所用術語「瞬態細胞質膜電位(ΔΨ-瞬態)」指在按照本發明方法和系統輻射後哺乳動物、真菌或細菌細胞的細胞質膜電位，藉此輻射改變了細胞質膜的生物能學。在細菌中，ΔΨ-瞬態也將改變該細胞的氧化還原態，因為所述細胞質膜是ETS和細胞色素所在之處。ΔΨ-瞬態是在沒有用本發明方法的輻射時將不出現的狀態。本文將使用ΔΨ-瞬態來闡述三種(3)不同的瞬態細胞質跨膜電位，其基於物種為 1)瞬態哺乳動物細胞質跨膜電位ΔΨ-瞬態-哺(ΔΨ-tran-mam)； 2)瞬態真菌細胞質跨膜電位ΔΨ-瞬態-真菌(ΔΨ-tran-fungi)； 3)瞬態細菌細胞質跨膜電位ΔΨ-瞬態-細菌(ΔΨ-tran-bact)。
本文所用術語「穩態線粒體膜電位(ΔΨ-穩態-線)」指在按照本發明方法和系統輻射前哺乳動物或真菌線粒體的定量的線粒體膜電位，其在將來缺乏這樣的輻射後將繼續存在。
例如，在正常電子傳遞和氧化磷酸化作用期間發生的電子和質子穿過線粒體內膜的穩態流動將處於穩態，因為穿過該膜的常規氧化還原反應發生恆速流動。對這種氧化還原態的任何改變將產生瞬態膜電位。本文將使用ΔΨ-穩態-線來闡述兩種(2)不同的穩態線粒體膜電位，其基於物種為 1)穩態線粒體哺乳動物電位ΔΨ-穩態-線-哺(ΔΨ-steady-mito-mam)； 2)穩態線粒體真菌電位ΔΨ-穩態-線-真菌(ΔΨ-steady-mito-fungi)。
本文所用術語「瞬態線粒體膜電位(ΔΨ-瞬態-線-哺(ΔΨ-tran-mito-mam)或ΔΨ-瞬態-線-真菌(ΔΨ-tran-mito-fungi))」指在按照本發明方法和系統輻射後哺乳動物或真菌細胞的膜電位，藉此輻射改變了線粒體內膜的生物能學。在哺乳動物和真菌細胞中，ΔΨ-瞬態-線也將改變該細胞的氧化還原態，因為所述線粒體內膜是電子傳遞系統(ETS)和細胞色素所在。隨著這些線粒體(H+)梯度的產生，ΔΨ-瞬態-線還可強烈影響(質子-動力勢)Δp-線-哺(Δp-mito-mam)和Δp-線-真菌(Δp-mito-fungi)，以便為眾多的細胞功能產生足夠的ATP。ΔΨ-瞬態-線是不用本發明方法的輻射時將不出現的狀態。本文將使用ΔΨ-瞬態-線來闡述兩種(2)不同的瞬態線粒體膜電位，其基於物種為 1)瞬態線粒體哺乳動物電位ΔΨ-瞬態-線-哺； 2)瞬態線粒體真菌電位ΔΨ-瞬態-線-真菌。
本文所用術語「細胞色素」指含有血紅素基並實施電子傳遞的膜結合的血紅素蛋白。本文所用術語「電子傳遞系統(ETS)」闡述介導生物化學反應的一系列膜相關電子載體(細胞色素)，其產生細胞的能量流(ATP)。在原核細胞(細菌)中，這發生於細胞質膜中。在真核細胞(真菌和哺乳動物細胞)中，這發生在線粒體中。
本文所用術語「pH梯度(ΔpH)」指膜任一邊的兩個體相之間的pH差。
本文所用術語「質子電化學梯度(ΔμH+)(量綱為kJ mol-1)」指跨膜的電性質和化學性質，尤其是質子梯度，代表可用於細胞中工作的細胞勢能類型。這種膜兩邊之間的質子電化學電位差參與涉及質子泵的主動轉運，有時也稱為化學滲透電位或質子動力勢。當無論通過何手段降低ΔμH+時，就說明在受影響的細胞中抑制了細胞合成代謝途徑和抗性機制。這可通過聯合λn和Tn以輻射單一靶位點來完成，或可同時或序貫給予經配置和排布用於遞送的藥物到靶位點(即用(λn和Tn)+(一種或多種藥物分子)共同靶向合成代謝途徑)來進一步增強。
本文所用術語「離子電化學梯度(Δμx+)」指由離子(不同於H+)濃度梯度引起的跨膜的電性質和化學性質，代表可用於細胞中工作的細胞勢能類型。在哺乳動物細胞中，通過將Na+穿過細胞質膜主動轉運出細胞來維持Na+離子電化學梯度。這是與質子電化學電位不同的梯度，但由ATP偶聯泵產生，所述ATP在氧化磷酸化作用期間由哺乳動物線粒體質子-動力勢(Δp-線-哺)產生。當無論通過何手段降低Δμx+時，就說明在受影響的細胞中抑制了細胞合成代謝途徑和抗性機制。這可通過聯合λn和Tn以輻射單一靶位點來完成，或可同時或序貫給予經配置和排布用於遞送的藥物到靶位點(即用(λn和Tn)+(一種或多種藥物分子)共同靶向合成代謝途徑)來進一步增強。
本文所用術語「共同靶向細菌合成代謝途徑」指(λn和Tn在靶位點降低細胞的(ΔμH+)和/或(Δμx+)以影響合成代謝途徑)+(一種或多種藥物分子以影響同一細菌合成代謝途徑)，並可指能夠被藥物分子抑制的任何以下細菌合成代謝途徑 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的肽聚糖生物合成，該藥物結合與細菌細胞壁中的肽聚糖交聯的細菌轉肽酶(青黴素結合蛋白)活性位點。抑制這些酶最終導致細胞溶解和死亡； 其中被靶向的細菌合成代謝途徑為由藥物共同靶向的肽聚糖生物合成，該藥物結合細胞壁中間物中的乙醯基-D-丙氨醯-D-丙氨酸基團，並因此防止將N-乙醯胞壁酸(NAM)-肽和N-乙醯葡糖胺(NAG)-肽亞基結合到肽聚糖基質(通過對轉糖基和/或轉肽發揮作用來有效抑制肽聚糖生物合成)，藉此防止革蘭氏陽性細菌中正確形成肽聚糖； 其中被靶向的細菌合成代謝途徑為由藥物共同靶向的肽聚糖生物合成，該藥物結合C55-異戊二烯焦磷酸，並防止焦磷酸酶與C55-異戊二烯焦磷酸相互作用，因此降低了可用於攜帶內膜外的結構單元肽聚糖的C55-異戊二烯焦磷酸的量； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的細菌蛋白質生物合成，該藥物結合細菌核糖體的亞基50S亞基中的23S rRNA分子，導致肽醯-tRNA在細胞中的積聚，因此消耗了激活α-胺基酸所必須的游離tRNA，並通過引起肽醯-tRNA過早從核糖體解離來抑制轉肽作用； 其中所述共同靶向的藥物同時結合50S細菌核糖體亞基的23SRNA的兩個結構域，並可藉此抑制細菌核糖體亞基50S和30S(核糖體亞基組件)的形成，其中使所述共同靶向的藥物氯化以提高其透入細菌細胞的親脂性，並結合細菌核糖體50S亞基的23S部分，防止肽醯-tRNA從氨醯基位點(A-位點)轉移到肽醯位點(P-位點)，藉此抑制轉肽酶反應，這導致從核糖體釋放不完整的肽； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的細菌蛋白質生物合成，該藥物結合30S細菌核糖體亞基，阻斷氨基-醯基tRNA結合核糖體的受體位點(A-位點)，藉此抑制密碼子-反密碼子的相互作用和蛋白質合成的延伸階段； 其中所述共同靶向的藥物能以更高親和力結合於細菌核糖體，並且結合方向不同於具有八氫並四苯(octahydrotetracene)-2-甲醯胺骨架的多聚乙醯抗微生物劑的典型亞類，因此，它們對含tet(M)核糖體和tet(K)流出遺傳決定子的金黃色葡萄球菌的菌株有活性； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的細菌蛋白質生物合成，該藥物結合特異性氨醯-tRNA合成酶以防止特定胺基酸或其前體酯化為其相容tRNA的胺基酸或其前體之一，從而防止形成氨醯-tRNA，並因此終止將必需胺基酸摻入到細菌蛋白質中； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的細菌蛋白質生物合成，該藥物在起始階段之前抑制細菌蛋白質合成，其抑制方式為通過23S rRNA結構域V結合50S rRNA以及與30S核糖體亞基的16SrRNA相互作用，因此，防止蛋白質合成的起始子甲醯-甲硫氨酸(f-Met-tRNA)和30S核糖體亞基結合； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的細菌蛋白質生物合成，該藥物以在靠近肽基轉移酶中心的23S rRNA P位點區域中的蛋白L3與細菌核糖體50S亞基相互作用，並因此抑制肽基轉移酶活性和肽基轉移，阻斷P-位點的相互作用，並防止活性50S核糖體亞基的正常形成； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的DNA複製和轉錄，該藥物抑制拓撲異構酶II(DNA促旋酶)和/或拓撲異構酶IV； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的DNA複製和翻譯，該藥物抑制DNA聚合酶IIIC，該酶為革蘭氏陽性細菌染色體DNA複製所需，但在革蘭氏陰性細菌中不存在； 其中被靶向的合成代謝途徑為DNA複製和轉錄，該合成途徑由抑制拓撲異構酶II(DNA促旋酶)和/或拓撲異構酶IV和/或DNA聚合酶IIIC的混合藥物化合物(pharmacological hybrid compound)共同靶向； 其中被靶向的合成代謝途徑為由局部藥物共同靶向的細菌磷脂生物合成，該藥物對富含磷脂醯乙醇胺的細胞質膜起作用，並很好地與其它局部增效劑聯合起作用； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的細菌脂肪酸生物合成，該藥物通過選擇性靶向β-酮醯基-(醯基載體蛋白(ACP))合酶I/II(FabF/B)(其為II型脂肪酸合成中必不可少的酶)來抑制細菌脂肪酸生物合成； 其中被靶向的合成代謝途徑為維持細菌細胞質跨膜電位ΔΨ-質膜-細菌，所述共同靶向的藥物主要通過與革蘭氏陽性細胞質膜結合而不是滲入細胞內並引起去極化作用和膜電位損失(導致抑制蛋白質、DNA和RNA合成)來破壞細菌細胞膜本身特有的多方面功能； 其中所述共同靶向藥物增加細菌細胞壁的滲透性，因此使得無機陽離子自由通過細胞壁，藉此破壞細胞質和細胞外環境之間的離子梯度； 其中被靶向的合成代謝途徑為維持細菌膜的選擇性滲透性和細菌細胞質跨膜電位ΔΨ-質膜-細菌，所述共同靶向藥物為陽離子抗菌肽，該肽對細菌膜的帶負電錶面比對真核細胞的中性膜表面更有選擇性，並導致原核生物膜滲透化和細菌細胞膜的最終穿孔和/或崩解，藉此促進細菌細胞內容物漏出和跨膜電位崩潰； 其中所述共同靶向藥物抑制細菌蛋白酶肽去甲醯酶，該酶催化甲醯基離開新合成的細菌多肽的N-末端；和 其中所述共同靶向藥物抑制細菌中的雙組分調控系統，例如抑制通過跨細菌細胞質膜的信號轉導對其環境響應的能力，這些信號轉導過程不在哺乳動物膜中存在。
本文所用術語「共同靶向真菌合成代謝途徑」指(λn和Tn在靶位點降低細胞的(ΔμH+)和/或(Δμx+)以影響合成代謝途徑)+(藥物以影響同一真菌合成代謝途徑)，並可指能夠被藥物抑制的任何以下真菌合成代謝途徑 其中被靶向的合成代謝途徑為由局部藥物共同靶向的磷脂生物合成，該藥物破壞真菌細胞膜中存在的磷脂結構，並很好地與其它局部增效劑聯合作用； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的麥角固醇生物合成，該藥物在C-14脫甲基作用階段抑制麥角固醇生物合成，C-14脫甲基作用是通過細胞色素P-450酶14-a-固醇脫甲基酶催化的三步氧化反應的部分，導致消耗麥角固醇，並積聚經由破壞細胞質膜結構幹擾作為膜組分的麥角固醇的大多數功能的羊毛甾醇和其它14-甲基化固醇； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的麥角固醇生物合成，該藥物抑制角鯊烯環氧酶，進而在真菌細胞中抑制麥角固醇生物合成，導致真菌細胞膜滲透性增加； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的麥角固醇生物合成，該藥物在麥角固醇生物合成途徑中的兩個單獨並明顯不同的點抑制d14-還原酶和d7，d8-異構酶這兩種酶； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的真菌細胞壁生物合成，該藥物抑制(1，3)β-D-葡聚糖合酶，進而抑制真菌細胞壁中的β-D-葡聚糖合成； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的真菌固醇生物合成，該藥物結合真菌細胞膜中的固醇，共同靶向的藥物結合的主要固醇是麥角固醇，這有效改變細胞膜的瞬時溫度，在膜中引起孔形成，導致在真菌細胞膜中形成有害離子通道； 其中將所述共同靶向的藥物配製用於在脂類、脂質體、脂類複合物和/或膠態分散體中遞送以防止來自該藥物的毒性； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的蛋白質合成，該藥物5-FC由胞嘧啶通透酶吸收到真菌細胞中，使脫去氨基成為5-氟尿嘧啶(5-FU)，轉化為三磷酸核苷並摻入到RNA中，在此處其導緻密碼錯編； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的真菌蛋白質合成，該藥物抑制真菌延伸因子EF-2(在功能上與其哺乳動物相應物截然不同)和/或哺乳動物細胞中不存在的真菌延伸因子3(EF-3)； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的真菌幾丁質生物合成(N-乙醯-D-葡糖胺的β-(1，4)-連接的均聚物)，該藥物通過抑制一種或多種幾丁質合酶2的作用來抑制真菌幾丁質生物合成，幾丁質合酶2是真菌中原始隔膜形成和細胞分裂所必需的酶； 其中所述共同靶向的藥物抑制幾丁質合酶3的作用，該酶是在萌芽和生長、交配和孢子形成期間合成幾丁質所必需的酶； 其中所述共同靶向的藥物螯合多價陽離子(Fe+3或Al+3)，導致負責線粒體電子傳遞和細胞能量產生的金屬依賴性酶的抑制，還導致真菌細胞內過氧化物的正常降解的抑制；和 其中所述共同靶向的藥物抑制真菌中的雙組分調控系統，例如抑制通過跨真菌細胞質膜的信號轉導對其環境響應的能力。
本文所用術語「共同靶向癌症合成代謝途徑」指(λn和Tn在靶位點處降低細胞的(ΔμH+)和/或(Δμx+)以影響合成代謝途徑)+(藥物以影響同一癌症合成代謝途徑(影響程度比非癌症細胞大))，並可指能夠被藥物抑制的任何以下癌症合成代謝途徑 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的DNA複製，該藥物通過交聯DNA雙螺旋鏈中的鳥嘌呤核苷鹼基使得該鏈不能解開和分離來抑制DNA複製，解開和分離為DNA複製所必需； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的DNA複製，該藥物可與同一條DNA鏈或不同DNA鏈中的兩種不同的7-N-鳥嘌呤殘基反應； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的DNA複製，該藥物通過用作抗代謝物來抑制DNA複製和細胞分裂； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的細胞分裂，該藥物通過防止微管的功能來抑制細胞分裂； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的DNA複製，該藥物通過防止細胞進入G1期(DNA複製開始)和DNA複製(S期)來抑制DNA複製和細胞分裂； 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的細胞分裂，該藥物提高微管的穩定性，防止在細胞分裂後期染色體分離；和 其中被靶向的合成代謝途徑為由藥物共同靶向的DNA複製，該藥物通過抑制I型或II型拓撲異構酶來抑制DNA複製和細胞分裂，抑制這些酶將通過擾亂恰當的DNA超螺旋來幹擾DNA的轉錄和複製。
本文所用術語「質子-動力勢(Δp)」指作為質子和跨膜的電壓梯度組合的儲能(象電池一樣起作用)。Δp的兩個組分為ΔΨ(跨膜電位)和ΔpH(H+化學梯度)。換句話說，Δp由H+跨膜電位ΔΨ(外面為負(酸性))和跨膜pH梯度ΔpH(裡面為鹼性)組成。這種勢能以電化學梯度的形式儲存，並通過在化學滲透期間將氫離子跨生物膜(線粒體內膜或細菌和真菌細胞質膜)泵送而產生。細胞中的Δp可用於化學功、滲透功或機械功。質子梯度通常用於氧化磷酸化作用以驅動ATP合成，其在細菌、真菌或哺乳動物細胞(包括癌症細胞)中可用於驅動流出泵。本文將使用Δp來闡述基於物種的膜中四種(4)不同的質子動力勢，其算術定義為(ΔP＝ΔΨ+ΔpH) 1)哺乳動物線粒體質子-動力勢(Δp-線-哺)； 2)真菌線粒體質子-動力勢(Δp-線-真菌)； 3)真菌細胞質膜質子-動力勢(Δp-質膜-真菌)； 4)細菌細胞質膜質子-動力勢(Δp-質膜-細菌)。
本文所用術語「哺乳動物線粒體質子-動力勢(Δp-線-哺)」指以跨哺乳動物線粒體內膜的(H+)電化學梯度形式儲存的勢能。在哺乳動物線粒體中，Δp-線-哺用於氧化磷酸化作用以驅動ATP合成。
本文所用術語「真菌線粒體質子-動力勢(Δp-線-真菌)」指以跨真菌線粒體內膜的(H+)電化學梯度形式儲存的勢能。在真菌線粒體中，Δp-線-真菌用於氧化磷酸化作用以驅動ATP合成。
本文所用術語「真菌細胞質膜質子-動力勢(Δp-質膜-真菌)」指以跨真菌細胞質膜的(H+)電化學梯度形式儲存的勢能，其通過由膜結合的H+-ATP酶將氫離子跨細胞質膜泵送而產生。該細胞質膜結合的H+-ATP酶為高容量質子泵，需要ATP以發揮作用。用於該H+-ATP酶的ATP由Δp-線-真菌產生。真菌細胞中的Δp-質膜-真菌可用於驅動流出泵。
本文所用術語「細菌細胞質膜質子-動力勢(Δp-質膜-細菌)」指以跨細菌細胞質膜的電化學梯度(H+)形式儲存的勢能，其通過在化學滲透期間將氫離子跨細胞質膜泵送而產生。Δp-質膜-細菌在細菌細胞質膜中用於氧化磷酸化作用以驅動ATP合成，並可用於驅動細菌細胞中的流出泵。
本文所用術語「合成代謝途徑」指由較小單位構建分子的細胞代謝途徑。這些反應需要能量。很多合成代謝途徑和過程由三磷酸腺苷(ATP)提供動力。這些過程可包括簡單分子(例如單胺基酸)和複合分子的合成，複合分子例如肽聚糖、蛋白質、酶、核糖體、細胞的細胞器、核酸、DNA、RNA、葡聚糖、幾丁質、簡單脂肪酸、複合脂肪酸、膽固醇、固醇和麥角固醇。
本文所用術語「能量轉移」指質子通過嵌在膜中的呼吸複合體傳遞，其利用電子傳遞反應跨膜泵送質子，造成也稱作質子電化學梯度的電化學電位。
本文所用術語細胞中的「能量轉化」指化學鍵不斷地斷裂和形成，以造成可能的能量交換和轉換。通常所述的能量從較集中形式轉換為較不集中的形式是造成細胞呼吸作用的所有生物或化學過程的驅動力。
本文所用術語「解偶聯劑」指導致儲存在膜中的質子電化學梯度(ΔμH+)中的能量與ATP的合成分離的分子或裝置。
本文所用術語「解偶聯」指使用解偶聯劑(分子或裝置)以引起儲存在膜中的質子電化學梯度(ΔμH+)中的能量與ATP的合成分離。
本文所用術語「5′-三磷酸腺苷(ATP)」指用作細胞內能量傳遞的「分子流(mocular currency)」的多功能核苷酸。ATP在細胞內傳送化學能用於新陳代謝，並在細胞呼吸作用期間作為能源產生。很多酶和大量細胞過程(包括生物合成反應、流出泵運行和合成代謝細胞生長和分裂)消耗ATP。
本文所用術語「二磷酸腺苷(ADP)」是通過ATP酶將ATP去磷酸化的產物。通過ATP合成將ADP轉化回ATP。應該理解，在生理條件下，需氧呼吸細胞中的ATP合酶製造ATP，同時用由ETS造成的質子-動力勢Δp作為能源。以這種方式產生能量的總過程命名為氧化磷酸化作用。氧化磷酸化的總反應順序為ADP+Pi→ATP。驅動生物學反應的潛在動力是反應物和產物的吉布斯自由能。吉布斯自由能是能用於(「自由」)做功的能量，術語吉布斯自由能變化(ΔG)指能在膜中用於做功的自由能的變化。這種自由能是焓(ΔH)、熵(ΔS)和溫度的函數。(焓和熵如下所述。) 本文所用術語「磷酸化勢(ΔGp)」指在任何給定組的ATP、ADP和Pi濃度下用於ATP合成的ΔG(量綱為kJ mol-1)。
本文所用術語「CCCP」指羰基氰化間氯苯腙，是劇毒的離子載體和呼吸鏈的解偶聯劑。CCCP提高質子透過膜的電導率，作為典型的解偶聯劑通過解除ATP合成與ΔμH+的偶聯並消除ΔΨ和ΔpH二者起作用。
本文所用術語「去極化作用」(去能量化)指降低細胞質膜或線粒體膜電位ΔΨ的絕對值。應該明白任何細菌細胞質膜的去極化作用將導致ATP損失並增加自由基形成。還應該明白任何真核細胞的線粒體去極化作用將導致ATP損失並增加自由基形成。
本文所用術語「焓變(ΔH)」指膜系統的焓或熱含量的變化，是膜系統熱力學勢的商或說明。
本文所用術語「熵變(ΔS)」指膜系統的熵變為在分子水平上更加無序狀態的熵。術語「氧化還原應激(redox stress)」指不同於標準的細胞還原/氧化電位(「氧化還原作用」)狀態的細胞條件。氧化還原應激包括ROS水平提高、穀胱甘肽水平降低以及改變細胞的氧化還原電位的任何其它情況。
本文所用術語「活性氧類別」指以下種類之一 a)超氧化物離子自由基(O2-)； b)過氧化氫(非自由基)(H2O2)； c)羥基自由基(*OH)； d)氫氧根離子(OH-)。
這些ROS通常通過以下反應鏈發生 O2→O2-+2H+→H2O2→OH-+*OH→OH- (e-) (e-) (e-) (e-) 本文所用術語「單線態氧」指(「1O2」)，其經由與三線態-激發分子相互作用形成。單線態氧為帶有其處於反平行自旋電子的非自由基中間體。因為單線態氧1O2的電子沒有自旋限制，所以其具有非常高的氧化本領，能夠輕易地攻擊膜(例如經由多不飽和脂肪酸或PUFA)胺基酸殘基、蛋白質和DNA。
本文所用術語「能量應激(energy stress)」指改變細胞中的ATP水平的條件。這可能是線粒體和/或細胞質膜中電子傳遞變化和與解偶聯劑或改變ΔΨ的輻射接觸。
本文所用術語「NIMELS效應」指用本發明在細胞的質膜和線粒體膜水平從ΔΨ-穩態到ΔΨ-瞬態的受輻射的細胞的生物能「狀態」改變。具體而言，NIMELS效應可弱化利用質子動力勢或化學滲透電位作為其能量需求的細胞合成代謝途徑或抗微生物劑和/或癌症的抗性機制。
本文所用術語「周質空間或周質」指在革蘭氏陰性細菌中細胞質膜與外膜之間的空間，在革蘭氏陽性細菌和真菌例如念珠菌和毛癬菌屬(Trichophyton species)中細胞質膜和細胞壁之間的空間。這種周質空間涉及各種各樣的生物化學途徑，包括營養物質獲得、肽聚糖合成、電子傳遞和改變對細胞有毒性的物質。在革蘭氏陽性細菌例如MRSA中，周質空間具有顯著的臨床意義，因為其是β-內醯胺酶滅活基於青黴素的抗生素的地方。
本文所用術語「流出泵」指將分子(例如抗生素、抗真菌劑或毒素)從細胞質或細胞周質輸出的主動轉運蛋白組件，其用於以能量依賴方式將分子從細胞移到外部環境。
本文所用術語「流出泵抑制劑」指幹擾流出泵從細胞輸出分子的能力的化合物或電磁輻射遞送系統和方法。特別地，本發明流出泵抑制劑為電磁輻射形式，其經由改變ΔΨ-穩態-哺、ΔΨ-穩態-真菌或ΔΨ-穩態-細菌幹擾泵從細胞排出治療性抗生素、抗真菌藥物、抗腫瘤藥物和毒素的能力。
細胞「利用流出泵抗性機制」意即細菌或真菌或癌症細胞將抗細菌和/或抗真菌和/或抗腫瘤的藥物從其細胞質或外周胞質流出到該細胞的外部環境中，藉此將這些藥物在細胞中的濃度降低到低於其抑制所述細胞生長和/或增殖所必需的濃度。
在細胞生長上下文中，術語抑制意即降低(若可能的話終止)細胞群生長和/或增殖的速率。
在蛋白質化學中，一級結構指胺基酸的線性排列；二級結構指線性胺基酸結構是否形成螺旋或β摺疊結構；蛋白質或任何其它大分子的三級結構為其立體結構，或換句話說，為整個單鏈分子的空間組織(包括構象)；四級結構為多個具三級結構的蛋白質分子的呈多亞基複合體的排布。
本文所用術語「蛋白質應激(protein stress)」指蛋白質(包括酶和參與膜轉運的其它蛋白質)三級和四級結構的熱力學改變。該術語包括但不限於蛋白質變性、蛋白質錯誤摺疊、蛋白質交聯、鏈間鍵和鏈內鍵(例如二硫鍵)的依賴氧的和不依賴氧的氧化作用、單個胺基酸的氧化作用等。
術語「pH應激(pH stress)」指細胞內pH的改變，即細胞內pH降低到低於約6.0或細胞內pH提高到高於約7.5pH。這可例如通過讓細胞與本文所述的本發明接觸並改變細胞膜組分或引起穩態膜電位ΔΨ-穩態變化來促成。
本文所用術語「抗真菌分子」指殺真菌或抑制真菌的化學藥品或化合物。本發明首要功效是其增強抗真菌分子的能力，其通過在真菌抗性菌株中抑制合成代謝反應和/或流出泵活性或抑制需要質子動力勢或化學滲透電位作為能量的其它抗性機制來增強。
本文所用術語「抗細菌分子(或藥物)」指殺細菌或抑制細菌的化學藥品或化合物。本發明另一首要功效在於其增強抗細菌分子的能力，其通過在細菌抗性菌株中抑制流出泵活性或抑制合成代謝反應和/或需要質子動力勢或化學滲透電位作為能量的其它抗性機制來增強。
本文所用抗細菌或抗真菌分子的「亞抑制濃度」指小於抑制群體中的大部分靶細胞所需的濃度。(在一個方面，靶細胞為被靶向治療的細胞，包括但不限於細菌、真菌和癌症細胞)。通常亞抑制濃度指小於最小抑制濃度(MIC)的濃度，除非明確規定，否則其定義為讓靶細胞的生長或增殖降低至少10％所需要的濃度。
本文所用術語「最小抑制濃度」或MIC定義為導致抑制微小生物生長的最低有效或治療濃度。
本文所用術語藥物或分子(例如抗細菌或抗真菌藥物)的「治療有效量」指與NIMELS一起將部分或完全減輕由靶(病原體)細胞引起的一種或多種症狀的濃度。特別地，治療有效量指與NIMELS一起產生如下效果的藥物量(1)如果不能消除也要降低患者體內靶細胞的數量；(2)抑制(即如果不能終止也要減慢)患者體內靶細胞的增殖；(3)抑制(即如果不能終止也要減慢)感染傳播；(4)減輕(如果不能消除的話)與感染有關的症狀。
本文所用術語「相互作用係數」定義為在NIMELS雷射和/或所述抗微生物分子與所述靶細胞之間的抑菌/殺菌和/或抑制真菌/殺真菌相互作用的大小的數值表示。
生物膜中能量轉移的熱力學 本發明涉及擾亂細胞膜生物熱力學(生物能學)並隨之降低受輻射的細胞足夠經受正常的能量轉移和能量轉化的能力。
本發明方法和系統在光學上改動和改變Ψd-質膜-哺、Ψd-線-哺、Ψd-質膜-真菌、Ψd-線-真菌和Ψd-質膜-細菌以進一步發起相同膜的ΔΨ和Δp的改變。這由脂質雙層長鏈脂肪酸的C-H共價鍵的近紅外靶向輻射引起，其導致偶極電位Ψd的變化。
為了幫助理解這種生物能改變的過程，提出以下關於對膜生物能學和生物膜中的能量轉移的熱力學應用的說明。首先，膜(脂質雙層，參見
圖1)擁有由與偶極基團和分子有關的結構(主要是磷脂(圖2)的酯鍵和水)產生的顯著的偶極電位Ψd。這些偶極基團被定向，使烴相對於外膜區帶正電荷(圖3)。通常偶極電位程度(degree)大，一般為幾百毫伏。第二個主要勢能(電荷跨膜分隔)產生了跨膜電位ΔΨ。跨膜電位定義為膜兩邊水體相之間的電位差，其由選擇性跨膜轉運帶電分子而產生。通常細胞膜的細胞質一側的電位相對於胞外的生理溶液為負(圖4A)。
偶極電位Ψd構成所有細胞質膜和線粒體膜的大部分的並且是功能上重要的部分的靜電電位。Ψd改變膜內電場，在非極性的雙層中心產生真正的正電荷。作為這種「正電荷」的結果，脂質膜在帶正電荷和負電荷的疏水離子之間的滲透率方面表現出顯著(例如最高到6個數量級)的差異。Ψd在膜對親脂離子的滲透性方面也起重要作用。
眾多細胞過程，例如蛋白質(酶)的結合和插入、蛋白質側向擴散、配體-受體識別和與內源及外源分子的膜融合中的某些步驟，都嚴重依賴膜雙層的物理性質Ψd。在模型膜系統中的研究業已闡明了單價和多價離子引起純脂質中的等溫相變、不同相的分離和混合物中各個組分分類簇集(distinct clustering)的能力。在膜中，諸如以上的這些變化(changes such as these)可對嵌入膜中的蛋白質和細胞色素的構象動力學(圖4B)產生物理影響，更明確地，在其進行周期(operating cycle)期間對其跨膜域經歷巨大的構象重排的蛋白質(圖5)產生物理影響。最重要的是，Ψd的變化被認為調控膜酶活性。
能量轉移 生物膜中的能量轉移通常涉及三種相互關聯的機制 1)氧化還原能轉換為儲存在跨膜離子電化學電位中的「自由能」，該自由能也稱作膜質子電化學梯度ΔμH+。位於膜兩邊的這種質子(這些質子參與涉及質子泵的主動轉運)之間的電化學電位差有時也稱作化學滲透電位或質子動力勢。
2)在哺乳動物細胞中，通過從細胞主動運出(Na+)來維持跨細胞質膜的(Na+)離子電化學梯度Δμx+。這是不同於質子電化學電位的梯度，其經由在氧化磷酸化作用期間從哺乳動物線粒體質子-動力勢Δp-線-哺產生的ATP由(泵)產生。
3)使用這種「自由能」以製造ATP(能量轉化)來推進跨膜的主動轉運，且同時在細胞中積聚所需溶質和代謝物，這被稱為磷酸化勢ΔGp。換言之，ΔGp是在任何給定組的ATP、ADP和Pi濃度下用於ATP合成的ΔG。
穩態跨膜電位(ΔΨ-穩態) 當其化學電位梯度ΔμH+和E(能量)的值暫時獨立並且沒有能量流穿過系統邊緣時，膜「系統」狀態處於平衡。若ΔμH+和E的膜系統變量恆定，但有淨能量流過該系統，那麼該膜系統處於穩態，並暫時獨立。
正是細胞(呼吸、生長和分裂的細胞)的這種暫時獨立的穩態跨膜和/或線粒體電位(ΔΨ-穩態)是焦點。如果未受到內部或外部事件的妨礙，在正常電子傳遞和氧化磷酸化作用期間的電子和質子或Na+/K+離子的這種跨線粒體膜或細胞質膜的「穩態」流動，很可能將一直繼續下去。膜熱力學的任何外部改變，將導致產生瞬態跨膜和/或線粒體電位ΔΨ-瞬態，這種從ΔΨ-穩態到ΔΨ-瞬態的變化是本發明目標。
狀態變量ΔΨ-穩態和ΔΨ-瞬態之間的數學關係稱為狀態方程。在熱力學中，狀態函數(state function或state quantity)是一種性質或系統，其僅依賴於系統的當前狀態。其不依賴於系統獲得其特定狀態的方式。本發明以暫時依賴方式促使跨膜和/或線粒體電位ΔΨ的狀態轉換，以使膜的生物能學從熱力學穩態條件ΔΨ-穩態變為處於瞬態ΔΨ-瞬態的能量應激和/或氧化還原應激之一。
這在ΔΨ-穩態-哺、ΔΨ-穩態-真菌、ΔΨ-穩態-細菌、ΔΨ-穩態-線-哺和ΔΨ-穩態-線-真菌中都可發生。不希望受任何理論的束縛，認為這種轉換由脂質雙層長鏈脂肪酸的C-H共價鍵的近紅外靶向輻射(用930nm波長)(其導致偶極電位Ψd改變)和細胞色素鏈的近紅外靶向輻射(用870nm的λ)(其同時改變膜的ΔΨ-穩態和氧化還原作用電位)引起。
熱力學第一定律和膜 熱力學第一定律(其適用於膜系統)的基本方面是隔熱系統(insulated system)的能量保持不變，熱和功二者都被認為是能量的等同形式。因此，膜系統的能量水平(Ψd和ΔΨ)可通過以下方式改變分別由力或壓強作用經過特定距離或在單元體積內所做的機械功的增加或減少；和/或跨膜溫度梯度傳遞的非破壞性熱。
本定律(能量守恆定律)假定與其環境隔熱的系統的總能量不變。因此，給系統增加任何量(能量)的熱和功必定在系統能量變化上得到反映。
紅外輻射的吸收 紅外輻射的個體光子不含有足以誘導如在紫外輻射的光子中可見的電子躍遷(在分子中)的能量(例如以電子伏特測量的)。為此，紅外輻射吸收限於在分子鍵的可能的振動和旋轉態中有小能量差異的化合物。
按照定義，對於吸收紅外輻射的膜雙層，在吸收紅外光子的脂質雙層分子鍵內的振動或旋轉必定引起膜偶極電位的淨變化。若紅外輻射頻率(波長)與吸收分子(即長鏈脂肪酸的C-H共價鍵)的振動頻率相匹配，則輻射將被吸收，導致ψd變化。這可發生在Ψd-質膜-哺、Ψd-線-哺、Ψd-質膜-真菌、Ψd-線-真菌和Ψd-質膜-細菌中。換言之，用本文所述方法和系統可使所有細胞脂質雙層的焓和熵(ΔH和ΔS)發生直接和被靶向的變化 本發明基於上面已經介紹的見解組合，部分源自包括下列的經驗數據 人們已了解，作為ROS和毒性單線態氧反應產生和相互作用的結果，獨特的單一波長(870nm和930nm)能夠殺死諸如大腸桿菌等細菌細胞(原核生物)和(真核生物)例如中國Hela倉鼠卵巢細胞(CHO)。參見例如於2003年8月26日提交的美國專利申請系列10/649910號和2004年2月11日提交的美國專利申請系列10/776106號，它們的整體教導通過引用合併到本文中。用這樣的NIMEL系統，已經確立本發明雷射系統和方法(NIMEL系統)以低於通常在共焦雷射顯微術中發現的功率密度的5log(例如在光阱(optical trap)中使用(大約到500,000w/cm2的低功率))將波長870nm和930nm組合而不是避免單獨的波長，以有利地開發這樣的波長用於治療雷射系統的用途。
這樣做的明確目的是為了使輻射野內的所有細胞的ΔΨ-穩態-哺、ΔΨ-穩態-真菌、ΔΨ-穩態-細菌、ΔΨ-穩態-線-哺和ΔΨ-穩態-線-真菌發生改變，對其進行處理並去極化。在本發明中這通過脂質雙層長鏈脂肪酸中的C-H共價鍵的近紅外靶向輻射(用930nm的能量)來實現，其導致輻射野內所有生物膜的偶極電位Ψd-質膜-哺、Ψd-線-哺、Ψd-質膜-真菌、Ψd-線-哺和Ψd-質膜-細菌發生改變。其次，細胞色素鏈的近紅外輻射(用870nm)將另外改變ΔΨ-穩態和具有細胞色素的膜(即細菌細胞質膜和真菌和哺乳動物線粒體)的氧化還原電位。
作為直接發色團(細胞色素和長鏈脂肪酸中的C-H鍵)，在本發明輻射路徑中所有細胞脂質雙層的膜脂類和細胞色素的分子動力學中將有直接的焓變和熵變。這將改變各種膜偶極電位Ψd並同時改變受輻射的細胞的所有膜的膜電位ΔΨ的絕對值。
通過脂類和細胞色素的金屬蛋白反應中心的分子運動(即ΔS)的顯著增加發生這些變化，因為它們在線性單光子過程中從NIMEL系統吸收能量。因為在脂質雙層和/或細胞色素中即使小的熱力學變化也將足以改變偶極電位Ψd，所以附著的電子傳遞蛋白質或跨膜蛋白的分子形狀(並由此酶的反應性)將使功能減弱。這將直接影響並改變受輻射的細胞所有膜的ΔΨ。
依照本文所述方法和系統，出現了NIMELS效應，重要的是對細胞膜沒有造成熱損傷或磨蝕機械損傷。這種聯合併定靶的低劑量方法是對現有方法的明顯改變和改進，而現有方法會導致能量束路徑內的所有膜的實際上的機械損傷。
膜熵和熱力學第二定律 熱能轉換為其它能量形式從來都是不完全的，(按照熱力學第二定律)總是必須伴隨熵的增加。熵(在膜中)是一種態函數，由於熱能輸入或輸出的(能量)變化和相關的分子重排，它在反應中的變化闡述了反應的方向。
即使熱能和機械能在其基本特性(作為能量形式)方面是等價的，但在將熱能轉化為功的能力方面仍有局限性，即熱能太多可永久損傷膜構造並在任一方向防止功或有益能量變化。
NIMELS效應將以臨時依賴方式在脂質雙層水平改變受輻射的細胞的熵「態」。熵的這種增加將改變所有受輻射的膜(線粒體和細胞質)的Ψd，並因此在熱力學上改變跨細胞膜的電子和質子的「穩態」流(圖6和7)。這進而又將穩態跨膜電位ΔΨ-穩態變為瞬態膜電位(ΔΨ-瞬態)。
這種現象將發生於 1)哺乳動物細胞質跨膜電位ΔΨ-質膜-哺； 2)真菌細胞質跨膜電位ΔΨ-質膜-真菌； 3)細菌細胞質跨膜電位ΔΨ-質膜-細菌； 4)哺乳動物線粒體跨膜電位ΔΨ-線-哺；和 5)真菌線粒體跨膜電位ΔΨ-線-真菌。
這是在流動鑲嵌膜中被靶向的長鏈脂肪酸的C-H鍵水平的焓變的直接結果，其引起對可改變膜的有形性質的動態無序(在膜中)的測量。這種流動鑲嵌增加熵，並可破壞電子傳遞蛋白的三級和四級性質，引起氧化還原應激、能量應激和隨後的ROS產生，那將進一步損傷膜並另外改變生物能學。
既然呼吸細胞電子傳遞系統的主要功能是在穩態條件下轉換能量，那麼本發明技術將用於在換能過程中暫時性機械-光學上解偶聯許多有關的熱力學相互作用。這可用改變質子電化學梯度ΔμH+和質子動力勢和膜Δp的絕對量值的明確意圖來完成。這種現象尤其可發生於 1)哺乳動物線粒體質子-動力勢(Δp-線-哺)； 2)真菌線粒體質子-動力勢(Δp-線-真菌)； 3)真菌細胞質膜質子-動力勢(Δp-質膜-真菌)；和 4)細菌細胞質膜質子-動力勢(Δp-質膜-細菌)。
這樣的現象可進而降低可用於磷酸化和合成ATP(ΔGp)的吉布斯自由能值ΔG。本發明實現這些現象以抑制必需依賴能量的合成代謝反應，增強藥物療法和/或降低細胞(對抗微生物劑、抗真菌劑和抗腫瘤分子)的抗性機制，因為很多這些抗性機制利用質子動力勢或化學滲透電位作為其能量需要以抵抗和/或流出這些分子。
由ΔΨ-穩態的改變導致的自由基產生 認為用於氧化磷酸化作用和其它生物能功的化學解偶聯劑的作用依賴膜(細胞質或線粒體)的充能狀態。另外，認為細菌膜或真核線粒體內膜的充能狀態是電化學質子梯度ΔμH+，該梯度通過在細胞呼吸作用和電子傳遞期間發生的初級質子轉移事件而建立。
直接驅散(去極化)ΔμH+(例如通過滲透偶聯膜使質子或補償性離子移動)的作用劑通過誘導膜電位ΔΨ-穩態的降低來短路能量耦聯和抑制生物能功。這將在呼吸作用(初級質子轉移)快速繼續時發生。
例如，氧化磷酸化作用的典型的解偶聯劑羰基氰化間氯苯腙(CCCP)誘導膜電位ΔΨ-穩態降低，並隨著呼吸作用繼續誘導伴隨產生ROS。這些作用劑(解偶聯劑)通常不能用作抗微生物劑、抗真菌劑或抗腫瘤劑，因為其對所有細菌、真菌和哺乳動物細胞都有相應的毒性作用。
然而，業已證明在抗抗微生物劑、抗真菌劑或抗腫瘤劑的很多靶標細胞中，Δp解偶聯劑(如CCCP)將破壞流出泵所需的能量梯度，因此誘導這些藥物在細胞內積聚急劇增加。這些結果清楚表明某些抗性機制(例如藥物流出泵)是由質子動力勢驅動的。如果有辦法使這種作用僅達到損傷「靶標細胞」，這種選擇性將是對解偶聯劑的普遍損害特性的明顯改進。
本發明的科學發現和實驗數據表明，隨著膜光學上去極化，ROS的產生會進一步增強受影響的細胞的去極化作用，並進一步增強本發明的抗細菌效果(參見實施例VIII)。
通過用NIMELS雷射輻射產生自由基和ROS 本發明可通過機械-光學上改變膜能量轉移過程的很多有關的熱力學相互作用以及改變ΔΨ-穩態，通過降低以下受輻射的膜的ΔμH+和Δp起光解偶聯劑的作用 1)哺乳動物線粒體質子-動力勢(Δp-線-哺)； 2)真菌線粒體質子-動力勢(Δp-線-真菌)； 3)真菌細胞質膜質子-動力勢(Δp-質膜-真菌)； 4)細菌細胞質膜質子-動力勢(Δp-質膜-細菌)。
這種降低的Δp將因為改變的氧化還原態而引起一系列的自由基和自由基氧中間體產生。業已用實驗方法證明了自由基和活性氧類別的產生，本文在以下闡述了ΔΨ-穩態改變為ΔΨ-瞬態(參見實施例VIII) 1)ΔΨ-穩態-哺+(NIMELS治療)→→ΔΨ-瞬態-哺； 2)ΔΨ-穩態-真菌+(NIMELS治療)→→ΔΨ-瞬態-真菌； 3)ΔΨ-穩態-細菌+(NIMELS治療)→→ΔΨ-瞬態-細菌； 4)ΔΨ-線-真菌+(NIMELS治療)→→ΔΨ-瞬態-線-真菌； 5)ΔΨ-線-哺+(NIMELS治療)→→ΔΨ-瞬態-線-哺。
因ΔΨ-穩態+(NIMELS治療)→→ΔΨ-瞬態現象而改變的氧化還原態和自由基及ROS的產生，可導致生物膜的嚴重進一步損傷，例如引起脂質過氧化作用。
脂質過氧化作用 脂質過氧化作用在微生物和哺乳動物界都是生物細胞損傷和死亡的主要原因。在該過程中，強氧化劑引起含有多不飽和脂肪酸(PUFA)的膜磷脂裂解。膜嚴重損傷可導致膜流體性的局部降低，完全破壞雙層膜的完整性。
線粒體膜(哺乳動物細胞和真菌)的過氧化作用對呼吸鏈具有有害結果，導致ATP的產量不足和細胞能量循環崩潰。細胞質膜(細菌)的過氧化作用可影響膜的滲透性，使膜蛋白(例如孔蛋白(porins)和流出泵)功能紊亂，抑制信號轉導，不恰當的細胞呼吸作用和ATP形成(即原核生物呼吸鏈位於細胞質膜，因為原核生物沒有線粒體)。
自由基 自由基定義為含有不成對電子的原子或分子。自由基可在生物環境中引起的損傷的實例為從多不飽和脂肪酸(PUFA)的雙-烯丙基C-H鍵除去一個電子(經由已有的或已產生的自由基)，這將產生以碳為中心的自由基。
R*+(PUFA)-CH(雙-烯丙基C-H鍵)→(PUFA)-C*+RH 該反應可起始生物膜的脂質過氧化損傷。還可將自由基加到非自由基分子中，產生自由基產物。
(A*+B→A-B*)或非自由基產物(A*+B→A-B) 這方面的實例為通過*OH羥化芳香化合物。
活性氧類別(ROS) 氧氣實際上是自由基種類。然而，因為其在不同的具有基態平行自旋的π-反鍵軌道中含有兩個不成對電子，(自旋限制)規則通常防止O2在沒有催化劑時接受具平行自旋的電子對。因此，O2必須一次接受一個電子。
細胞(原核和真核)中有很多重要供體，它們能夠刺激氧的一個電子還原，這將產生另外的自由基種類。
這些通常分類為 超氧化物離子自由基(O2-) 過氧化氫(非自由基)(H2O2) 羥基自由基(*OH) 羥基離子(OH-) 反應鏈為 O2→O2-+2H+→H2O2→OH-+*OH→OH- (e-) (e-) (e-) (e-) 超氧化物 文獻中對這些分子對細胞的威脅進行了適當分類。例如，超氧化物可作為氧化劑或還原劑起作用。
NADH→NAD+ 超氧化物對於生物體的新陳代謝有更高的重要性，可還原細胞色素C。通常認為超氧化物(O2-)與脂類(即膜)蛋白質和DNA的反應速率太慢，不具有生物學意義。超氧化物過氧羥自由基(HOO*)的質子化形式具有比(O2-)低的還原電位，但能夠從PUFA移走氫原子。同樣要注意的是，(HOO*)的pKa值為4.8，靠近生物膜的(酸性)微環境將有利於形成過氧羥自由基。此外，超氧化物(O2-)與任何游離Fe+3的反應將產生「過鐵酸基團(perferryl)」中間體，該中間體也可與PUFA反應並誘導脂類(膜)過氧化作用。
過氧化氫 過氧化氫(H2O2)(本身)不是好氧化劑，不能從PUFA移走氫。然而，它可跨過生物膜(相當容易)以在細胞的其它地方發揮危險有害的作用。例如，(H2O2)對微細胞環境內的過渡金屬元素(例如Fe+2和Cu+)具有高度反應性，然後可形成羥基自由基(*OH)(稱作Fenton反應)。羥基自由基是生物學中已知的最具活性的種類之一。
羥基自由基 羥基自由基(*OH)將與幾乎所有種類的生物分子反應。它具有極快的反應速率，該速率基本上由羥基自由基(*OH)的擴散速率和(*OH)形成位點附近與之反應的分子的存在(或不存在)來控制。實際上，羥基自由基(*OH)的標準還原電位(E0′)為(+2.31V)，高於(H2O2)的電位7倍的值，它在生物學有關自由基中分類為最具反應性。除破壞蛋白質和DNA之外，羥基自由基還將引發生物膜的脂質過氧化作用。
由PUFA的過氧化作用形成的活性氧類 此外，脂質過氧化作用(來自任何來源)的發展將導致從PUFA產生三種其它的活性氧類別中間體分子。
(a)烷基氫過氧化物(ROOH)； 象H2O2一樣，烷基氫過氧化物在技術上不是自由基種類，但在過渡金屬元素例如Fe+2和Cu+存在時不穩定。
(b)烷基過氧自由基(ROO*)；和 (c)烷氧基自由基(RO*)。
烷基過氧自由基和烷氧基自由基是極端活性氧類別，也有助於脂質過氧化作用的進一步傳送過程。因ΔΨ-穩態+(NIMELS治療)→→ΔΨ-瞬態現象而改變輻射細胞的氧化還原態並產生自由基和ROS是本發明的另一方面。這是一種相加效應，以進一步改變細胞生物能學並抑制必需依賴能量的合成代謝反應，增強藥物療法和/或降低細胞抗抗微生物分子、抗真菌分子和抗腫瘤分子的抗性機制。
過量產生ROS可損傷細胞大分子、上面所有的脂類。業已證明脂類氧化作用既改變生物膜的小規模結構動力學以及其更宏觀的側面組織，又改變發生變化的偶極矩Ψd組分的填充密度依賴的重新定向。(脂類中)醯基鏈的氧化損傷導致丟失雙鍵、縮短鏈和導入氫過氧化基團。因此，認為這些變化影響脂質雙層和偶極電位Ψd的結構特點和動力學。
抗微生物劑抗性 抗微生物劑抗性定義為微小生物倖存於抗微生物藥物或分子的能力。抗微生物劑抗性可經由自然選擇、通過隨機突變或通過基因工程改造自然發展而來。同樣地，微生物可經由諸如質粒交換機制在彼此之間轉移抗性基因。如果微小生物攜帶幾種抗性基因，就將其稱為多藥耐藥，或非正式地稱為「超級病菌」。
病原體細菌和真菌的多藥耐藥性在治療受這樣的生物體感染的患者中是個嚴重問題。目前，發明或發現安全用於人類的抗微生物藥物花費巨大而且很難。同樣地，已經出現發展為攻擊所有已知抗微生物劑種類和機制的突變生物體。因此，幾乎沒有抗微生物劑能夠保持其長期功效。抗微生物藥物抗性的大部分機制已知。
微生物表現抗微生物劑抗性的四種主要機制為 a)使藥物失活或修飾藥物； b)改變靶位點； c)改變代謝途徑；和 d)通過降低藥物滲透性和/或增加主動流出到細胞表面來減少藥物積聚。
抗性微生物實例 金黃色葡萄球菌是目前困擾人類的最重要的抗性細菌病原體之一。這種革蘭氏陽性菌主要發現於接近全世界成年人群的一半的黏膜和皮膚上。金黃色葡萄球菌非常適應所有已知抗生素種類的壓力。金黃色葡萄球菌是在1947年發現的第一種對青黴素有抗性的細菌。從此，發現對甲氧西林和苯唑青黴素(oxacillin)的幾乎完全抗性。1961年首次檢測到「超級病菌」MRSA(甲氧西林抗性金黃色葡萄球菌)，現在在全世界的醫院和社區中到處存在。今天，在美國所有金黃色葡萄球菌感染中超過半數對青黴素、甲氧西林、四環素(tetracycline)和紅黴素有抗性。最近，已經報告對新的抗生素種類(最近重新選擇的抗微生物劑)糖肽類和噁唑烷酮類中，有顯著抗性(萬古黴素從1996年，Zyvox從2003年)。
最近還出現成為流行病的新變種CA-MRSA(社區獲得的MRSA)，它是一組快速發展的致死性的疾病的原因，這些疾病包括壞死性肺炎、嚴重膿血症和壞死性筋膜炎。每日報告在矯正機構(correctional facilities)、運動隊、新兵連、新生兒室和男性同性戀活躍場所中有社區相關(CA)-MRSA感染髮作。現在在很多城區區域CA-MRSA感染看來幾乎成為地方病，引起大部分CA-金黃色葡萄球菌感染。
科學和醫學團體一直在努力發現現有抗微生物藥物的增效劑和細菌及真菌的抗性系統的抑制劑。這樣的增效劑和/或抑制劑如果對人無毒，那麼對於治療受病原體和抗性微生物感染的患者將非常有價值。美國多達80％的人在某處移生有金黃色葡萄球菌。大部分為間歇性移生，20-30％為持久性移生。衛生保健人員、糖尿病患者和依靠透析的患者都具有較高的移生率。鼻前孔是成年人的主要移生位點，其它潛在移生位點包括腋窩、直腸和會陰。
細菌ΔΨ-穩態的選擇性藥理學改變 有一類相當新穎的稱為脂肽類的殺菌性抗生素，其中的達託黴素(daptomycin)是FDA批准的第一個成員。經證明(在體外和體內)該抗生素可經由與目前市場上的其它抗生素明顯不同的作用機制迅速殺死幾乎所有臨床有關的革蘭氏陽性細菌(例如MRSA)。
達託黴素的作用機制涉及依賴鈣將脂肽化合物摻入到細菌細胞質膜中。在分子水平上，結合在兩個天冬氨酸殘基(在達託黴素分子中)之間的鈣減少了其淨負電荷，使得其可更好地與通常在革蘭氏陽性細菌細胞質膜中存在的帶負電的磷脂作用。由於通常與真菌或哺乳動物細胞在治療水平沒有相互作用，因而其為非常具選擇性的分子。
業已提出達託黴素的效果由對細菌細胞質膜的鈣依賴性作用而產生，這消除了跨膜膜電位梯度ΔμH+。這實際上是僅針對細菌膜的選擇性化學去極化作用。眾所周知，維持恰當的充能細胞質膜對於細菌細胞的存活和生長必不可少，但去極化作用(以這種方式)不能自行達到致死細菌的作用。例如，在鉀離子存在下可引起去極化作用的抗生素纈氨黴素(valinomycin)是抑菌劑而不是殺菌劑，CCCP的情況也同樣。
相反，在缺乏質子動力勢Δp這種跨膜電位梯度ΔμH+的主要組分時，細胞不能製造ATP或吸收生長和繁殖所需要的必需營養物質。ΔμH+的崩解解釋了由達託黴素產生的不同(有害)作用(例如抑制蛋白質、RNA、DNA、肽聚糖、脂磷壁酸和脂類生物合成)。
進一步調查關於藥物達託黴素的先前技術，提出加入慶大黴素(gentamicin)或米諾環素(minocycline)(到達託黴素中)導致提高了其對MRSA的殺菌活性。因為通過能量依賴的泵可將慶大黴素和米諾環素二者排出MRSA細胞，這兩種藥物是30S細菌核糖體水平的蛋白質合成(合成代謝功能)抑制劑。這指出通過達託黴素消除跨膜電位梯度ΔμH+可增強某些抗微生物藥物。這應該作為通過降低膜電位ΔΨ而作用減小的抗性機制和ATP不能用於(即伴隨著降低的ΔGp)蛋白質合成的合成代謝功能這一事實的結果而出現。
基於以上所述，很明顯需要能夠在特定靶標區域通過安全地降低靶細胞的膜電位ΔΨ(ΔΨ-穩態+(NIMELS治療)→→ΔΨ-瞬態)來光學上抑制靶細胞中藥物流出泵和/或合成代謝反應的活性。本發明方法用所選擇的紅外波長(例如870nm和930nm)不依賴任何外源化學作用劑(例如達託黴素)實現這一任務和其它任務。這是對需要系統藥物來完成同樣的任務的已有的先前技術方法明顯的改進。
多藥耐藥性流出泵 現在已知在革蘭氏陽性細菌、革蘭氏陰性細菌、真菌和癌症細胞中存在多藥耐藥性流出泵。流出泵通常具有賦予廣譜抗性機制的多特異性轉運體。這些可增強抗微生物劑抗性的其它機制(例如抗微生物劑靶標突變或抗微生物分子的酶修飾)的作用。用於抗微生物劑的主動流出臨床上可與以下抗微生物劑有關β-內醯胺抗微生物劑、大環內酯(marcolide)類、氟喹諾酮(fluoroquinolone)類、四環素類和其它重要的抗生素以及大部分抗真菌化合物，包括依曲康唑(itraconazole)和特比萘芬(terbinafine)。
由於流出泵抗性，微生物具有俘獲抗微生物劑或毒性化合物的能力並將其排出到細胞外面(環境)，藉此減低這些藥物的細胞內積聚。通常認為一種或多種這些流出泵的過表達防止藥物在細胞內積聚到其抑制活性必需的閥值。在微生物中，藥物流出普遍性地與形成電化學電位的質子動力勢和/或這些蛋白質泵所需的必需能量(ATP)偶聯。這包括 1)哺乳動物線粒體質子-動力勢(Δp-線-哺)； 2)真菌線粒體質子-動力勢(Δp-線-真菌)； 3)真菌細胞質膜質子-動力勢(Δp-質膜-真菌)；和 4)細菌細胞質膜質子-動力勢(Δp-質膜-細菌)。
細菌抗生素流出泵在系統發生上屬於5個超家族 (i)ABC(ATP結合盒)，它是由ATP水解提供能量的初級主動轉運體； (ii)SMR[DMT(藥物/代謝物轉運體)超家族的小的多藥耐藥性亞家族]； (iii)MATE[MOP(多藥物/低聚糖基-脂類/多聚糖翻轉酶)超家族的多-抗微生物劑擠出亞家族(multi-antimicrobial extrusion subfamily)]； (iv)MFS(主要易化超家族)；和 (v)RND(耐藥/結節/分化超家族)，它們是由離子梯度驅動的所有次級主動轉運體。
抑制流出泵的本發明方法是在受輻射的區域內膜ΔΨ的總的改變(光去極化作用)，其導致降低電化學梯度，從而降低磷酸化勢ΔGp和用於泵功能能量需求的能量。具有抑制靶標細胞的很多不同合成代謝和能量驅動機制(包括吸收用於正常生長的營養物質)的相同的光生物學機制也是本發明的目的。
流出泵能量減少靶向作用於機制的驅動力 今天，沒有屬於已經開發用於臨床的「能量阻止劑(energy-blocker)」分子家族的藥物用作流出泵抑制劑。已經發現有幾種分子為「通用」流出泵抑制劑。兩個這樣的分子為利血平(reserpine)和維拉帕米(verapamil)。這些分子最初分別作為囊泡單胺類轉運體的抑制劑和跨膜鈣進入阻滯劑(或鈣離子拮抗劑)被認識。維拉帕米在癌症細胞和某些寄生蟲中被稱為MDR泵抑制劑，還改進妥布黴素(tobramycin)的活性。
利血平通過改變為MDR流出泵功能所需的膜質子-動力勢Δp的產生來抑制Bmr和NorA的活性，Bmr和NorA是兩種革蘭氏陽性菌的流出泵。儘管這些分子能夠抑制與抗生素(即四環素)排出有關的ABC轉運體，但阻止細菌流出所需濃度對人有神經毒性。迄今為止，在用達託黴素的相似的實驗文獻中還沒有提及。真菌藥物流出主要由兩組膜結合轉運蛋白介導ATP結合盒(ABC)轉運體和主要易化超家族(MFS)泵。
細菌細胞質跨膜電位ΔΨ-質膜-細菌和細胞壁合成 在正常細胞新陳代謝期間，通過細胞質膜擠出質子形成ΔΨ-質膜-細菌。這種功能也酸化(降低pH)細菌細胞質膜近旁的狹窄區域。業已證明在革蘭氏陽性的枯草桿菌(Bacillus subtilis)中，當電子傳遞系統通過增加質子導體被阻滯時，提高了肽聚糖自溶素的活性(即不再受抑制)。這提示ΔΨ-質膜-細菌和ΔμH+(獨立於用於細胞酶功能的儲能)對細胞壁合成代謝功能和生理學潛在地具有深刻和開拓性的影響。
另外，業已證明ΔΨ-質膜-細菌解偶聯劑抑制肽聚糖形成與參與肽聚糖合成的核苷酸前體的積聚並抑制N-乙醯葡糖胺(GIcNAc)這種肽聚糖中最主要的生物高聚物的轉運。
對稱為速樸肽(tachyplesin)的抗微生物化合物也有提及，速樸肽降低革蘭氏陽性及革蘭氏陰性病原體中的ΔΨ-質膜-細菌(抗微生物劑組合物及其藥用製劑，美國專利第5,610,139號，其全部教導通過引用合併到本文中)。經證明該化合物在亞致死濃度時具有在MRSA中增強細胞壁合成抑制劑β-內醯胺抗生素氨苄青黴素(ampicillin)的能力。希望將光學上降低的ΔΨ-質膜-細菌的多種影響(即增加細胞壁自我分解、抑制細胞壁合成和增強細胞壁抗微生物劑)與靶向細菌細胞壁的任何其它相關抗微生物治療結合。這在革蘭氏陽性細菌例如MRSA中尤其有意義，所述MRSA不具有流出泵作為細胞壁抑制抗微生物化合物的抗性機制。
細胞壁抑制化合物在革蘭氏陽性細菌中不必如其在革蘭氏陰性細菌中所必需一樣通過膜獲得入口，來表現抗細胞壁作用。實驗證據已經證明(參見實施例XII)，NIMELS雷射及其伴隨的光ΔΨ-質膜-細菌降低的現象在MRSA中與細胞壁抑制抗微生物劑起協同作用。這必須經由抑制合成代謝(外周胞質)ATP偶聯功能來起作用，因為MRSA不具有對肽聚糖抑制抗微生物劑起作用的流出泵，因為它們不必進入細胞來生效。
ΔΨ-質膜-真菌和ΔΨ-線-真菌對糾正細胞功能和抗性抗真菌劑必不可少 在正常細胞新陳代謝期間，ΔΨ-線-真菌在線粒體中經由電子傳遞系統產生，然後經由線粒體ATP合酶酶系統產生ATP。然後正是ATP為細胞質膜結合H+-ATP酶提供動力以產生ΔΨ-質膜-真菌。先前業已發現化學藥品水蓼二醛(polygodial)以劑量依賴方式抑制真菌線粒體ATP合酶(Lunde和Kubo，Antimicrob Agents Chemother.2000年7月，44(7)1943-1953，其全部教導通過引用合併到本文中)。進一步發現這種經誘導的細胞質ATP濃度降低導致產生ΔΨ-質膜-真菌的細胞質膜結合的H+-ATP酶的抑制，這種損害進一步弱化其它細胞活性。另外，ΔΨ-質膜-真菌的降低將引起導致質子流入的細胞質膜生物能和熱力學破壞，這將瓦解質子動力勢並因此抑制營養物質吸收。
更重要的是，ATP是生物合成真菌細胞質膜脂類麥角固醇所必須的。麥角固醇是被在今天的醫藥中所用的有關商業抗真菌化合物(即唑類、特比萘芬和依曲康唑)的大部分所靶向的結構脂類。
研究業已證明兩種抗微生物肽(Pep2和Hst5)具有引起ATP流出真菌細胞(即消耗細胞內的ATP濃度)的能力，這種降低的胞質ATP導致ABC轉運體CDR1和CDR2失活，它們是依賴ATP的抗真菌藥物流出泵。
使用光方法使膜去極化並消耗真菌的細胞ATP作為流出泵抑制劑和合成代謝反應的增效劑是有利的。因此，需要光學上改變ΔΨ-質膜-真菌和/或ΔΨ-線-真菌來抑制必需細胞功能、ATP產生和增強抗真菌化合物。
因此，用於防止藥物抗性(經由流出泵)的策略之一是降低細胞內ATP水平，該水平誘導依賴ATP的流出泵失活。在真菌病原體中，一直沒有可接受的化學藥物來完成該任務。然而，NIMELS效應有能力在光學上完成該目標，實驗證據業已證明NIMELS雷射和在真菌中的現象與抗真菌化合物有協同作用(參見實施例XIII)。
這種NIMELS效應將依照本文所公開的方法和系統發生，而對細胞膜不會產生熱量或磨蝕機械損傷。這種聯合併靶向的低劑量方法是對所有現有方法的明顯改變和改進，而現有方法會導致能量射束路徑內的所有膜的實際上的機械損傷。
在第一方面，本發明提供改變NIMELS射束路徑內所有膜的偶極電位Ψd(Ψd-質膜-哺、Ψd-線-哺、Ψd-質膜-真菌、真菌Ψd-線-哺和Ψd-質膜-細菌)以在同樣的膜中發動一連串ΔΨ和Δp的進一步改變的方法。
將所有受輻射的細胞生物能穩態膜電位ΔΨ-穩態(ΔΨ-穩態-哺、ΔΨ-穩態-真菌、ΔΨ-穩態-細菌、ΔΨ-穩態-線-哺和ΔΨ-穩態-線-真菌)改變為ΔΨ-瞬態值(ΔΨ-瞬態-哺、ΔΨ-瞬態-真菌、ΔΨ-瞬態-細菌、ΔΨ-瞬態-線-哺和ΔΨ-瞬態-線-真菌)。這導致伴隨的去極化作用和所有受輻射的細胞的Δp(Δp-線-哺、Δp-線-真菌、Δp-質膜-真菌和Δp-質膜-細菌)絕對值的可計量的改變。
通過用所需波長、功率密度水平和/或能量密度水平的光輻射輻射靶位點，這些現象發生了，而對除被靶向的生物汙染物(細菌和真菌)外的特定靶位點其中/其上的生物學對象(例如哺乳動物組織、細胞或某些生化製劑例如蛋白質製劑)沒有無法耐受的風險和/或無法耐受的有害作用。
在某些實施方案中，這樣施用的光輻射可如本文所述在NIMELS放射量具有約850nm-約900nm的波長。在例示性實施方案中，使用約865nm-約875nm的波長。在另外實施方案中，這樣施用的光輻射可在NIMELS放射量具有約905nm-約945nm的波長。在某些實施方案中，這樣施用的光輻射可具有約925nm-約935nm的波長。在下文所例示的代表性的非限制性實施方案中，採用的波長為930nm。
在如下所示的例示性實施方案中，可改變生物能穩態膜電位，並可採用包括分別將870和930nm擴入括號的範圍的多波長範圍。
NIMELS增強標尺(NPMS) 如前面所詳述，NIMELS參數包括雷射二極體的平均單一或相加的輸出功率和二極體的波長(870nm和930nm)。這一信息與靶位點的一束或多束雷射射束面積(cm2)、雷射系統功率輸出和輻射時間聯合在一起，提供可用於計算本發明的有效而又安全的輻射方案的整套信息。
基於用NIMELS雷射獲得的這些新的抗性逆轉和抗微生物劑增強的相互作用，需要有對每一種獨特的抗微生物劑和雷射放射量適用的「增強效果」的定量值。
定義一組新參數以考慮執行NIMELS雷射的任何不同的放射量值和所檢查的特定抗微生物劑的任何MIC值。可僅通過在用NIMELS系統的任何特定實驗或治療參數內創造一組定量測定病原體生物體的CFU的變量，來簡單適應NIMELS雷射系統和方法。
這些參數創造了稱為NIMELS增強標尺(NPMS)的尺度，開發了NIMELS雷射固有的逆轉抗性和/或增強抗微生物藥物的MIC的現象，也用功率和/或治療時間產生了對灼傷或損傷鄰近組織的安全性的量度標準。NPMS尺度測量1-10之間的NIMELS效應數(Ne)，其中目標是以抗微生物劑濃度和NIMELS放射量的任何安全組合在降低病原體CFU計數中達到Ne≥4。儘管CFU計數在此處用於定量測定病原體生物體，但其它定量手段，例如染色檢測方法或聚合酶鏈反應(PCR)方法，也可用於獲得A、B和Np參數的值。
NIMELS效應數Ne是相互作用係數，它表示抗微生物藥物與NIMELS雷射協同對抗病原體靶標而對健康組織無害的聯合抑制性/抑菌性效果的程度。
NIMELS增強數(Np)是表示特定濃度的抗微生物劑對病原體靶標是否有協同作用或拮抗作用而對健康組織無害的值。因此，在任何特定組的標準實驗或治療參數內 ·A＝單用NIMELS時病原體的CFU計數； ·B＝單用抗微生物劑時病原體的CFU計數； ·Np＝用(NIMELS+抗微生物劑)時病原體的CFU計數；和 ·Ne＝(A+B)/2Np； NIMELS效應數Ne的解釋 其中 若2Np＜A+B，則在所採用的濃度和放射量用NIMELS雷射成功地增強了(特定)抗微生物劑； 然後 若Ne＝1，則沒有增強效果。若Ne＞1，則有增強效果。若Ne≥2，則對抗微生物劑至少有50％增強效果。若Ne≥4，則對抗微生物劑至少有75％增強效果。若Ne≥10，則對抗微生物劑至少有90％增強效果。
樣品計算1 ·A＝110CFU ·B＝120CFU ·Np＝75CFU ·Ne＝(110CFU+120CFU)/2(75)＝1.5 樣品計算2 ·A＝150CFU ·B＝90CFU ·Np＝30CFU ·Ne＝(150CFU+90CFU)/2(30)＝4 一般而言，當治療微生物感染時，用較低劑量的抗微生物劑可能有利，因為抗微生物劑很貴，並基本上與不合需要的副作用有關聯，這些副作用可包括系統性腎損傷和/或肝損傷。因此，需要設計降低和/或增強抗微生物劑MIC的方法。本發明提供當治療的區域同時用NIMELS雷射系統治療時降低抗微生物分子的MIC的系統和方法。
如果降低了用於局部和有抗性的病灶感染(例如皮膚、糖尿病足、褥瘡)的抗微生物劑的MIC，那麼將可恢復很多較老的、較便宜的和更安全的抗微生物劑治療這些感染的療效。因此，通過加入NIMELS雷射(例如產生在一方面＞1，在另一方面≥4，在再一方面≥10的Ne值)來降低抗微生物劑的MIC，代表朝著恢復曾經失去的抗生素療效的正確步驟。
因此，在一個方面，本發明提供降低根除或至少弱化微生物病原體所必需的抗微生物分子的MIC的方法和系統，其經由受輻射區內膜的去極化作用來實現，膜的去極化作用將降低受輻射的細胞的膜電位ΔΨ。這種變弱的ΔΨ將引起關聯性的弱化質子動力勢Δp和所影響的所有膜的相關生物能學。這種「NIMELS效應」增強抵抗微生物感染並對人宿主引起傷害的現有抗微生物分子，這是本發明另一目標。
在某些實施方案中，這樣施用的光輻射如本文所述在NIMELS放射量具有約850nm-約900nm的波長。在例示性實施方案中，使用約865nm-約875nm的波長。在另外的實施方案中，這樣施用的光輻射可在NIMELS放射量具有約905nm-約945nm的波長。在某些實施方案中，這樣施用的光輻射可具有約925nm-約935nm的波長。在一方面，採用的波長為930nm。
其生物能系統受到本發明NIMELS雷射系統影響的微生物病原體包括諸如細菌、真菌、黴菌、支原體、原生動物和寄生蟲等微生物。如下所述，例示性實施方案可採用包括分別將870和930nm擴入括號的範圍的多波長範圍。
在本發明一個方面的方法中，設想波長範圍的輻射獨立地按順序、以混合比或基本上並行地(所有都可使用脈衝波和/或連續波，CW，運行)實施。
可在給予抗微生物劑之前，之後或並行施予NIMELS能量以NIMELS放射量對生物汙染物輻射。然而，所述以NIMELS放射量的NIMELS能量可在受感染的個體或其它哺乳動物中抗微生物劑達到「峰血漿水平」之後給予。應該注意的是，聯合給予的抗微生物劑應該具有抵抗抗性的靶標汙染物的任何天然敏感變體的抗微生物活性。
在約0.01M或更小或約0.001M或更小或約0.0005M或更小的抗微生物劑濃度，本發明方法和系統輻射的波長將汙染物的敏感性增加到相似的非抗性汙染物株的水平。
本發明方法減慢或消除靶位點的微生物汙染物的進展，改進至少與汙染物有關的某些症狀或無症狀病理狀態，和/或增加汙染物對抗微生物劑的敏感性。例如，本發明方法通過增加生物汙染物對抗微生物劑(生物汙染物已經發展出或獲得對該抗微生物劑的抗性)的敏感性來導致靶位點的微生物汙染物水平降低，和/或增強抗菌化合物活性，而對生物對象沒有不利作用。與治療前水平比較，微生物汙染物水平可降低例如至少10％、20％、30％、50％、70％或更多。關於生物汙染物對抗微生物劑的敏感性，所述敏感性增強至少10％。
在另一方面，本發明提供實現本發明其它方面的方法的系統。這樣的系統包括用於產生輻射的雷射振蕩器、用於計算和控制輻射劑量的控制器和用於將輻射通過應用區域傳輸到治療位點的遞送組件(系統)。合適的遞送組件/系統包括空芯光波導管(hollow waveguides)、光纖和/或自由空間(free space)/射束光傳輸組分。合適的自由空間/射束光傳輸組分包括準直透鏡和/或孔徑光闌。
在一種形式中，系統使用兩個或多個固態二極體雷射起雙波長近紅外光源作用。所述兩個或多個固態二極體雷射可用統一的控制器定位於單獨架子上。所述兩種波長可包括在約850nm-約900nm和約905nm-約945nm的兩個範圍的發射。使用本發明雷射振蕩器發射本文公開範圍之一的單波長(或峰值，例如中心波長)。在某些實施方案中，這樣的雷射器用於發射基本上在約865-875nm和約925-935nm範圍內的輻射。
本發明系統可包括期望產生的每一單個波長範圍的合適的光源。例如，使用合適的固態雷射二極體、可變超短脈衝雷射振蕩器或摻雜離子(例如用合適的稀土元素)的光纖或光纖雷射器。在一種形式中，合適的近紅外雷射器包括摻鈦藍寶石。包括含其它固態、液態或氣體增益(主動)媒介雷射源在內的其它合適的雷射源可在本發明範圍內使用。
按照本發明一個實施方案，治療系統包括適合產生基本上在約850nm-約900nm的第一波長範圍內的光輻射的光輻射產生系統，促成通過應用區域傳輸光輻射的遞送組件，和與光輻射產生裝置操作性地連在一起用於控制通過應用區域傳輸輻射劑量以使每單位面積傳輸輻射的功率密度和能量密度時間積分低於預定閥值的控制器。同樣在該實施方案內，治療系統尤其適於產生基本上在約865nm-約875nm的第一波長範圍的光輻射。
按照另外的實施方案，治療系統包括經配置產生基本上在約905nm-約945nm的第二波長範圍的光輻射的光輻射產生裝置；在某些實施方案中，光輻射產生裝置同時或並行/序貫產生所述第一波長範圍。同樣是在該實施方案範圍內，治療系統尤其適於產生基本上在約925nm-約935nm的第一波長範圍的光輻射。
治療系統可進一步包括用於通過應用區域傳輸第二波長範圍(在可適用的地方為第一波長範圍)的光輻射的遞送組件(系統)，和操作性地用於控制選擇性產生基本上在第一波長範圍或基本上在第二波長範圍或其任何組合的輻射的光輻射產生裝置的控制器。
按照一個實施方案，遞送組件包括一種或多種光纖，其末端經配置和排布用於在醫療器械的光傳輸範圍內的某位置插入患者組織，其中以NIMELS放射量將輻射遞送到醫療器械周圍的組織。遞送組件可進一步包括自由射束光系統。
按照另外的實施方案，治療系統控制器包括控制輻射劑量的功率限幅器。控制器可進一步包括儲存患者概況的存儲器和用於根據操作者輸入的信息計算特定靶位點所需劑量的放射量計算器。在一個方面，存儲器也可用於儲存關於不同類型疾病和治療概況的信息，例如，與特定應用有關的輻射型式和輻射劑量。可按不同型式將光輻射從治療系統遞送到應用位點。可作為連續波(CW)或脈衝或每種的組合來產生和傳輸輻射，例如，以單波長型式或以多波長(例如雙波長)型式。例如，可將兩種輻射波長多路傳輸(光聯合)或同時傳輸到相同治療位點。可使用的合適的光組合技術包括但不限於偏振射束分光器(組合器)的使用，和/或從合適的鏡子和/或透鏡聚焦輸出的重疊，或其它合適的多路傳輸/聯合技術。或者，可以以交替型式來傳輸輻射，其中將兩個波長的輻射交替傳輸到同一治療位點。可按照本發明NIMELS技術按需來選擇兩個或多個脈衝之間的時間間隔。每次治療可聯合任何這些傳輸模式。可按需選擇傳輸的光輻射的強度分布。
例示性實施方案包括高頂禮帽(top-hat)式或基本上高頂禮帽式(例如梯形等)強度分布。可使用其它強度分布，例如高斯分布。
本文所用術語「生物汙染物」用來指經與靶位點直接或間接接觸，能夠對靶位點(例如患者受感染的組織或器官)或對接近靶位點的哺乳動物(例如，諸如，舉例而言，在細胞、組織或移植在受者中的器官的情況下，或在用於患者的裝置的情況下)產生不需要的和/或有害作用的汙染物。根據本發明的生物汙染物為通常在靶位點發現的諸如細菌、真菌、黴菌、支原體、原生動物、寄生蟲等微生物，它們為本領域技術人員已知。
本領域技術人員將理解，本發明方法和系統可應用於相關的通常為本領域技術人員已知的多種生物汙染物。提供以下名單僅為了闡明可根據本發明方法和裝置靶向的寬廣範圍的微生物的目的，並非意欲限制本發明範圍。
因此，生物汙染物(病原體)的例證性非限制性實例包括但不限於任何細菌，例如埃希氏菌屬(Escherichia)、大腸桿菌屬(Enterobater)、芽胞桿菌屬(Bacillus)、弧形桿菌屬(Campylobacter)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)、克雷伯菌屬(Klebsiella)、密螺旋體屬(Treponema)、弧菌屬(Vibrio)、鏈球菌屬(Streptococcus)和葡萄球菌屬(Staphylococcus)。
為進一步闡明，所考慮的生物汙染物包括但不限於任何真菌，例如毛癬菌屬(Trichophyton)、小孢子菌屬(Microsporum)、表皮癬菌屬(Epidermophyton)、念珠菌屬、短柄帚黴(Scopulariopsis brevicaulis)、鐮刀菌屬(Fusarium spp)、麴黴屬(Aspergillus spp)、鏈格孢屬(Alternaria)、枝頂孢屬(Acremonium)、雙間柱頂孢(Scytalidinumdimidiatum)和透明小柱透明柱黴(Scytalidium hyalinum)。寄生蟲也可為被靶向的生物汙染物，例如錐蟲(Trypanosoma)和瘧原蟲(malarialparasites)，包括瘧原蟲種，以及黴菌、支原體和朊病毒。還可靶向病毒，包括例如人免疫缺陷病毒和其它逆轉錄病毒、皰疹病毒、細小病毒、絲狀病毒、圓環病毒、副粘病毒、巨細胞病毒、肝炎病毒(包括B型肝炎和C型肝炎)、痘病毒、披膜病毒、EB病毒和細小病毒。
應該理解，待輻射的靶位點不必已經受到生物汙染物感染。本發明方法甚至可用於在感染前「預防」。另外的實施方案包括在醫療器械上使用，例如導管(例如IV導管、中心靜脈導管、動脈導管、外周導管、透析導管、腹膜透析管、硬膜外麻醉導管)、人造關節、支架、外固定器(external fixator pins)、胸導管、飼餵管等。
在某些情況下，輻射可治標以及預防。因此，為治療或減輕感染症狀，本發明方法以治療有效量的時間來輻射一個或多個組織。措辭「治療或減輕」意即與沒有受到這樣的治療的個體的症狀比較，減輕、防止和/或逆轉按本發明治療的個體的症狀。
本領域技術人員應該明白，本發明應用於相關的由微生物、真菌和病毒感染引起的或否則與之有關的疾病(參見Harrison的Principlesof Internal Medicine(內科醫學原理)，第13版，McGraw Hill，New York(1994)，其全部教導通過引用合併到本文中)。在某些實施方案中，本發明方法和系統與本領域可用的傳統治療方法一起使用(參見例如Goodman和Gilman的The Pharmacological Basis of Therapeutics(治療學的藥理學基礎)，第8版，1990，Pergmon Press，其全部教導通過引用合併到本文中)，以通過給予已知抗菌組合物來治療感染。術語「抗微生物組合物」、「抗微生物劑」指將其給予動物(包括人)並抑制微生物感染增殖的化合物和其組合(例如抗細菌劑、抗真菌劑和抗病毒劑)。
所考慮的廣泛應用範圍(wide breath)包括例如所提及的不在少數的多種皮膚病、手足病、小兒病和一般藥。待治療的靶位點與給予的能量之間的相互作用由多種參數來定義，這些參數包括波長、靶位點的化學和物理性質、功率密度或射束輻照度、使用的是連續波(CW)還是脈衝輻射、雷射射束光點直徑、照射時間、能量密度和作為具有任何這些參數的雷射輻射的結果的靶位點物理性質的任何變化。另外，靶位點的物理性質(例如吸收和散射係數、散射各向異性、熱傳導性、熱容量和機械強度)也可影響總體效果和結果。
NIMELS放射量(dosimetry)表示功率密度(W/cm2)和能量密度(J/cm2，此處1瓦＝1焦耳/秒)值，在該值時主題波長能夠產生ROS，並藉此降低靶位點生物汙染物的水平，和/或輻射汙染物以通過降低ΔΨ且同時產生ROS來增加生物汙染物(所述汙染物有對該抗微生物劑的抗性)對抗微生物劑的敏感性，而對除生物汙染物外的生物部分(例如哺乳動物細胞、組織或器官)沒有無法耐受的風險和/或無法耐受的副作用。
如Boulnois 1986(Lasers Med Sci 147-66(1986)，其全部教導通過引用合併到本文中)所述，以低功率密度(也稱作輻照度)和/或能量，雷射-組織之間的相互作用可闡述為純粹的光學(光化學)，而以較高功率密度，光-熱相互作用隨之發生。在下文例示的某些實施方案中，NIMELS放射量參數位於在傳統上光動力療法與外源藥物、染料和/或發色團一起使用的區域裡已知的光化學和光-熱參數之間，但可在不需要外源藥物、染料和/或發色團的光動力療法領域起作用。
能量密度-也可表達為流量(fluence)或粒子或放射流和時間的乘積(或積分)-用於本領域醫學雷射應用通常在約1 J/cm2-約10,000J/cm2(5個數量級)之間變化，然而功率密度(輻照度)在約1x10-3W/cm2-超過約1012W/cm2(15個數量級)之間變化。當功率密度和輻射照射時間之間採用反向相關關係時，可觀察到對於任何預期的雷射-組織相互作用需要大約同樣的能量密度。結果，雷射照射持續時間(輻射時間)是確定雷射-組織作用的特性和安全性的主要參數。例如，如果人們在算術上在體內尋找組織熱蒸發(非磨蝕)(基於Boulnois 1986)，那麼可觀察到為了產生1000J/cm2的能量密度(參見表1)，人們可使用任何以下放射量參數 表1在Boulnois表基礎上派生的數值實例 功率密度時間 能量密度 1x105W/cm2 0.01秒 1000J/cm2 1x104W/cm2 0.10秒 1000J/cm2 1x103W/cm2 1.00秒 1000J/cm2 該級數闡述了可用於對抗組織中的生物汙染物的NIMELS相互作用的合適的方法或基本運算法則。換言之，為了達到雷射-組織相互作用現象，該數學關係為反向相關。通過在能量密度和時間和功率參數中插入NIMELS實驗數據，該基本原理可用作放射量計算的基礎用於觀察到的由NIMELS能量賦予的抗菌現象。
在受輻射的靶位點特定相互作用(例如靶位點的化學和物理性質；使用的是連續波(CW)還是脈衝輻射；雷射射束光點直徑；和作為具任何這些參數的雷射輻射的結果的靶位點物理性質的任何變化，例如吸收和散射係數、散射各向異性、熱傳導性、熱容量和機械強度)的基礎上，執行者能夠調整功率密度和時間以獲得所需要的能量密度。
本文所提供的實例顯示了在體外和體內治療兩種情況下這樣的關係。因此，在治療情況下，例如甲癬或受感染的傷口，對於具有1-4cm直徑的光點直徑，功率密度值在約0.5W/cm2-約5W/cm2之間變化，以維持在遠低於「變性」和「組織過熱」水平的安全和不損傷/最小程度損傷熱雷射-組織相互作用範圍內。可使用其它合適的光點直徑。對於這種反向相關關係，只要傳輸了所需能量，用於具有這些波長的NIMELS相互作用所需的閥值能量密度可保持不依賴於光點直徑。在例示性實施方案中，通過均一的幾何分布將光能輸送到組織(例如平頂或高頂禮帽級數)。用這樣的技術，可計算足以產生ROS(NIMELS效應)的合適的NIMELS放射量，以達到降低生物汙染物水平和/或提高生物汙染物(所述汙染物對抗微生物劑有抗性)對抗微生物劑的敏感性所需但低於「變性」和「組織過熱」水平的的閥值能量密度。
本文例示的在體內靶向微生物(例如甲癬)的NIMELS放射量為約200J/cm2-約700J/cm2，實施大約100-700秒。這些功率值沒有接近與光切除或光熱(雷射/組織)相互作用有關的功率值。
校準的雷射射束的強度分布由射束的功率密度給出，並被定義為雷射輸出功率與以(cm2)表示的圓面積的比率和能量的空間分布型式。因此，入射面積為1.77cm2的高斯射束模式的1.5cm輻射光點的照射模式可在1.77cm2輻射區內產生至少6個不同的功率密度值。這些變化的功率密度將光點表面區域上的強度(或能量濃度)從1(在外圍)增加到中心點的6。在本發明某些實施方案中，提供射束模式，其克服了這種與傳統雷射射束髮射有關的固有誤差。NIMELS參數可作為治療時間(Tn)的函數按照下式計算 Tn＝能量密度/功率密度 在某些實施方案中(參見例下文體外實驗)，Tn為約50-約300秒，在其它實施方案中，Tn為約75-約200秒，在又一實施方案中，Tn為約100-約150秒。在體內實施方案中，Tn為約100-約1200秒。
使用上述關係和所需的光強度分布，例如本文所述平頂照明幾何分布，業已實驗性證明了一系列體內能量參數用於體外NIMELS微生物去汙染治療有效。因此，業已證明對於給定靶位點關鍵參數為以多種不同光點直徑和功率密度用於NIMELS治療所需的能量密度。
「NIMELS放射量」包括從第一閥值點(本發明主題波長在此點能夠光學上降低靶位點的ΔΨ)到第二終點和/或增加生物汙染物(所述汙染物抗該抗微生物劑)對抗微生物劑的敏感性(該數值臨近檢測到對生物部分的無法耐受的不利風險或作用(例如熱損傷，例如穿孔)的數值)的功率密度和/或能量密度範圍。本領域技術人員應該了解，在某種情況下，考慮到從本發明方法獲得的內在益處，可容忍對靶位點(例如哺乳動物細胞、組織或器官)的有害作用和/或風險。因此，預期終止點為在該點時有害作用相當大並由此而不必要(例如細胞死亡、蛋白質變性、DNA損傷、發病率或死亡率)的點。
在某些實施方案中，例如對於體內應用，本文涵蓋的功率密度範為約0.25-約40W/cm2。在其它實施方案中，功率密度範圍為約0.5W/cm2-約25W/cm2。
在另外實施方案中，功率密度範圍可包括約0.5W/cm2-約10W/cm2的值。本文例示的功率密度為約0.5W/cm2-約5W/cm2。業已在體內證明約1.5-約2.5W/cm2的功率密度對於各種微生物有效。
經驗數據似乎顯示當在體外裝置(例如培養板)而不是體內(指甲)靶向生物汙染物時，通常使用較高的功率密度。
在某些實施方案中(參見以下體外實施例)，本文預期的能量密度範圍大於50J/cm2但小於約25,000J/cm2。在其它實施方案中，能量密度範圍為約750J/cm2-約7,000J/cm2。在又一實施方案中，能量密度範圍為約1,500J/cm2-約6,000J/cm2，取決於生物汙染物是在體外裝置(例如培養板)中還是在體內(例如腳指甲或醫療器械周圍)被靶向。在某些實施方案中(參見以下體內實施例)，能量密度為約100J/cm2-約500J/cm2。在其它體內實施方案，能量密度為約175J/cm2-約300J/cm2。在又一實施方案中，能量密度為約200J/cm2-約250J/cm2。在某些實施方案中，能量密度為約300J/cm2-約700J/cm2。在某些其它實施方案中，能量密度為約300J/cm2-約500J/cm2。在又一實施方案中，能量密度為約300J/cm2-約450J/cm2。
用於各種體外治療微生物種類的經驗試驗的功率密度為約1W/cm2-約10W/cm2。
本領域技術人員應該了解，在本文涵蓋的功率密度和能量密度範圍內，用於特定情況的具體合適的NIMELS放射量值的確定可經由常規試驗以經驗為主來進行。近紅外能量與牙周治療聯合使用的從業者(例如牙醫)根據各個給定患者有關的緊急事件例行調整功率密度和能量密度(例如調整作為組織顏色、組織構造和病原體入侵深度函數的參數)。舉例而言，雷射治療淺色組織的牙周感染(例如黑色素缺乏患者)將比深色組織具有更大的熱安全參數，因為深色組織將更有效地吸收近紅外能量，並因此將這些近紅外能量在該組織中更快地轉化為熱。因此，明顯需要從業者確定用於不同治療方案的多種不同NIMELS放射量值的能力。
如下所述，業已發現按照本發明方法可有效治療抗生素抗性細菌。另外，業已發現本發明方法可用於增強傳統方法，用於與傳統方法聯合使用，代替傳統治療或甚至連續地作為有效治療方法。因此，本發明可與抗生素治療聯合。術語「抗生素」包括但不限於β-內醯胺類、青黴素類和頭孢菌素類、萬古黴素類、桿菌肽類、大環內酯類(紅黴素類)、酮內酯(ketolide)類(泰利黴素(telithromycin))、林可醯胺(lincosamide)類(林大黴素(clindomycin))、氯黴素(chloramphenicol)類、四環素類、氨基糖苷(aminoglycoside)類(慶大黴素類)、兩性黴素類、anilinouracils、頭孢唑啉(cefazolin)類、克林黴素(clindamycin)類、莫匹羅星(mupirocin)類、磺胺(sulfonamide)類和甲氧苄啶(Trimethoprim)、利福平(rifampicin)類、甲硝唑(metronidazole)類、喹諾酮(quinolone)類、新生黴素(novobiocin)類、多粘菌素(polymixin)類、噁唑烷酮類(例如雷奈佐利(linezolid))、甘氨環素(glycylcycline)類(例如替加環素(tigecycline))、環脂肽類(例如達託黴素)、截短側耳素(pleuromutilin)類(例如瑞他莫林(retapamulin))和短桿菌肽(gramicidin)類等和其任何鹽或變體。還應該理解，在本發明範圍內四環素類包括但不限於(immunocycline)、氯四環素(chlortetracycline)、土黴素(oxytetracycline)、地美環素(demeclocycline)、甲烯土黴素(methacycline)、多西環素(doxycycline)和米諾環素等。還應該進一步理解，在本發明範圍內，氨基糖苷類抗生素包括但不限於慶大黴素、阿米卡星(amikacin)和新黴素(neomycin)等。
如下所述，業已發現按照本發明方法可有效治療抗真菌劑抗性的真菌。另外，業已發現本發明方法可用於增強傳統方法，用於與傳統方法聯合使用，代替傳統治療或甚至連續地作為有效治療方法。因此，本發明可與抗真菌治療聯合使用。術語「抗真菌劑」包括但不限於多烯類、唑類、咪唑類、三唑類、丙烯胺類、棘白菌素(echinocandin)類、環吡酮(cicopirox)、氟胞嘧啶、灰黃黴素(griseofulvin)、阿莫羅芬(amorolofine)、sodarins和其組合(包括其鹽)。
如下所述，業已指定按照本發明方法可有效治療抗腫瘤劑抗性的癌症。另外，業已發現本發明方法可用於增強傳統方法，用於與傳統方法聯合使用，代替傳統治療或甚至連續地作為有效治療方法。因此，本發明可與抗腫瘤治療聯合使用。術語「抗腫瘤劑」包括但不限於放線菌素(actinomycin)、蒽環黴素(anthracycline)類、博萊黴素(bleomycin)、普卡黴素(plicamycin)、絲裂黴素(mitomycin)、紫杉烷(taxane)類、依託泊苷(etoposide)、替尼泊苷(teniposide)和其組合(包括其鹽)。
在先前技術中試圖在細菌和真菌中發現藥物抗性系統抑制劑或抗微生物劑增效劑的共同原則一直是，這樣的作用劑必須對受感染的哺乳動物組織無毒，以便具有任何內在價值。此外，永遠的事實是，抗微生物劑影響細菌或真菌的並非與哺乳動物宿主共有的細胞過程，因此，通常在實際上和設計上是安全的並具治療作用。在先前技術中，如果抗微生物劑、增效劑和/或抗性逆轉實體也以與其損傷病原體相同的方式影響哺乳動物細胞，那麼它們就不能安全用於治療。
在本發明中，實驗數據(參見例如實例I-X)支持所有細胞型式的ΔΨ和Δp的普遍改變，因此導致了這樣的概念，即不僅所有細胞膜的電-機械方面而且電-動力方面都不具有可足以被分開的不同的性質。這指出在射束路徑上的所有細胞都受到去極化作用影響，而不僅僅是病原體細胞(不希望有的細胞)。
再次肯定NIMELS系統的光生物學和細胞熱力學數據已經被闡明(即跨過原核和真核物種的所有膜的熱力學都受到相同方式的影響)，利用這種普遍的光去極化作用，通過將抗微生物劑分子加入到治療方案中並在(僅在)不希望有的細胞中增強這樣的分子，獨立地開發了本發明技術。這樣被靶向的治療結果可開發NIMELS雷射的普遍去極化效應，該結果可對在治療射束路徑上的哺乳動物細胞比細菌和真菌級數更高並更短暫。因此，如實驗數據顯示，哺乳動物細胞面對光去極化作用和ROS產生，在暫時性能量爆發方面的測量度比在細菌或真菌細胞中所觀察到的應該更大一些。
以下實例提供實驗證據，該實驗證據結合目前對光生物學和細胞熱力學和當施用於細胞過程時熱力學守恆的理解提供普遍的光膜去極化作用的概念。
實施例 包括以下實施例以證明本發明例示性實施方案，並非意欲限制本發明範圍。本領域技術人員應該了解，無需偏離本發明精神和範圍即可對特定實施方案進行很多改變，仍可獲得相似或類似結果。
實施例I 表2易感型的、中間型的和抗性型的金黃色葡萄球菌的MIC值
實施例II 細菌方法用於體外MRSA實驗的NIMELS治療參數 以下參數闡明用於體外實驗V和VIII-XII的施用於MRSA的本發明通用細菌方法。
A.用於MRSA的實驗材料和方法 表3.CFU計數方法 在體外試驗中用大腸桿菌和白色念珠菌對所有NIMELS輻射實施相似的細胞培養和動力學方案。因此，例如，白色念珠菌ATCC14053液態培養物於37℃在YM培養基(21g/L，Difco)中生長。將標準混懸液等份分到24孔組織培養板的所選孔中。在雷射處理後，從每孔移走100μL，連續稀釋到1∶1000，得到最終稀釋度為初始培養物的1∶5x106。將各個最終稀釋度的等份樣塗布到單獨板中。然後在37℃溫育這些板大約16-20小時。進行手動菌落計數並記錄。
表4.用於ΔΨ和ROS測定的方法 在體外試驗中用大腸桿菌和白色念珠菌對所有NIMELS輻射再次實施相似的細胞培養和動力學方案。因此，例如，白色念珠菌ATCC14053液態培養物於37℃在YM培養基(21g/L，Difco)中生長。將標準混懸液等份分到24孔組織培養板的所選孔中。在雷射處理後，按照單獨測定的指導處理各個雷射處理樣品和對照樣品。
實施例III 哺乳動物細胞方法用於體外HEK293(人胚腎細胞)實驗的NIMELS治療參數 以下參數闡明用於體外實驗的施用於HEK293細胞的本發明通用細菌方法。
A.用於HEK29S細胞的實驗材料和方法 將存於自由式培養基(Invitrogen)中的HEK293細胞以1x105個細胞/ml的密度(0.7ml總體積)接種到24孔板的適宜的孔中。在實驗之前細胞在加溼培養箱中於37℃以8％CO2溫育大約48小時。在實驗時細胞大約為90％融合，大約等於3x105個總細胞。在臨處理前用預溫的磷酸緩衝鹽水(PBS)洗滌細胞，在處理期間覆蓋2ml的PBS。
在雷射處理後，從孔中用機械方法取出細胞，轉移到1.5ml的離心管。按照試劑盒廠商說明書測定線粒體膜電位和總穀胱甘肽。
實施例IV 體外測定CRT+(黃色)和CRT-(白色)金黃色葡萄球菌的NIMELS實驗 我們用金黃色葡萄球菌的crt-(白色)突變體進行實驗，用基因工程改造除掉crt基因(黃色類胡羅卜色素)得到該突變體，這些突變體經受了先前確定的NIMELS雷射對野生型(黃色)金黃色葡萄球菌的非致死劑量。本實驗目的是測定用NIMELS雷射產生活性氧類別(ROS)和/或產生單線態氧的現象。在科技文獻中，Liu等先前使用了類似的模型來測定黃色(類胡羅卜色素)金黃色葡萄球菌抗嗜中性粒細胞的抗氧化劑保護活性(Liu等，Staphylococcus aureus golden pigment impairsneutrophil killing and promotes virulence through its antioxidant activity(金黃色葡萄球菌的金黃色色素弱化了嗜中性粒細胞的殺傷力並通過其抗氧化性活性提高毒力)Vol 202，No 2，2005年7月18日，209-215，其全部教導通過引用合併到本文中)。
先前已經確定通過能夠保護生物體免遭單線態氧的類胡羅卜(抗氧化劑)色素弱化了金黃色葡萄球菌的金黃色，當分離的突變體(crt-)不能產生這樣的類胡羅卜色素時，突變菌落在外觀上為「白色」，其對氧化劑殺傷更敏感，具有受損的嗜中性粒細胞存活。
發現了NIMELS雷射的非致死放射量(對野生型金黃色葡萄球菌)一直可殺死達到90％的突變「白色」細胞，而不能殺死正常的金黃色葡萄球菌。在這兩種金黃色葡萄球菌菌株中的唯一遺傳學差異是突變體缺乏抗氧化劑色素。該實驗數據強烈提示正是內源性產生的活性氧類別和/或單線態氧殺死了「白色」金黃色葡萄球菌。
表5.數據 D1-D4黃色野生型金黃色葡萄球菌 D5-D6白色「crt-」突變型金黃色葡萄球菌 樣品D1-D4黃色野生型金黃色葡萄球菌。
樣品D5-D6白色「crt-」突變型金黃色葡萄球菌 表6.
實施例V 用於在MRSA、白色念珠菌和大腸桿菌中ΔΨ改變的NIMELS體外試驗 存在經挑選的可在15-30分鐘內為完整細胞吸收並積聚在完整細胞中而不會可感知地染色其它原生質組份的螢光染料。這些膜電位染料指示劑多年來一直有用，業已用於研究細胞生理學。可易於監測這些染料的螢光強度，因為其螢光光譜性質對跨膜電位ΔΨ-穩態值的變化作出響應。
這些染料通常通過在細胞外介質和膜或膜細胞質之間的電位依賴分配來起作用。經由電勢與染料上的離子電荷相互作用發生染料再分配。這種螢光可通過質子載體(protonophore)羰基氰化間氯苯腙(CCCP)在約5分鐘內消除，說明染料濃度的維持依賴於通過功能性ETS和Δp維持的內部負性的跨膜電位。
假設檢驗 虛假設是μ1-μ2＝0 μ1是接受羰花青染料的對照細胞培養物(未受雷射處理)中的螢光強度； μ2是用來自NIMELS雷射的亞致死放射量預先輻射的相同的細胞培養物中的螢光強度。
數據顯示通過用NIMELS雷射系統預處理(細胞)，消除了(小於未受輻射的對照或「未受雷射處理」細胞)細胞螢光，這表明NIMELS雷射經由細胞質膜與細胞的呼吸過程和氧化磷酸化相互作用。
μ1-μ2＝0 將確認對細胞培養物加入亞致死NIMEL輻射對ΔΨ-穩態沒有影響。
μ1-μ2＞0 將確認對細胞培養物加入亞致死NIMEL輻射對ΔΨ-穩態有消除或去極化效應。
材料和方法 BacLightTM細菌膜電位試劑盒(B34950，Invitrogen U.S.)。BacLightTM細菌膜電位試劑盒提供羰花青染料DiOC2(3)(碘化3，3』-二乙基氧雜羰花青，組分A)和CCCP(羰基氰化3-氯苯腙，組分B)(二者都存在於DMSO中)和1xPBS溶液(組分C)。
DiOC2(3)在所有細菌細胞中發出綠螢光，但隨著染料分子在由較大的膜電位引起的較高細胞質濃度時本身締合，螢光朝紅光發射位移。質子離子載體例如CCCP通過消除質子梯度破壞膜電位，因此導致較高的綠螢光。
MRSA中膜電位ΔΨ的檢測 用對照和雷射處理樣品在亞致死放射量的群體平均螢光強度計算綠螢光發射 表6
數據顯示當雷射處理的細胞如圖8所示具有較少的「綠螢光」時，μ1-μ2＞0。這些MRSA樣品顯示用亞致死NIMELS放射量明顯改變並降低ΔΨ-穩態-細菌到ΔΨ-瞬態-細菌之一。
白色念珠菌中膜電位ΔΨ的檢測 用對照和雷射處理樣品在亞致死放射量的群體平均螢光強度計算綠螢光發射，其示於以下表中 表7
數據顯示當雷射處理的白色念珠菌細胞如圖9所示具有較少的「綠螢光」時，μ1-μ2＞0。這些白色念珠菌樣品顯示用逐漸升高的(亞致死)NIMELS雷射放射量明顯改變並降低ΔΨ-穩態-細菌到ΔΨ-瞬態-真菌之一。
大腸桿菌中膜電位ΔΨ的檢測 用對照和雷射處理樣品在亞致死放射量的群體平均螢光強度計算紅/綠比率。
數據顯示當雷射處理的細胞如圖9所示具有較少的「綠螢光」時，μ1-μ2＞0。這些大腸桿菌樣品顯示用亞致死NIMELS放射量明顯改變並降低ΔΨ-穩態-細菌到ΔΨ-瞬態-細菌之一。
實施例VI 用於在白色念珠菌中用亞致死雷射放射量的NIMELS體外試驗 假設檢驗 虛假設是μ1-μ2＝0 a)μ1是用線粒體膜電位檢測試劑盒檢測的對照細胞培養物線粒體中的螢光強度； b)μ2是用來自NIMELS雷射的亞致死放射量預先輻射並用線粒體膜電位檢測試劑盒檢測的相同的細胞培養物中的螢光強度。
數據顯示通過用NIMELS雷射系統預處理(細胞)，消除了(小於未對照未受雷射處理細胞)線粒體螢光，結果表明NIMELS雷射與真菌及哺乳動物細胞的線粒體中的細胞呼吸過程和氧化磷酸化作用相互作用。
μ1-μ2＝0 將確認對細胞培養物加入亞致死NIMEL輻射對ΔΨ-穩態-線沒有影響。
μ1-μ2＞0 將確認對細胞培養物加入亞致死NIMEL輻射對ΔΨ-穩態-線有消除或去極化效應。
材料和方法 線粒體膜電位檢測試劑盒(APO LOGIX JC-1)(Cell TechnologyInc，950 Rengstorff Ave，Suite D，Mountain View CA 94043)。
線粒體膜電位(ΔΨ)損失是細胞凋亡的標誌。APO LOGIX JC-1檢測試劑盒測量細胞中的線粒體膜電位。
在非凋亡性細胞中，JC-1(碘化5，5′，6，6′-四氯-1，1』，3，3′-四乙基苯並咪唑羰花青(tetraethylbenz imidazolylcarbocyanine))在細胞溶質中作為單體(綠色)存在，也能在染為紅色的線粒體中積聚成凝聚物。然而，在凋亡和壞死性細胞中，JC-1以單體形式存在，將細胞溶質染為綠色。
表8.白念色珠菌放射量表
(APO LOGIX JC-1)試劑盒通過將綠螢光轉換為紅螢光來測量膜電位。在圖10A中，測量了紅色外觀並繪圖，紅色應該只出現在具有完整膜的細胞中，對照和雷射處理樣品中的綠與紅的比率示於圖10B中。
在本試驗中，很明顯雷射處理樣品中的紅螢光減少了，同時綠與紅的比率提高了，這標誌去極化作用。這些結果與跨膜ΔΨ試驗的結果一樣(即二者數據都顯示去極化作用)。
這些結果還顯示μ1-μ2＞0，以及對細胞線粒體進行亞致死NIMEL輻射消除ΔΨ-穩態-線或使其去極化，表明明顯將白念色珠菌ΔΨ-穩態-線-真菌減少為ΔΨ-瞬態-線-真菌。
實施例VII 用於在人胚腎細胞ΔΨ-線中用亞致死雷射放射量的NIMELS體外試驗 假設檢驗 虛假設是μ1-μ2＝0 a)μ1是經受線粒體膜電位檢測試劑盒檢測的哺乳動物對照細胞培養物線粒體(未受雷射處理)中的螢光強度； b)μ2是用來自NIMELS雷射的亞致死放射量預先輻射並經受線粒體膜電位檢測試劑盒檢測的相同的細胞培養物中的螢光強度。
數據顯示通過用NIMELS雷射系統預處理(細胞)，消除了(小於對照未受雷射處理細胞)線粒體螢光，結果指出NIMELS雷射與哺乳動物細胞的線粒體中的細胞呼吸過程和氧化磷酸化作用相互作用。
μ1-μ2＝0 將確認對哺乳動物細胞培養物線粒體加入亞致死NIMEL輻射對ΔΨ-穩態-線-哺沒有影響。
μ1-μ2＞0 將確認對哺乳動物細胞培養物加入亞致死NIMEL輻射對ΔΨ-穩態-線-哺有消除或去極化效應。
材料和方法 線粒體膜電位檢測試劑盒(APO LOGIX JC-1)(Cell TechnologyInc，950 Rengstorff Ave，Suite D，Mountain View CA 94043)。
線粒體膜電位(ΔΨ)損失是細胞凋亡的特點。APO LOGIX JC-1檢測試劑盒測量細胞中的線粒體膜電位。在非凋亡性細胞中，JC-1(碘化5，5′，6，6′-四氯-1，1』，3，3′-四乙基苯並咪唑羰花青)在細胞溶質中作為單體(綠色)存在，也能在染為紅色的線粒體中積聚成凝聚物。然而，在凋亡和壞死性細胞中，JC-1以單體形式存在，將細胞溶質染為綠色。
表9.哺乳動物細胞放射量
HEK-293(人胚腎細胞)ΔΨ-線測定 (APO LOGIX JC-1)試劑盒通過將綠螢光轉換為紅螢光來測量膜電位。在圖11A中，測量了紅色外觀並繪圖，紅色應該只出現在具有完整膜的細胞中，對照和雷射處理樣品中的綠與紅的比率示於圖11B中。
在本試驗中，很明顯雷射處理樣品中的紅螢光減少了，同時綠與紅的比率提高了，這標誌去極化作用。這些結果顯示μ1-μ2＞0，以及對哺乳動物細胞線粒體進行亞致死NIMEL輻射消除了ΔΨ-穩態-線-哺或使其去極化，表明明顯將哺乳動物ΔΨ-穩態-線-哺減少為ΔΨ-瞬態-線-哺。
實施例VIII 活性氧類別(ROS)的NIMELS體外試驗 在用可與先前實施例中上述用於ΔΨ試驗相比的亞致死雷射放射量的雷射將細菌跨膜ΔΨ-穩態-細菌改變為ΔΨ-瞬態-細菌、將ΔΨ-穩態-線-真菌改變為ΔΨ-瞬態-線-真菌和將ΔΨ-穩態-線-哺改變為ΔΨ-瞬態-線-哺後，實施這些用於產生活性氧類別(ROS)的體外試驗。
材料和方法 總穀胱甘肽定量檢測試劑盒(Dojindo Laboratories，KumamotoTechno Research Park，2025-5Tabaru，Mashiki-machi，Kamimashiki-gun，Kumamoto 861-2202，JAPAN)。
穀胱甘肽(GSH)是動物組織、植物組織、細菌和酵母中最豐富的硫醇(SH)化合物。GSH起多種不同作用，例如對抗活性氧類別的保護作用和保留蛋白質SH基。在這些反應期間，GSH轉化為穀胱甘肽二硫化物(GSSG，GSH的氧化形式)。因為GSSG被穀胱甘肽還原酶酶促還原，所以GSH在生物體中是佔優勢的形式。DTNB(5，5′-二硫雙(2-硝基苯甲酸))稱為Ellman試劑，被開發用於檢測硫醇化合物。在1985年，提出了穀胱甘肽再循環系統，通過DTNB和穀胱甘肽還原酶創造了極為敏感的穀胱甘肽檢測方法。DTNB和穀胱甘肽(GSH)反應產生2-硝基-5-巰基苯甲酸和穀胱甘肽二硫化物(GSSG)。因為2-硝基-5-巰基苯甲酸為黃色產物，所以可通過在412nm處測量吸光率來測定樣品溶液中的GSH濃度。GSH通過穀胱甘肽還原酶從GSSG產生，再次與DTNB反應產生2-硝基-5-巰基苯甲酸。因此，這一再循環反應改進總穀胱甘肽檢測的敏感性。
ROS在顯著濃度時，將以超過其由穀胱甘肽抗氧化劑系統組分(過氧化氫酶、過氧化物酶、GSH)還原的速率的速率快速特異性地與靶標反應。
以將ΔΨ-穩態-細菌改變為ΔΨ-瞬態-細菌之一的亞致死NIMELS放射量在MRSA中檢測穀胱甘肽 如圖12所示的結果清楚表明，以將ΔΨ-穩態-細菌改變為ΔΨ瞬態-細菌之一的亞致死NIMELS放射量在MRSA中降低總穀胱甘肽，這是用亞致死將跨膜ΔΨ-穩態-細菌改變為ΔΨ-瞬態-細菌之一產生ROS的證據。
以將ΔΨ-穩態-細菌改變為ΔΨ-瞬態-細菌之一的亞致死NIMELS放射量在大腸桿菌中檢測穀胱甘肽 如圖20所示的結果清楚表明，以將ΔΨ-穩態-細菌改變為ΔΨ瞬態-細菌之一的亞致死NIMELS放射量在大腸桿菌中降低總穀胱甘肽，這是用亞致死將跨膜ΔΨ-穩態-細菌改變為ΔΨ-瞬態-細菌之一產生ROS的證據。
以將ΔΨ-穩態-線-真菌改變為ΔΨ-瞬態-線-真菌並隨後將ΔΨ-穩態-真菌改變為ΔΨ-瞬態-真菌之一的亞致死NIMELS在白色念珠菌中檢測穀胱甘肽。
以將ΔΨ-穩態-線-真菌改變為ΔΨ-瞬態-線-真菌並隨後將ΔΨ-穩態-真菌改變為ΔΨ-瞬態-真菌之一的亞致死NIMELS放射量在白色念珠菌中檢測穀胱甘肽 如圖13所示的結果清楚表明，以將ΔΨ-穩態-線-真菌改變為ΔΨ瞬態-線-真菌並隨後將ΔΨ-穩態-真菌改變為ΔΨ-瞬態-真菌之一的亞致死NIMELS放射量在白色念珠菌中降低總穀胱甘肽，這是用亞致死將ΔΨ-穩態-線-真菌改變為ΔΨ瞬態-線-真菌並隨後將ΔΨ-穩態-真菌改變為ΔΨ-瞬態-真菌之一產生ROS的證據。
以將ΔΨ-穩態-線-哺改變為Ψ-瞬態-線-哺的亞致死NIMELS放射量在HEK 293(人胚腎細胞)中檢測穀胱甘肽 如圖14所示的結果清楚表明，以將ΔΨ-穩態-線-哺改變為ΔΨ瞬態-線-哺的亞致死NIMELS放射量在HEK-293(人胚腎細胞)中降低總穀胱甘肽，這是用亞致死將跨膜ΔΨ-穩態-線-哺改變為ΔΨ-瞬態-線-哺產生ROS的證據。
實施例IX 用紅黴素和甲氧苄啶評估亞致死劑量NIMELS雷射對MRSA的影響 在本實施例中，在MRSA中測定了亞致死劑量的NIMELS雷射對抗生素紅黴素的增強作用是否比對抗生素甲氧苄啶的增強作用更強。在紅黴素抗性中流出泵起主要作用。在革蘭氏陽性的金黃色葡萄球菌中沒有報導甲氧苄啶流出泵抗性機制。
背景紅黴素為大環內酯抗生素，具有與β-內醯胺青黴素極為相似的抗菌譜。它過去在治療大範圍的影響皮膚和呼吸道的革蘭氏陽性細菌感染中有效，被認為是使用最安全的抗生素之一。過去紅黴素用於對青黴素類過敏的人群。紅黴素的作用機制是通過阻斷細菌蛋白質合成來防止細菌生長和複製。這是因為紅黴素結合細菌核糖體的50S中的23S rRNA分子，藉此阻斷生長的肽鏈的排出由此抑制肽的移動而得以實現。紅黴素抗性(與其它大環內酯類一致)流傳猖獗，廣泛傳播，經由兩個重要抗性系統來完成。
A)將50S核糖體亞基中的23S rRNA改變為不敏感； B)將藥物流出細胞。
甲氧苄啶是歷史上用於治療尿道感染的抗生素。其為稱作二氫葉酸還原酶抑制劑的抗微生物劑類的成員。甲氧苄啶的作用機制是幹擾細菌二氫葉酸還原酶(DHFR)系統，因為其為二氫葉酸類似物。由於其對酶的親和力比天然底物高1000倍，這引起DHFR的競爭性抑制。
因此，甲氧苄啶抑制分子四氫葉酸的合成。四氫葉酸是從頭合成DNA核苷酸胸苷酸必不可少的前體。細菌不能從環境(即感染宿主)中吸收葉酸，因此，依賴自己從頭合成四氫葉酸。對該酶的抑制最終防止DNA複製。
甲氧苄啶抗性通常是因正常染色體DHFR或藥物抗性DHFR酶生產過剩而產生。甲氧苄啶抗性金黃色葡萄球菌的報導已經指出，抗性為染色體介導型式，或在大質粒上編碼。業已報導某些菌株既表現染色體介導又表現質粒介導的甲氧苄啶抗性。在革蘭氏陽性病原體金黃色葡萄球菌中，對甲氧苄啶的抗性是由於遺傳突變，尚無報導說甲氧苄啶被主動流出出細胞。
細菌的流出泵 細菌和真菌中藥物抗性的主要途徑為將抗生素主動排出(流出)細胞，由此在細胞的細胞質內達不到治療濃度。
主動流出抗生素(和其它有害分子)是由革蘭氏陽性細菌的細胞質膜和革蘭氏陰性細菌的外膜中的一系列跨膜蛋白介導的。
臨床上，經由流出泵介導的抗生素抗性在革蘭氏陽性細菌中對於大環內酯類、四環素和氟喹諾酮類最有意義。在革蘭氏陰性細菌中，流出介導的β-內醯胺抗性也具有高度臨床意義。
假設檢驗 虛假設為μ1-μ2＝0和μ1-μ3＝0，其中 a)μ1為作為對照的來自NIMEL雷射系統的對MRSA的亞致死放射量；和 b)μ2為來自NIMEL雷射系統的對MRSA的相同的亞致死放射量，且以剛好低於有效水平的抗性MIC加入甲氧苄啶；和 c)μ3為來自NIMEL雷射系統的對MRSA的相同的亞致死放射量，且以剛好低於有效水平的抗性MIC加入紅黴素。
數據表明在亞致死輻射後加入抗生素甲氧苄啶或紅黴素，導致這些MRSA菌落生長降低，如下 μ1-μ2＝0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入甲氧苄啶，對MRSA菌落的正常生長不產生有害作用。
μ1-μ2＞0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入甲氧苄啶，對MRSA菌落的正常生長產生有害作用。
μ1-μ3＝0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入紅黴素，對MRSA菌落的正常生長不產生有害作用。
μ1-μ3＞0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入紅黴素，對MRSA菌落的正常生長產生有害作用。
表10
結果 本實驗清楚表明，在用NIMELS系統的亞致死雷射參數下，μ1-μ2＝0並μ1-μ3＝0。這指出流出泵受到抑制，對紅黴素的抗性通過NIMELS對MRSA的ΔΨ-穩態-細菌的效應逆轉了。
實施例X 用四環素和利福平評估亞致死劑量的NIMELS雷射對MRSA的影響 本實驗目的是在MRSA中觀察亞致死劑量的NIMELS雷射對抗生素四環素的增強作用是否比對抗生素利福平的增強作用更強。充分地研究了流出泵，其在四環素抗性中起主要作用。然而，在革蘭氏陽性的金黃色葡萄球菌中沒有報導利福平流出泵抗性機制。
本實驗先前也用紅黴素和甲氧苄啶進行過，且數據顯示NIMELS效應能夠損傷紅黴素的流出泵抗性機制。
四環素 認為四環素是抑菌性抗生素，意即其通過抑制蛋白質合成妨礙細菌生長。四環素由通過酶氨醯-tRNA的結合來抑制細菌30S核糖體的作用來實現這一結果。四環素抗性通常是由於獲得新基因，該基因編碼用於能量依賴的四環素流出泵，或編碼用於保護細菌核糖體不受四環素作用的蛋白質。
利福平 利福平是細菌RNA聚合酶抑制劑，通過直接阻止RNA延長起作用。利福平通常用於治療分枝桿菌感染，但也與夫西地酸(fusidic acid)聯合在治療抗性甲氧西林的金黃色葡萄球菌(MRSA)中起作用，夫西地酸是抑菌性蛋白質合成抑制劑。沒有報導利福平在MRSA中經由流出泵的抗性。
假設 虛假設為μ1-μ2＝0和μ1-μ3＝0，其中 a)μ1為作為對照的來自NIMEL雷射系統的對MRSA的亞致死放射量；和 b)μ2為來自NIMEL雷射系統的對MRSA的相同的亞致死放射量，且以剛好低於有效水平的抗性MIC加入四環素；和 c)μ3為來自NIMEL雷射系統的對MRSA的相同的亞致死放射量，且以剛好低於有效水平的抗性MIC加入利福平。
數據表明在亞致死輻射後加入抗生素四環素或利福平，導致這些MRSA菌落生長降低，如下 μ1-μ2＝0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入四環素，對MRSA菌落的正常生長不產生有害作用。
μ1-μ2＞0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入四環素，對MRSA菌落的正常生長產生有害作用。
μ1-μ3＝0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入利福平，對MRSA菌落的正常生長不產生有害作用。
μ1-μ3＞0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入利福平，對MRSA菌落的正常生長產生有害作用。
表11.
結果 本實驗清楚表明，在用NIMELS系統的亞致死雷射參數下，μ1-μ2＝0並μ1-μ3≥0。這指出流出泵受到抑制，對四環素的抗性通過NIMELS對MRSA的ΔΨ-穩態-細菌的效應逆轉了。
實施例XI 用甲氧西林評估亞致死劑量NIMELS雷射對MRSA和ΔΨ-質膜-細菌抑制細胞壁合成的影響 甲氧西林 甲氧西林是β-內醯胺，先前用於治療由革蘭氏陽性細菌(尤其是原本抗性大部分青黴素的產β-內醯胺酶的生物體，例如金黃色葡萄球菌)引起的感染，但臨床上已不再使用。術語甲氧西林-抗性金黃色葡萄球菌(MRSA)繼續用於闡述抗性所有青黴素的金黃色葡萄球菌菌株。
作用機制 象其它β-內醯胺抗生素一樣，甲氧西林通過抑制肽聚糖(細菌細胞壁)合成起作用。
業已證明在革蘭氏陽性細菌枯草桿菌中，當通過增加質子導體阻止ETS時，提高了肽聚糖自溶素的活性(即不再受抑制)。這提示ΔΨ-質膜-細菌和ΔμH+(獨立於用於細胞酶功能的儲能)對細胞壁合成代謝功能和生理學潛在地具有深刻和開拓性的影響。
另外，業已報導ΔΨ-質膜-細菌解偶聯劑抑制肽聚糖形成且積聚與肽聚糖合成有關的核苷酸前體並抑制N-乙醯葡糖胺(GIcNAc)這種肽聚糖中最主要的生物高聚物的轉運。
假設檢驗 桿菌肽增強光降低的ΔΨ-質膜-細菌對正成長的細胞壁的多種影響(即增加細胞壁自我分解，抑制細胞壁合成)。這在不具有作為細胞壁抗性機制抑制抗微生物化合物的流出泵的革蘭氏陽性細菌例如MRSA中尤其有意義。
虛假設為μ1-μ2＝0和μ1-μ3＝0，其中 a)μ1為作為對照的來自NIMEL雷射系統的對MRSA的亞致死放射量；和 b)μ2為來自NIMEL雷射系統的對MRSA的相同的亞致死放射量，且以剛好低於有效水平的抗性MIC加入甲氧西林；和 μ1-μ2＝0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入甲氧西林，對MRSA菌落的正常生長不產生有害作用。
μ1-μ2＞0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入甲氧西林，對MRSA菌落的正常生長產生有害作用。
結果 如圖15所示，本實驗清楚表明，在用NIMELS系統的亞致死雷射參數下，μ1-μ2≥0，意即對正常生長的MRSA菌落進行亞致死NIMEL輻射後，加入甲氧西林產生有害作用，其如CFU計數所示。這提示通過NIMELS對MRSA的ΔΨ-穩態-細菌效應，增強了甲氧西林(獨立於流出泵)。
因此，NIMELS雷射和其伴隨的光ΔΨ-質膜-細菌降低現象與細胞壁抑制性抗微生物劑在MRSA中有協同作用。不希望受到理論的束縛，這必定是經由抑制合成代謝(外周胞質)ATP偶聯的功能來起作用，因為MRSA沒有用於甲氧西林的流出泵。
實施例XII 用桿菌肽評估亞致死劑量NIMELS雷射對MRSA和ΔΨ-質膜-細菌抑制細胞壁合成的影響 桿菌肽是由枯草桿菌產生的環狀多肽的混合物。作為有毒並難於使用的抗生素，桿菌肽通常不能口服施用，而是局部使用。
作用機制 桿菌肽幹擾C55-異戊二烯焦磷酸的去磷酸化作用，這種分子運送革蘭氏陰性生物體中內膜外面的細菌細胞壁的和革蘭氏陽性生物體中的細胞質膜的肽聚糖的結構單元。
業已顯示在革蘭氏陽性細菌枯草桿菌中，當通過增加質子導體阻止ETS時，提高了肽聚糖自溶素的活性(即不再受抑制)。這指出ΔΨ-質膜-細菌和ΔμH+(獨立於用於細胞酶功能的儲能)對細胞壁合成代謝功能和生理學潛在地具有深刻和開拓性的影響。
另外，業已報導ΔΨ-質膜-細菌解偶聯劑抑制肽聚糖形成且積聚與肽聚糖合成有關的核苷酸前體並抑制N-乙醯葡糖胺(GIcNAc)這種肽聚糖中最主要的生物高聚物的轉運。
假設檢驗 桿菌肽增強光降低的ΔΨ-質膜-細菌對正成長的細胞壁的多種影響(即增加細胞壁自我分解，抑制細胞壁合成)。這在不具有作為細胞壁抗性機制抑制抗微生物化合物的流出泵的革蘭氏陽性細菌例如MRSA中尤其有意義。
虛假設為μ1-μ2＝0和μ1-μ3＝0，其中 a)μ1為作為對照的來自NIMEL雷射系統的對MRSA的亞致死放射量；和 b)μ2為來自NIMEL雷射系統的對MRSA的相同的亞致死放射量，且以剛好低於有效水平的抗性MIC加入桿菌肽。
μ1-μ2＝0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入桿菌肽，對MRSA菌落的正常生長不產生有害作用。
μ1-μ2＞0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入桿菌肽，對MRSA菌落的正常生長產生有害作用。
結果 如圖16所示，本實驗清楚表明，在用NIMELS系統的亞致死雷射參數下，μ1-μ2≥0，意即對正常生長的MRSA菌落進行亞致死NIMEL輻射後，加入桿菌肽產生有害作用。在圖16中，在所示的兩個樣品中箭頭指向MRSA生長或缺乏生長。這指出通過NIMELS對MRSA的ΔΨ-穩態-細菌效應，增強了桿菌肽(獨立於流出泵)。因此，NIMELS雷射及其伴隨的光ΔΨ-質膜-細菌降低現象與細胞壁抑制性抗微生物劑在MRSA中有協同作用。不希望受到理論的束縛，這最可能經由抑制偶聯ATP的合成代謝(外周胞質)功能來起作用，因為MRSA沒有用於桿菌肽的流出泵。
實施例XIII 用蘭美抒(Lamisil)和斯皮仁諾(Sporanox)評估亞致死劑量NIMELS雷射對白色念珠菌的影響 本實驗目的是在白色念珠菌中觀察亞致死劑量的NIMELS雷射是否對抗真菌化合物蘭美抒和/或斯皮仁諾有增強作用。
介紹 業已發現真菌細胞中細胞溶質ATP濃度的降低導致抑制偶聯細胞質膜的H+-ATP酶，該酶產生ΔΨp-真菌，這種損傷弱化了其它細胞活行。另外，降低ΔΨp-真菌引起細胞質膜生物能和熱力學破壞，導致質子流入，這使質子動力勢崩潰，因此抑制營養物質吸收。更重要的是，ATP是生物合成真菌細胞質膜脂類麥角固醇所必須的。麥角固醇是被在今天的醫藥中所用的包括包括蘭美抒和斯皮仁諾(及其同類相似物)在內的有關商業抗真菌化合物(即唑類、特比萘芬和依曲康唑)的大部分靶向的結構脂類。
最近還證明兩種新型抗微生物肽(Pep2和Hst5)具有引起ATP流出出真菌細胞(即消耗細胞內的ATP濃度)的能力，這種胞質ATP的降低導致ABC轉運體CDR1和CDR2失活，它們是依賴ATP的抗真菌藥物流出泵。
蘭美抒 蘭美抒(象其它烯丙胺類一樣)通過抑制角鯊烯環氧化酶來抑制麥角固醇合成，角鯊烯環氧化酶是真菌細胞壁合成路徑的部分。
斯皮仁諾 依曲康唑(斯皮仁諾)的作用機制與其它唑類抗真菌劑相同其抑制由真菌細胞色素P450氧化酶介導的麥角固醇的合成。
假設 由於通過使膜去極化和消耗細胞ATP而在真菌中光降低ΔΨ-質膜-真菌和/或ΔΨ-線-真菌，亞致死放射量的NIMELS雷射增強蘭美抒和斯皮仁諾對白色念珠菌的作用。
虛假設為μ1-μ2＝0和μ1-μ3＝0，其中 a)μ1為作為對照的來自NIMEL雷射系統的對白色念珠菌的亞致死放射量；和 b)μ2為來自NIMEL雷射系統的對白色念珠菌的相同的亞致死放射量，且以剛好低於有效水平的抗性MIC加入斯皮仁諾；和 c)μ3為來自NIMEL雷射系統的對白色念珠菌的相同的亞致死放射量，且以剛好低於有效水平的抗性MIC加入蘭美抒。
數據顯示在亞致死輻射後加入蘭美抒和/或斯皮仁諾，導致這些白色念珠菌菌落生長降低，如下 μ1-μ2＝0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入斯皮仁諾，對白色念珠菌菌落的正常生長不產生有害作用。
μ1-μ2＞0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入斯皮仁諾，對白色念珠菌菌落的正常生長產生有害作用。
μ1-μ3＝0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入蘭美抒，對白色念珠菌菌落的正常生長不產生有害作用。
μ1-μ3＞0 將確認在亞致死NIMEL輻射後加入蘭美抒，對白色念珠菌菌落的正常生長產生有害作用。
表12.白色念珠菌NIMELS放射量圖表
表13.菌落計數
結果 本實驗清楚表明，在用NIMELS系統的亞致死雷射參數下，μ1-μ2＞0並μ1-μ3＞0，意即對正常生長的白色念珠菌菌落進行亞致死NIMEL輻射後，加入蘭美抒產生有害作用。這提示通過NIMELS雷射系統的亞致死放射量輻射，增強了麥角甾醇生物合成抑制劑(蘭美抒和斯皮仁諾)。
實施例XIV NIMELS放射量計算 以下實施例闡述了所選擇的描述NIMELS方法於本文所述波長影響各種常見的微生物生存力的能力的實驗。例示性微生物包括大腸桿菌K-12、多藥耐藥性的大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、抗性甲氧西林的金黃色葡萄球菌、白念色珠菌和紅色毛癬菌(Trichophyton rubrum)。
如上所詳述，NIMELS參數包括雷射二極體的平均單一或相加的輸出功率和二極體的波長(870nm和930nm)。這一資料與靶位點的一束或多束雷射射束面積(cm2)合在一起，提供可用於計算本發明的有效而又安全的輻射方案的最初的整套資料。給定雷射的功率密度測量NIMELS在靶位點的潛在的效應。功率密度是任何給定雷射輸出功率和射束面積的函數，可用以下方程計算。
對於單波長 1)功率密度(W/cm2)＝雷射輸出功率/射束直徑(cm2)對於雙波長處理 2)功率密度(W/cm2)＝雷射(1)輸出功率/射束直徑(cm2)+雷射(2)輸出功率/射束直徑(cm2) 射束面積可通過以下計算 3)射束面積(cm2)＝直徑(cm)2×0.7854或射束面積(cm2)＝Pi×半徑(cm)2 通過一個以特定輸出功率運行的NIMELS雷射二極體系統經某一時間傳輸入組織的總光子能量以焦耳測量，如下計算 4)總能量(焦耳)＝雷射輸出功率(瓦特)×時間(秒) 同時通過兩個以特定輸出功率的NIMELS雷射二極體系統(兩種波長)經某一時間傳輸給組織的總光子能量以焦耳測量，如下計算 5)總能量(焦耳)＝[雷射(1)輸出功率(瓦特)×時間(秒)]+[雷射(2)輸出功率(瓦特)×時間(秒)] 在實踐中，為了正確測量用於最大NIMELS有利響應的劑量，了解總能量在輻射區域上的分布和分配是有用的(但並非必需的)。可按能量密度(焦耳/cm2)來測量總能量分布。如下所述，對於光的特定波長，在測定組織反應中能量密度是最重要的因素。一個NIMELS波長的能量密度可如下導出 6)能量密度(焦耳/cm2)＝雷射輸出功率(瓦特)×時間(秒)/射束面積(cm2) 7)能量密度(焦耳/cm2)＝功率密度(W/cm2)×時間(秒) 當使用兩種NIMELS波長時，能量密度可如下導出 8)能量密度(焦耳/cm2)＝雷射(1)輸出功率(瓦特)×時間(秒)/射束面積(cm2)+雷射(2)輸出功率(瓦特)×時間(秒)/射束面積(cm2)；或 9)能量密度(焦耳/cm2)＝功率密度(1)(W/cm2)×時間(秒)+功率密度(2)(W/cm2)×時間(秒) 為了計算用於特定劑量的處理時間，執行者可用下列方程之一使用能量密度(J/cm2)或能量(J)以及輸出功率(W)和射束面積(cm2) 10)治療時間(秒)＝能量密度(焦耳/cm2)/輸出功率密度(W/cm2) 11)治療時間(秒)＝能量(焦耳)/雷射輸出功率(瓦特) 因為放射量計算(例如在本實施例中舉例的)可能繁重，所述治療系統還可包括儲存所有研究治療可能性和放射量的計算機資料庫。用基於上述公式的計算法則為控制器中的計算機(放射量和參數計算器)預編程序，以便任何操作者可容易地在屏幕上檢索數據和參數並輸入另外的必需數據(例如光點直徑、所需總能量、時間和各個波長的脈衝寬度、擬受輻射的組織、擬受輻射的細菌)連同任何其它必需信息，以便可通過放射量和參數計算器產生任何和所有有利的治療結果所需的計算法則和計算並因此運行雷射。
在以下實施方案中，總而言之，當細菌培養物暴露於NIMELS雷射時，細菌殺滅率(通過在處理後的培養皿上計數菌落形成單位或CFU來測量)介於93.7％(抗性多種藥物的大腸桿菌)到100％(所有其它細菌和真菌)。
實施例XV 細菌方法用於體外靶向大腸桿菌的NIMELS治療參數 以下參數闡明以遠低於文獻中與熱損傷有關的溫度的最終溫度應用於大腸桿菌的本發明方法。
A.用於大腸桿菌K-12的實驗材料和方法 大腸桿菌K12液態培養物在Luria Bertani(LB)培養基(25g/L)中生長。平板含有35mL的LB平板培養基(25g/L LB，15g/L細菌學用瓊脂)。用PBS進行培養物稀釋。用無菌技術實施所有方案和操作。
B.生長動力學 取出種子培養物，接種多個50mL LB培養物，在37℃過夜生長。第二天早上，挑選最健康的培養物，用於接種5％到50mL 37℃的LB中，隨時間監測O.D.600，每30-45分鐘測量一次，直到培養物處於穩定期。
C.主種子生產 以對數期的培養物(OD600大約0.75)開始，將10mL置於4℃，加入10mL的50％甘油，等份分到20個冷凍管中，在液氮中速凍。然後將冷凍管儲存在-80℃。
D.液體培養物 如前所述製備大腸桿菌K12的液態培養物。從繼代培養物中取出100μL等份樣，用PBS連續稀釋到1∶1200。為了確保細胞PBS混懸液中的細胞達到靜態(生長)且沒有明顯增殖，使該稀釋物在室溫溫育大約2小時，或直到不再觀察到O.D.600增加，可進一步等份分配相對一致數目的細胞用於測定。
一旦確定K12稀釋物處於靜態，將2mL該混懸液等份加入到24孔組織培養板的所選孔中，用於以特定放射量參數的所選NIMELS實驗。在室溫溫育板直到準備使用(大約2小時)。
在雷射處理後，從每孔取出100μl，連續稀釋到1∶1000，導致最終稀釋度為初始K12培養物的1∶1.2x105。將每一最終稀釋液等份樣3x200L塗布到三個平行的單獨培養皿中。然後在37℃溫育培養皿大約16小時。進行手動菌落計數並記錄。還對各個培養皿進行數碼照相。在體外試驗中對於所有用金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的NIMELS輻射測定，使用相似的細胞培養物和動力學方案。例如，白色念珠菌ATCC 14053液態培養物於37℃在YM培養基(21g/L，Difco)中生長。將標準混懸液等份分到24孔組織培養板的所選孔中。在雷射處理後，從每孔取出100μl，連續稀釋到1∶1000，導致最終稀釋度為初始培養物的1∶5x105。將每一最終稀釋液3x200L塗布到單獨培養皿中。然後在37℃溫育培養皿大約16-20小時。進行手動菌落計數並記錄。還對各個培養皿進行數碼照相。
紅色毛癬菌ATCC 52022液態培養物在蛋白腖-葡萄糖(PD)培養基中於37℃生長。將標準混懸液等份分到24孔組織培養板的所選孔中。在雷射處理後，從每孔取出等份樣並塗布到單獨培養皿中。然後在37℃溫育培養皿大約91小時。在溫育66小時和91小時後進行手動菌落計數並記錄。儘管對照孔中的生物體都生長，但本文所述的雷射處理的孔100％不生長。還對各個培養皿進行數碼照相。
從室溫開始對PBS溶液進行熱量檢測。在系統溫度升到接近臨界閥值44℃之前，在12分鐘的雷射照射周期可使用十(10)瓦特的NIMELS雷射能量。
表14.體外NIMELS放射量的時間和溫度測量 實施例XVI 用於體外靶向大腸桿菌的NIMELS雷射波長930NM的放射量值 本實驗證明，NIMELS單波長λ＝930nm在用於哺乳動物組織的安全熱量參數內與體外抵抗大腸桿菌的可定量的抗菌功效有關。
體外實驗數據證明，如果在不到25％的時間內僅930nm的輻射滿足進入系統5400J的總能量和3056J/cm2的能量密度的閥值，那麼仍可達到100％抗菌功效。
表15.用於體外靶向大腸桿菌的亞致死的NIMELS(λ＝930)放射量 體外實驗數據還證明，在用於哺乳動物組織的安全熱量參數內，用λ＝930nm的單一能量治療，具有體外抵抗細菌物種金黃色葡萄球菌的抗菌功效。
也認為如果在不到25％的時間內滿足進入系統的5400J的總能量和3056J/cm2的能量密度的閥值，對於金黃色葡萄球菌和其它細菌種類，那麼仍可達到100％抗菌功效。
表16.用於體外靶向金黃色葡萄球菌的亞致死的NIMELS(λ＝930)放射量 體外實驗數據也表明，在用於哺乳動物組織的安全熱量參數範圍內，用λ＝930nm的NIMELS單波長治療，具有體外抵抗白色念珠菌的抗真菌功效。
還認為如果在不到25％的時間內滿足進入系統5400J的總能量和3056J/cm2的能量密度的閾值，那麼仍可達到100％抗真菌功效。
表17.用於體外靶向白色念珠菌的亞致死的NIMELS(λ＝930)放射量 實施例XVII 體外NIMELS雷射波長870NM的放射量值 體外實驗數據還證明，單獨用870nm波長抵抗大腸桿菌，高達7200J總能量和4074J/cm2能量密度和5.660W/cm2功率密度，仍不能達到顯著殺滅。
表18.大腸桿菌研究-單波長λ＝870nm 對金黃色葡萄球菌單用具有λ＝870nm的輻射也可觀察到相當的結果 實施例XVIII NIMELS獨特交替870NM和930NM光能之間的協同作用 體外實驗數據還證明，當交替使用兩者(870nm在930nm之前)時在兩種NIMELS波長(λ＝870nm和930nm)之間有相加作用。業已發現作為第一輻射存在的870nm NIMELS波長，加強第二個930nmNIMELS波長輻射的抗菌功效的作用。
體外實驗數據證明，這種協同作用(聯合870nm波長和930nm波長)使得930nm的光能可以減量。如本文所示，當(870nm在930nm之前)波長以交替方式聯合時，光能被減少到用於NIMELS 100％抗大腸桿菌功效所需的總能量和能量密度的大約1/3。
體外實驗數據還證明，如果將等量的870nm光能以高20％的功率密度在930nm光能之前加到系統中，那麼這種協同機制可使930nm的光能(總能量和能量密度)降低到NIMELS 100％抗大腸桿菌功效所需總能量密度的大約1/2。
表19.來自交替NIMELS波長的大腸桿菌數據 這種協同能力對人組織安全性有意義，因為930nm光能以比870nm光能更快的速率加熱系統，其對於哺乳動物系統在治療期間產生可能最少量的熱是有益的。
還認為如果NIMELS光能(870nm和930nm)以上述方式對其它細菌物種交替使用，那麼100％抗細菌效果基本上是相同的。
體外實驗數據還證明，當輻射真菌時交替使用兩種波長(870nm在930nm之前)，在這兩種NIMELS波長(870nm和930nm)之間也有相加作用。作為第一輻射存在的870nm NIMELS波長，算術加強第二個930nm NIMELS波長輻射的抗真菌功效的作用。
體外實驗數據(參見表以下)證明，如果將等量的870nm光能以比細菌種類抗菌功效所需高20％的功率密度在930nm光能之前加到系統中，那麼這種協同機制可使930nm的光能(總能量和能量密度)降低到NIMELS 100％抗真菌功效所需總能量密度的大1/2。
表20.來自交替NIMELS波長的白色念珠菌數據 這種協同作用對人組織安全性有意義，因為930nm光能以比870nm光能更快的速率加熱系統，其對於哺乳動物系統在治療期間產生可能最少量的熱是有益的。
還認為如果NIMELS光能(870nm和930nm)以上述方式對其它真菌物種交替使用，那麼100％抗真菌效果基本上是相同的。
實施例XIX NIMELS獨特的同時協同λ＝870NM和λ＝930NM光能之間的作用 體外實驗數據還證明，當將其同時使用(870nm與930nm聯合)時，在兩個NIMELS波長(870nm和930nm)之間有相加作用。870nmNIMELS波長和930nm NIMELS波長作為同時輻射存在絕對提高NIMELS系統的抗菌功效作用。
體外實驗數據(參見例如以下表IX和X)證明，通過聯合λ＝870nm和λ＝930nm(在本實施例中同時使用)，有效降低930nm光能和密度到當用本發明單一治療時所需總能量和能量密度的約一半。
表21.聯合NIMEL波長的大腸桿菌數據 表22.聯合NIMEL波長的金黃色葡萄球菌數據 這種同時協同能力對人組織安全性有意義，因為930nm光能以比870nm光能更快的速率加熱系統，其對於哺乳動物系統在治療期間產生可能最少量的熱是有益的。
還認為如果NIMELS光能(870nm和930nm)以上述方式對其它細菌物種同時使用，那麼100％抗細菌效果基本上是相同的(參見圖17、18和19)。體外實驗數據還證明，當將其同時對真菌使用時，在兩個NIMELS波長(870nm和930nm)之間有相加作用。業已發現870nmNIMELS波長和930nm NIMELS波長作為同時輻射存在，提高NIMELS系統的抗真菌功效作用。
體外實驗數據證明，當(870nm和930nm)波長以同時的方式聯合時，這種協同效果(聯合870nm波長和930nm波長用於同時輻射)使得930nm光能降低到用於NIMELS 100％抗白色念珠菌真菌功效所需總能量和能量密度的大約1/2。
表23.聯合NIMELS長的白色念珠菌數據 因此，NIMELS波長(λ＝870nm和930nm)可以以交替方式或同時地或以這樣的方式的任何組合使用，藉此減少與溫度增加(將其最小化)有關的λ＝930的接觸時間，以達到抗細菌和抗真菌功效。
體外實驗數據還證明，當大腸桿菌以以下參數單用(對照)λ＝830nm波長輻射時，對照830nm雷射在12分鐘輻射周期產生零抗細菌功效，以同樣的參數在用λ＝930nm輻射時可使與100％抗細菌和抗真菌功效有關的NIMELS放射量最小化。
表24.單一波長λ＝830nm時的大腸桿菌數據 體外實驗數據還證明，當以安全的熱放射量使用時，用與λ＝930nm組合的λ＝830nm輻射時幾乎沒有相加作用。作為第一輻射的830nm對照波長的存在，在與第二930nm NIMELS波長產生協同抗細菌功效方面遠次於870nm NIMELS波長。
表25.取代的交替830nm對照波長的大腸桿菌數據 體外實驗數據還證明，當以安全的熱放射量使用時，當830nm波長和NIMELS 930nm波長同時使用時有較小的相加作用。實際上，體外實驗數據證明，當870nm與930nm同時聯合時與市售830nm相比，需要少17％總能量、少17％的能量密度和少17％的功率密度以達到100％抗大腸桿菌功效。這樣作再次充分減少熱量和對擬用NIMELS波長治療的體內系統的傷害。
表26.取代的同時用830nm對照波長的大腸桿菌數據 殺死細菌的數量 體外數據還表明，NIMELS雷射系統在體外有效(在熱量耐受內)抵抗含有2,000,000(2x106)個菌落形成單位(CFU)的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的細菌溶液。這是通常在受感染的人潰瘍組織的1克樣品中所見的2x增加量。Brown等報告在檢測的75％的糖尿病患者中的微生物細胞都至少為100,000CFU/克，在37.5％患者中，微生物細胞的量大於1,000,000(1x106)CFU(參見Brown等，Ostomy WoundManagement(造瘻術傷口管理)，40147，issue 10，(2001)，其全部教導通過引用合併到本文中)。
熱量參數 體外實驗數據還證明，NIMELS雷射系統可在對人組織安全的熱量耐受範圍內實現100％抗細菌和抗真菌功效。
實施例XX 低溫對NIMELS的影響 冷卻細菌物種 體外實驗數據還證明，通過在雷射照射周期前在PBS中充分降低細菌樣品的初始溫度到4℃2個小時，用NIMELS雷射系統以任何目前可再產生的抗細菌能量不能達到光抗細菌功效。
實施例XXI NIMELS對紅色毛癬菌的效應 本實施例證明當以交替或同時方式使用NIMELS波長(870nm和930nm)時的效應。
表27.NIMELS對紅色毛癬菌交替波長試驗 1號實驗＝最小效果 2號實驗＝在所有板中都100％殺死 表28.NIMELS對紅色毛癬菌同時波長試驗 3、4、5號實驗＝在所有板中都100％殺死 表29.NIMELS紅色毛癬菌-單波長 6、7號實驗＝在所有板中都100％殺死 表30.對照紅色毛癬菌-830nm/930nm交替 8號實驗＝無作用 9號實驗＝100％殺死 如上表XVIII中所述治療導致100％殺死。
表31.用λ＝830nm和930nm體外靶向紅色毛癬菌 實施例XXII MRSA/抗微生物劑增強 本實施例表明，在體外靶向MRSA使用NIMEIS波長(λ＝830nm和930nm)增加對抗微生物劑甲氧西林的敏感性。進行了四個單獨的實驗。關於這四個實驗的數據組列於以下表中。也參見圖17，該圖顯示(a)NIMELS與甲氧西林、青黴素和紅黴素在MRSA菌落的生長抑制中的協同作用，數據表明青黴素和甲氧西林被亞致死NIMELS放射量增強，其通過抑制細菌細胞質膜質子-動力勢(Δp-質膜-細菌)，藉此抑制與藥物共同靶向的肽聚糖合成的合成代謝過程來實現；和(b)紅黴素增強的程度更大，因為NIMELS效應抑制供應用於蛋白質合成的合成代謝過程和紅黴素抗性流出泵的能量的細菌細胞質膜質子-動力勢(Δp-質膜-細菌)。
材料 表32.
CFU計數的通用方法 表33 表34.MRSA放射量級數11-06-06實驗#1 第一次雷射照射程序870和930都用 第二次雷射照射程序單用930 對MRSA研究的獨立報告，2006年11月7日 (MRSA數據級數11-07-06實驗#1) 實驗1-設計 用8種不同的雷射劑量處理對數生長期的MRSA的鹽水混懸液，標記為A1到H1。
稀釋處理過的和未處理對照的混懸液，在含或不含30μg/ml甲氧西林的胰蛋白腖大豆瓊脂上作三個平行鋪板。在37℃生長24小時後計數菌落。
在含與不含甲氧西林用於對照(未處理)和處理二種MRSA的板中比較CFU(菌落形成單位)。
實驗1-結果 條件D1到H1顯示處理和未處理的樣品的甲氧西林板上的CFU同樣減少。
條件A1、B1和C1顯示，與未處理的對照比較，雷射處理的樣品的CFU分別少30％、33％或67％。
這表明對樣品A1、B1和C1進行的處理使得MRSA對甲氧西林的作用敏感。
表35.MRSA數據級數11-07-06實驗#1
MRSA放射量級數 11-07-06 第一次雷射照射程序870和930都用 第二次雷射照射程序單用930 對MRSA研究的獨立報告，2006年11月8日 (MRSA數據級數11-08-06實驗#2) 實驗2-設計 基於實驗1和先前所確立的有效劑量，用8種不同的雷射劑量處理對數生長期的MRSA鹽水混懸液，標記為A2到H2。
稀釋處理過的和未處理對照的混懸液，在含或不含30μg/ml甲氧西林的胰蛋白腖大豆瓊脂上作三個平行鋪板。在37℃生長24小時後計數菌落。
實驗2-結果 在含與不含甲氧西林的板中比較CFU，顯示除A2和B2外的所有雷射處理的樣品中甲氧西林的功效顯著增強。該數據以表格形式在下面概述。
表37
表38.MRSA數據級數11-08-06實驗#2
表39.用於NOMIR MRSA研究的概要方案-2006年11月9日(11-09-06實驗#3) 方法 表40.MRSA放射量級數11-09-06實驗#3 MRSA放射量級數 11-0906 第一次雷射照射程序870和930都用 第二次雷射照射程序單用930 MRSA研究的獨立報告，2006年11月9-10日 MRSA數據級數11-10-06實驗#3 實驗3-設計 基於實驗1及2和先前所確立的有效劑量，用8種不同的雷射劑量處理對數生長期的MRSA鹽水混懸液，標記為A3到H3。
稀釋處理過的和未處理對照的混懸液，在含或不含30μg/ml甲氧西林的胰蛋白腖大豆瓊脂上作5個平行鋪板。在37℃生長24小時後計數菌落。
實驗3-結果 在含與不含甲氧西林的板中比較CFU，顯示在所有雷射處理的樣品中甲氧西林的有效性顯著增強。該數據以表格形式在下面概述。
表41.
表42.MRSA數據級數11-10-06實驗#3
表43.用於NOMIR MRSA研究的概要方案-2006年11月10日方法 表44.MRSA放射量級數11-10-06實驗#4 MRSA放射量級數 11-0906 第一次雷射照射程序870和930都用 第二次雷射照射程序單用930 MRSA研究的獨立報告，2006年11月10-11日 (MRSA數據級數11-10-06實驗#4) 實驗4-設計 基於在先前實驗中所確定的有效劑量，用2種不同的雷射劑量處理對數生長期的MRSA鹽水混懸液，標記為A4到F4。
稀釋處理過的和未處理對照的混懸液，在含或不含30μg/ml甲氧西林(A4和B4組)、0.5μg/ml青黴素G(C4和D4組)或4μg/ml紅黴素(E4和F4組)的胰蛋白腖大豆瓊脂上作5個平行鋪板。
在37℃生長24小時後計數菌落。
實驗4-結果 雷射處理增加MRSA對所測試的各種抗生素的敏感性若干倍。該數據以表格形式在下面概述。
表45.
表46.MRSA數據級數11-10-06實驗#4
實施例XXIII 體內安全性測試-人患者 在體外纖維原細胞研究之後，發明人對其自身進行放射量滴定，以確定可傳輸給人皮膚組織而對受輻射的組織無灼傷或其他損傷的安全的最大能量水平和接觸時間。
他使用的方法是用NIMELS雷射以變化的時間長度和功率設置輻射其大腳趾。這一自我照射的實驗結果如下所示。
表47.聯合的波長放射量 表48λ＝930nm時的放射量 將時間/溫度評估製成圖表，以確保這些雷射能量對人皮膚組織的熱量安全性(數據未列出)。在一個雷射程序中，他以870nm和930nm二者照射自己的大腳趾長達233秒，同時用雷射紅外溫度計測量腳趾甲表面溫度。他發現用870nm和930nm連同1.70W/cm2的聯合功率密度使用上述放射量，在表面溫度為37.5℃時產生疼痛，關掉雷射器。
在第二個雷射程序中，他以930nm照射大腳趾達142秒，同時再次用雷射紅外溫度計測量腳趾甲表面溫度。他發現單用930nm在1.70W/cm2的功率密度時，表面溫度為36℃時產生疼痛，關掉雷射器。
實施例XXIV 體內安全性測試-有限的臨床初步研究 在上述實驗之後，治療了另外的罹患腳甲癬的患者。這些患者都是免費的志願者，提供了籤字的知情同意書。本有限數目的小規模研究的原則目標是如在體外用NIMELS雷射裝置所獲得的一樣，在體內達到消除真菌的同樣水平。我們還決定應用發明者在其自我照射實驗期間耐受的最大照射時間和溫度限制。在受到高度控制和監測的環境中，對每一對象實施3到5個雷射照射程序。4名對象是徵募來經受治療的。不付給提供籤字知情同意書的對象報酬，告知他們可在任何時間退出，即使是在治療過程中。
用於治療第一個對象的放射量與發明者自我照射期間所用(如上所示)的一樣。趾甲表面溫度參數也與發明者在自我照射中發現的溫度一樣。
經治療的腳趾顯示顯著減輕足癬和趾甲床周圍的鱗片，這表示消除了起真菌庫作用的趾甲板的汙染。通過橫切組織粘附物來刮擦對照趾甲，保留刮削物塗板到真菌培養基上。以完全相同的方式刮擦經治療的趾甲並塗布。
為了培養趾甲刮削物，加入以下物質製備沙氏葡糖瓊脂(2％葡萄糖)培養基氯黴素(0.04mg/ml)，用於一般的真菌測試；氯黴素(0.04mg/ml)和放線菌酮(cycloheximide)(0.4g/ml)，選擇性用於皮膚真菌；氯黴素(0.04mg/ml)和灰黃黴素(20μg/ml)，作為真菌生長的陰性對照。
#1號治療和#2號治療(在#1號治療後3天進行)進行9天的真菌學結果是一樣的，在對照腳趾甲板上皮膚真菌生長，經治療的腳趾甲板沒有生長。經治療的趾甲板不顯示任何生長，然而未治療的對照趾甲板顯示顯著生長。跟蹤第一個對象120天，接受了4次同樣方案的治療。圖18顯示治療前(A)、治療後60天(B)、治療後80天(C)和治療後120天(D)的腳趾甲的比較。特別要注意的是，健康和未受感染的趾甲板遮蓋50％趾甲區並在120天後由健康表皮生長。
儘管本文業已闡述了某些實施方案，但本領域技術人員應該明白，不偏離其精神，本發明方法、系統和設備可體現為其它特定形式。因此，本發明實施方案在各方面都應該考慮為闡明性的，而非限制本發明。應該理解，人趾甲起耐高溫的透鏡的作用，分散和/或反射部分NIMELS紅外能量。因此，進行豬皮膚劑量/耐受研究以滴定不灼傷/損傷組織的最大NIMELS放射量。豬皮膚用作人皮膚的模型。遵照動物保護法並按照NIH的實驗動物飼養管理和使用手冊(Guide for theCare and Use of Laboratory Animals)進行這些研究。這些試驗如下所示。
豬皮膚劑量/耐受研究 表49. 實施例XXV 非熱能的NIMELS作用 非熱能的NIMELS相互作用的證據 通過實驗(體外水浴研究)證明了在體外NIMELS實驗中達到的溫度，沒有高到其本身足以中和病原體的程度。
在下面的圖表中，可清楚地看到，當簡單的大腸桿菌細菌在水浴試管中受到47.5℃連續8分鐘的攻擊時，其達到91％的菌落生長。因此，基本上證明NIMELS反應在本質上確實是光化學，並在缺乏外源藥物和/或染料時出現。
表50
權利要求
1.治療系統，包含
有效量的合適的藥物；和
NIMELS發光雷射器，所述雷射器經配置和排布以產生於NIMELS放射量Tn的NIMELS輻射λn輸出來輻射靶位點，
其中所述輸出能夠改變受輻射的細胞膜的膜偶極電位Ψd，藉此產生NIMELS效應，其中所述NIMELS效應增強所述藥理作用。
2.權利要求1的治療系統，其中對所述系統進行配置和排布以避免對所述靶位點的生物部分產生不合需要的損傷。
3.權利要求1的治療系統，其中對所述NIMELS發光雷射器進行配置和排布以產生波長為870nm或930nm或二者都有的所述NIMELS輻射輸出。
4.權利要求1的治療系統，其中對所述NIMELS發光雷射器進行配置和排布以輻射所述靶位點約50-約1200秒的時間(Tn)。
5.權利要求1的治療系統，其中所述NIMELS放射量在所述靶位點提供約100J/cm2-約2000J/cm2的能量密度。
6.權利要求1的治療系統，其進一步包含經配置和排布以散射在所述靶位點處的所述輸出的光分散末端。
7.權利要求1的治療系統，其進一步包含經配置和排布以產生具有幾何學平頂強度分布的輸出的光傳遞子系統。
8.權利要求7的治療系統，其中所述光傳遞子系統包括平頂透鏡。
9.權利要求1的治療系統，其進一步包括包含光纖的光傳遞系統。
10.權利要求1的治療系統，其進一步包含放射量控制器，所述控制器經配置和排布以根據在靶位點處輸出的總能量或功率或時間的計算來調整所述能量輸出，以產生能夠將穩態跨膜電位ΔΨ-穩態改變為瞬態跨膜電位ΔΨ-瞬態的Nimels效應。
11.權利要求1的治療系統，其中所述藥物選自抗細菌藥物、抗真菌藥物、抗腫瘤藥物和其組合。
12.權利要求11的治療系統，其中所述抗細菌藥物選自β-內醯胺類、糖肽、環狀多肽、大環內酯類、酮內酯、苯胺尿嘧啶、林可醯胺類、氯黴素類、四環素類、氨基糖苷類、桿菌肽類、頭孢唑啉類、頭孢菌素類、莫匹羅星類、硝咪唑類、喹諾酮類和氟喹諾酮類、新生黴素類、多黏菌素類、陽離子去汙劑抗生素、噁唑烷酮類或其它雜環有機化合物、甘氨醯環素類、脂肽類、環脂肽類、截短側耳素類和短桿菌肽類、達託黴素類、利奈唑胺類、安莎黴素類、碳頭孢烯類、碳青黴烯類、單環內醯胺類、平板黴素類、鏈陽性菌素類、替硝唑類和包括其任何鹽在內的它們的組合。
13.權利要求11的治療系統，其中所述抗真菌藥物選自多烯類、唑類、咪唑類、三唑類、烯丙胺類、棘白菌素類、環吡酮、氟胞嘧啶、灰黃黴素、阿莫羅芬、sodarins和包括其任何鹽類在內的它們的組合。
14.權利要求11的治療系統，其中所述抗腫瘤藥物選自放線菌素、蒽環黴素類、博萊黴素、普卡黴素、絲裂黴素、紫杉烷類、依託泊苷、替尼泊苷和其組合。
15.治療系統，包括
有效治療量的藥物；
NIMELS發光雷射器，所述雷射器經配置和排布以產生於NIMELS放射量Tn的NIMELS輻射λn來輻射靶位點，用於選擇性輻射脂質雙層的長鏈脂肪酸的C-H共價鍵，其中對所述共價鍵進行的靶向輻射有效改變受輻射的細胞膜的膜偶極電位Ψd，其中所述λn和Tn的組合適於(i)輻射細胞色素鏈，(ii)讓所述膜的生物能從熱力學穩態條件改變為瞬態能量應激和/或氧化還原應激之一；和
光傳遞系統，所述光傳遞系統適於將所述於NIMELS放射量Tn的NIMELS輻射λn遞送給靶位點，其中對所述光傳遞系統進行配置和排布以將於所述NIMELS放射量Tn的所述NIMELS輻射λn遞送給所述靶位點而不損傷所需要的宿主細胞。
16.權利要求15的治療系統，其中對所述NIMELS發光雷射器進行配置和排布以對所述靶位點輻射約50-約1200秒的時間(Tn)。
17.權利要求15的治療系統，其中所述NIMELS放射量在靶位點處提供約100J/cm2-約2000J/cm2的能量密度。
18.權利要求15的治療系統，其中所述藥物選自抗細菌藥物、抗真菌藥物、抗腫瘤藥物和其組合。
19.權利要求18的治療系統，其中所述抗腫瘤藥物選自放線菌素、蒽環黴素類、博萊黴素、普卡黴素、絲裂黴素和其組合。
20.權利要求18的治療系統，其中所述抗細菌藥物選自β-內醯胺類、糖肽、環狀多肽、大環內酯類、酮內酯、苯胺尿嘧啶、林可醯胺類、氯黴素類、四環素類、氨基糖苷類、桿菌肽類、頭孢唑啉類、頭孢菌素類、莫匹羅星類、硝咪唑類、喹諾酮類和氟喹諾酮類、新生黴素類、多黏菌素類、陽離子去汙劑抗生素、噁唑烷酮類或其它雜環有機化合物、甘氨醯環素類、脂肽類、環脂肽類、截短側耳素類和短桿菌肽類、達託黴素、利奈唑胺類、安莎黴素類、碳頭孢烯類、碳青黴烯類、單環內醯胺類、平板黴素類、鏈陽性菌素類、替硝唑類和包括其任何鹽類在內的它們的組合。
21.權利要求18的治療系統，其中所述抗真菌藥物選自多烯類、唑類、咪唑類、三唑類、烯丙胺類、棘白菌素類、環吡酮、氟胞嘧啶、灰黃黴素、阿莫羅芬、sodarins和包括其任何鹽類在內的它們的組合。
22.權利要求15的治療系統，其中對所述系統進行配置和排布以改變質子動力勢Δp，其中防止在所述生物部分或生物汙染物中的細胞製造足夠的ATP或吸收充分生長和繁殖所需的必需的營養物質，所述生長和繁殖包括在所述生物部分或生物汙染物中的蛋白質、RNA、DNA、肽聚糖、脂磷壁酸和脂類的合成。
23.權利要求22的治療系統，其中對所述系統進行配置和排布以增強藥物，所述增強經由改變的吉布斯自由能值ΔGp降低可用的ATP，以致危及偶聯於所述質子動力勢Δp的所述藥物的能量依賴的流出來實現。
24.權利要求15的治療系統，對該系統進行配置和排布以產生具有2-10之間的值的NIMELS效應，Ne，其中Ne代表所述在任何組織、部分或溶液中抵抗微生物病原體的抗微生物增強作用的水平。
25.權利要求15的治療系統，其中所述光傳遞系統包括平頂透鏡、光纖或分散末端。
26.降低靶位點細胞中的ΔμH+或Δμx+以抑制細胞合成代謝途徑和弱化細胞抵抗抗微生物分子的抗性機制的方法，所述方法包括
聯合λn和Tn以輻射靶位點；
在所述靶位點處並行降低Δp-線-哺和/或Δp-質膜-細菌；和
同時或序貫給予所述靶位點抗菌藥物，其中在所述靶位點處實現一種或多種細胞合成代謝途徑的抑制。
27.權利要求26的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為肽聚糖生物合成，該途徑由能結合在細菌轉肽酶的活性位點的所述抗微生物劑共同靶向。
28.權利要求26的方法，其中所述被靶向的細菌合成代謝途徑為肽聚糖生物合成，該途徑由能結合革蘭氏陽性菌細胞壁中間物中的醯基-D-丙氨醯-D-丙氨酸基團的所述抗微生物劑共同靶向，藉此防止N-乙醯胞壁酸(NAM)肽-和N-乙醯葡糖胺(NAG)-肽亞基結合到肽聚糖基質中，藉此防止肽聚糖的正確形成。
29.權利要求26的方法，其中所述被靶向的細菌合成代謝途徑為肽聚糖生物合成，該途徑由能與C55-異戊二烯焦磷酸結合的所述抗微生物劑共同靶向，藉此防止焦磷酸酶與C55-異戊二烯焦磷酸相互作用，藉此降低了可用於攜帶內膜外的結構單元肽聚糖的C55-異戊二烯焦磷酸的量。
30.權利要求26的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為細菌蛋白質生物合成，該途徑由能結合於細菌核糖體50S亞基中的23SrRNA分子的所述抗微生物劑共同靶向，藉此在細胞中積聚肽醯-tRNA，藉此消耗用於活化α-胺基酸所必需的游離tRNA，並通過引起肽醯-tRNA從核糖體過早解離來抑制轉肽作用。
31.權利要求30的方法，其中所述抗菌劑能同時結合於所述50S細菌核糖體亞基的23SRNA的兩個結構域，藉此抑制所述細菌核糖體亞基50S和30S的形成。
32.權利要求30的方法，其中所述抗微生物劑被氯化以增加其親脂性並能結合於所述細菌核糖體50S亞基的23S部分，並防止所述肽醯-tRNA從所述活性位點(A-位點)轉移到所述肽基位點(P-位點)，藉此抑制轉肽酶反應。
33.權利要求30的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為細菌蛋白質生物合成，該途徑由能結合於30S細菌核糖體亞基的所述抗微生物劑共同靶向，藉此阻斷氨基-醯基tRNA與所述核糖體的接受位點(A-位點)結合，藉此抑制密碼子-反密碼子相互作用和蛋白質合成的延伸階段。
34.權利要求33的方法，其中所述抗微生物劑能以更強親合力結合於所述細菌核糖體，並且結合方向不同於具有八氫並四苯-2-甲醯胺骨架的多聚乙醯抗微生物劑的典型亞類。
35.權利要求26的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為細菌蛋白質生物合成，該途徑由能結合於特定氨醯-tRNA合成酶的所述抗微生物劑共同靶向，藉此防止特定胺基酸或其前體酯化為其相容的tRNA的胺基酸或其前體之一，從而防止氨醯-tRNA的形成。
36.權利要求26的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為細菌蛋白質生物合成，該途徑由在起始階段之前抑制細菌蛋白質合成的所述抗微生物劑共同靶向，其抑制方式為通過所述23S rRNA的結構域V與所述50S rRNA結合，連同與所述30S核糖體亞基的16S rRNA相互作用，從而防止蛋白質合成起始子甲醯-甲硫氨酸(f-Met-tRNA)與所述30S核糖體亞基的結合。
37.權利要求26的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為細菌蛋白質生物合成，該途徑由與在靠近肽基轉移酶中心的23S rRNA P位點區域中的蛋白L3與細菌核糖體50S亞基相互作用的所述抗微生物劑共同靶向，並因此抑制肽基轉移酶活性和肽基轉移，阻斷P-位點相互作用，並防止活性50S核糖體亞基的正常形成。
38.權利要求26的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為DNA複製和轉錄，該途徑由抑制拓撲異構酶II(DNA促旋酶)和/或拓撲異構酶IV的所述抗微生物劑共同靶向。
39.權利要求26的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為DNA複製和翻譯，該途徑由抑制DNA聚合酶IIIC的所述抗微生物劑共同靶向，所述酶為革蘭氏陽性細菌染色體DNA複製所需的，但在革蘭氏陰性細菌中不存在。
40.權利要求26的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為DNA複製和轉錄，該途徑由抑制拓撲異構酶II(DNA促旋酶)和/或拓撲異構酶IV和/或DNA聚合酶IIIC的所述抗微生物劑共同靶向。
41.權利要求26的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為細菌磷脂生物合成，該途徑由對富含磷脂醯乙醇胺的細胞質膜起作用的所述抗微生物劑共同靶向。
42.權利要求26的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為細菌脂肪酸生物合成，該途徑由所述抗微生物劑共同靶向，該抗微生物劑通過選擇性靶向II型脂肪酸合成中必不可少的酶β-酮醯基-(醯基載體蛋白(ACP))合酶I/II(FabF/B)來抑制細菌脂肪酸生物合成。
43.權利要求26的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為維持細菌細胞質跨膜電位ΔΨ-質膜-細菌，且所述抗微生物劑通過與革蘭氏陽性細胞質膜結合，藉此引起去極化作用和導致蛋白質、DNA和RNA合成抑制的膜電位損失來破壞細菌細胞膜功能。
44.權利要求26的方法，其中所述抗微生物劑增加細菌細胞壁的滲透性，藉此使得無機陽離子自由通過所述細胞壁，藉此破壞細胞質和胞外環境之間的離子梯度。
45.權利要求26的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為維持細菌膜的選擇性滲透性和細菌細胞質跨膜電位ΔΨ-質膜-細菌，所述抗微生物劑為陽離子抗菌肽，該肽對所述細菌膜的帶負電錶面比對真核細胞的中性膜表面更有選擇性，並導致膜滲透化和細菌細胞膜的最終穿孔和/或崩解，藉此促進細菌細胞內容物漏出和跨膜電位崩潰。
46.權利要求26的方法，其中所述抗微生物劑抑制細菌蛋白酶肽去甲醯酶，所述去甲醯酶催化甲醯基離開新合成的細菌多肽的N-末端。
47.權利要求26的方法，其中所述抗微生物劑抑制細菌中雙組分調控系統，其中所述調控系統包括通過跨細菌細胞質膜的信號轉導對其環境響應的能力，其中這些信號轉導過程不在哺乳動物膜中存在。
48.權利要求26的方法，其中所述抗微生物劑與第二分子聯合或一起被遞送，該第二分子對被靶向的細菌作為抗性機制而產生的弱化或使所述抗微生物劑失活的任何蛋白質或酶起競爭性抑制劑的作用，和/或起流出泵抑制劑的作用，因此有助於恢復所述抗微生物劑的功效。
49.降低靶位點細胞中的ΔμH+或Δμx+以抑制細胞合成代謝途徑和弱化抵抗抗菌分子的細胞抗性機制的方法，所述方法包括
聯合λn和Tn以輻射靶位點；
在所述靶位點處並行降低Δp-線-哺和/或Δp-質膜-細菌；和
同時或序貫給予所述靶位點多種抗菌藥物，其中在所述靶位點處實現一種或多種細胞合成代謝途徑的抑制。
50.權利要求49的方法，其中一種或多種所述抗微生物劑與第二分子聯合，該第二分子對被靶向的細菌作為抗性機制而產生的弱化或使所述抗微生物劑失活的任何蛋白質或酶起競爭性抑制劑的作用，和/或起流出泵抑制劑的作用，因此有助於恢復所述抗微生物劑的功效。
51.降低靶位點細胞中的ΔμH+或Δμx+以抑制細胞合成代謝途徑並弱化細胞抵抗抗真菌分子的抗性機制的方法，所述方法包括
聯合λn和Tn以輻射靶位點；
在所述靶位點處並行降低Δp-線-哺、Δp-線-真菌、Δp-質膜-真菌；和
同時或序貫給予所述靶位點抗真菌藥物，其中在所述靶位點實現一種或多種細胞合成代謝途徑的抑制。
52.權利要求51的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為磷脂生物合成，該途徑由所述抗真菌藥物共同靶向，該抗真菌藥物破壞真菌細胞膜中存在的磷脂的結構。
53.權利要求51的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為麥角固醇生物合成，該途徑由所述抗真菌藥物共同靶向，該抗真菌藥物在C-14脫甲基作用階段抑制麥角固醇生物合成，導致消耗麥角固醇並積聚經由破壞細胞質膜結構來幹擾作為膜組分的麥角固醇的功能的羊毛甾醇和其它14-甲基化固醇。
54.權利要求51的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為麥角固醇生物合成，該途徑由所述抗真菌藥物共同靶向，該抗真菌藥物抑制角鯊烯環氧酶，進而在真菌細胞中抑制麥角固醇生物合成，導致真菌細胞膜滲透性增加。
55.權利要求51的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為麥角固醇生物合成，該途徑由所述抗真菌藥物共同靶向，該抗真菌藥物抑制d14-還原酶和d7、d8-異構酶。
56.權利要求51的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為真菌細胞壁生物合成，該途徑由所述抗真菌藥物共同靶向，該抗真菌藥物抑制(1，3)β-D-葡聚糖合酶，進而抑制真菌細胞壁中的β-D-葡聚糖合成。
57.權利要求51的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為真菌固醇生物合成，該途徑由所述抗真菌藥物共同靶向，該抗真菌藥物結合真菌細胞膜中的固醇，所述主要固醇為麥角固醇，這有效改變所述細胞膜的瞬時溫度，在所述膜中引起孔形成，導致在真菌細胞膜中形成有害的離子通道。
58.權利要求57的方法，其中將所述抗真菌藥物配製用於在脂類、脂質體、脂類複合物和/或膠態分散體中遞送以防止來自該藥物的毒性。
59.權利要求51的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為蛋白質合成，其中所述抗真菌藥物為5-FC，其由胞嘧啶通透酶吸收到真菌細胞中，脫去氨基成為5-氟尿嘧啶(5-FU)，轉化為三磷酸核苷並摻入到RNA中，在此處其導緻密碼錯編。
60.權利要求51的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為真菌蛋白質合成，該途徑由抑制真菌延伸因子EF-2的所述抗真菌藥物共同靶向。
61.權利要求51的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為真菌幾丁質生物合成，該途徑由所述抗真菌藥物共同靶向，該抗真菌藥物通過抑制一種或多種酶幾丁質合酶2的作用來抑制真菌幾丁質生物合成。
62.權利要求61的方法，其中所述抗真菌藥物抑制幾丁質合酶3的作用，該酶是在萌芽和生長、交配和孢子形成期間合成幾丁質所必需的酶。
63.權利要求51的方法，其中所述抗真菌藥物螯合多價陽離子Fe+3或Al+3，導致負責線粒體電子傳遞和細胞能量產生的金屬依賴性酶的抑制，還導致真菌細胞內過氧化物的正常降解的抑制。
64.權利要求51的方法，其中所述抗真菌藥物抑制真菌中的雙組分調控系統，其中所述調控系統通過跨真菌細胞質膜的信號轉導對環境響應。
65.權利要求51的方法，其中所述抗真菌藥物與第二分子聯合，該第二分子對被靶向的真菌作為抗性機制而產生的弱化或使所述抗真菌劑失活的任何蛋白質或酶起競爭性抑制劑的作用，和起流出泵抑制劑的作用，因此有助於恢復所述抗真菌劑的功效。
66.降低靶位點細胞中的ΔμH+或Δμx+以抑制細胞合成代謝途徑並弱化細胞抵抗抗真菌分子的抗性機制的方法，所述方法包括
聯合λn和Tn以輻射靶位點；
在所述靶位點的細胞中並行降低Δp-線-哺和/或Δp-線-真菌和/或Δp-質膜-真菌；和
同時或序貫給予所述靶位點多種抗真菌藥物，其中在所述靶位點實現一種或多種細胞合成代謝途徑的抑制。
67.權利要求66的方法，其中一種或多種所述抗真菌藥物與第二分子聯合，該第二分子是被靶向的真菌作為抗性機制而產生的弱化或使所述抗真菌劑失活的任何蛋白質或酶的競爭性抑制劑，和起流出泵抑制劑的作用，因此有助於恢復所述抗真菌劑的功效。
68.降低靶位點細胞中的ΔμH+或Δμx+以抑制細胞合成代謝途徑並弱化細胞抵抗抗腫瘤藥物的抗性機制的方法，所述方法包括
聯合λn和Tn以輻射靶位點；
降低Δp-線-哺和/或哺乳動物細胞質跨膜電位ΔΨ-質膜-哺；和
同時或序貫給予所述靶位點抗腫瘤藥物，其中在所述靶位點實現一種或多種細胞合成代謝途徑的抑制。
69.權利要求68的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為DNA複製，該途徑由所述抗腫瘤藥物共同靶向，所述抗腫瘤藥物通過交聯DNA中的鳥嘌呤核苷鹼基導致所述DNA鏈不能解開和分離來抑制DNA複製，所述解開和分離為DNA複製所必需。
70.權利要求68的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為DNA複製，該途徑由所述抗腫瘤藥物共同靶向，所述抗腫瘤藥物與同一條DNA鏈或不同DNA鏈中的兩種不同的7-N-鳥嘌呤殘基反應。
71.權利要求68的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為DNA複製，該途徑由所述抗腫瘤藥物共同靶向，所述抗腫瘤藥物通過起作抗代謝物的作用來抑制DNA複製和細胞分裂。
72.權利要求68的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為細胞分裂，該途徑由所述抗腫瘤藥物共同靶向，所述抗腫瘤藥物通過防止微管起作用來抑制細胞分裂。
73.權利要求68的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為DNA複製，該途徑由所述抗腫瘤藥物共同靶向，所述抗腫瘤藥物通過防止細胞進入G1期和DNA複製來抑制DNA複製和細胞分裂。
74.權利要求68的方法，其中所述被靶向的合成代謝途徑為細胞分裂，該途徑由所述抗腫瘤藥物共同靶向，所述抗腫瘤藥物提高微管的穩定性，防止在細胞分裂後期染色體分離。
75.權利要求68的方法，其中被靶向的合成代謝途徑為DNA複製，該途徑由所述抗腫瘤藥物共同靶向，所述抗腫瘤藥物通過抑制I型或II型拓撲異構酶來抑制DNA複製和細胞分裂，通過擾亂恰當的DNA超螺旋來幹擾DNA的轉錄和複製。
全文摘要
本文公開了用於應用近紅外光能和放射量以通過光去極化效應改變所有受輻射細胞的生物能穩態跨膜電位和線粒體電位(ΔΨ-穩態)的系統和方法。這種去極化作用隨之而來導致受輻射的線粒體和細胞質膜的跨膜電位ΔΨ的絕對值降低。可通過降低膜電位ΔΨ、附帶弱化質子動力勢Δp並關聯降低磷酸化勢ΔGp，使得很多細胞合成代謝反應和耐藥機製作用功能降低和/或削弱。在暴露於輻射的區域內，細菌、真菌和哺乳動物細胞中將一致出現膜電位ΔΨ的降低。這種膜去極化作用提供增強抗菌劑、抗真菌劑和/或抗腫瘤藥物僅抵抗被靶向的不希望有的細胞的能力。
文檔編號A61N5/06GK101663066SQ200780051272
公開日2010年3月3日 申請日期2007年12月12日 優先權日2006年12月12日
發明者E·博恩施泰因 申請人:諾米爾醫療技術公司