Study of the Effect of Photobiomodulation on the Human Intestinal Microbiota in vitro During Normal and Post-Cryopreservation

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Dysbiosis of the human intestinal microbiota is a key factor in the pathogenesis of numerous diseases. Current corrective approaches, such as probiotics and fecal microbiota transplantation, are often invasive or exhibit limited efficacy. Photobiomodulation, a promising non-invasive approach, has not yet been thoroughly studied for its direct impact on the microbiome in vitro. The purpose of this study was to investigate the effects of photobiomodulation using red (660 nm) and near-infrared (940 nm) light on restoring the viability of human gut microbiota after cryogenic injury, which was used as a model of stress. The intact microbiota from donor stool samples and a pure culture of Bifidobacterium breve were frozen in liquid nitrogen, leading to the death of approximately 50% of cells. After thawing, the samples were irradiated with low fluences ranging from 10 to 600 J/m2. Microbial viability was assessed using the LIVE/DEAD BacLight bacterial viability kit. For B. breve, growth dynamics were also evaluated under anaerobic conditions during culturing on a microplate. Photobiomodulation did not significantly affect the viability of intact (non-cryopreserved) microorganisms. On the contrary, near-infrared irradiation significantly increased the viability of microorganisms after cryopreservation. Both intestinal microbiota showed a maximum increase of +43% with a dose of 40 J/m2 and B. breve showed a maximum of +10% at doses of 40 and 80 J/m2. Growth stimulation of 8% was observed for B. breve during cultivation after irradiation with 660 nm red light. It has been shown for the first time that photobiomodulation with near-infrared light can effectively restore viability in experiments on human microbiota and the culture of B. breve microorganisms after cryogenic damage. On the contrary, near-infrared light irradiation (940 nm) significantly (p ≤ 0.05) enhanced the viability of cryodamaged samples, with a maximum increase of +43% at 40 J/m2 for the human gut microbiota and +10% at 40 and 80 J/m2 for B. breve. In case of B. breve, stimulation of growth by 8% (p ≤ 0.05) during cultivation was also noted. Irradiation with 660 nm red light did not produce pronounced effects. It has been shown for the first time that near-infrared light photobiomodulation can effectively restore the viability and growth of cryodamaged human gut microbiota and Bifidobacterium breve in vitro. Cryopreservation can be used as a model to study the damage to the intestinal microbiota and screen for physical and chemical factors that can help to recover microorganisms. The findings from this research could lead to the development of non-invasive methods for rehabilitation and treatment of diseases related to human dysbiosis, such as transabdominal photobiomodulation.

About the authors

R. N Khramov

Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Russian Academy of Sciences

Pushchino, Russia

L. V Zalomova

Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences

Email: zalonova.91@mail.ru
Pushchino, Russia

E. E Fesenko (Jr.)

Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences

Pushchino, Russia

References

  1. Tremaroli V. and Backhed F. Functional interactions between the gut microbiota and host metabolism. Nature, 489 (7415), 242–249 (2012). doi: 10.1038/nature11552
  2. Шендеров Б. А. Микробная экология человека и ее роль в поддержании здоровья Метаморфозы, 5, 72–80 (2014).
  3. Yatsunenko T., Rey F. E., Manary M. J., Trehan I., Dominguez-Bello M. G., Contreras M., Magris M., Hidalgo G., Baldassano R. N., Anokhin A. P., Heath A. C., Warner B., Reeder J., Kuczynski J., Caporaso J. G., Lozupone C. A., Lauber C., Clemente J., Knights D., Knight R., and Gordon J. I. Human gut microbiome viewed across age and geography. Nature, 486 (7402), 222–227 (2012). doi: 10.1038/nature11053
  4. Jahani-Sherafat S., Taghavi H., Asri N., Tavirani M. R., Razzaghi Z., and Rostami-Nejad M. R. The effectiveness of photobiomodulation therapy in modulation the gut microbiome dysbiosis related diseases. Gastroenterol. Hepatol. Bed Bench, 16 (4), 386–393 (2023). doi: 10.22037/ghfbb.v16i4.2687
  5. Дирин В. Н., Наумов С. А., Удут В. В., Вовк С. М. И Гольдберг В. Е. Способ коррекции функционального состояния органов иммунной системы и биологический электростимулятор внутренних органов для его осуществления. Патент РФ № 2145892 от 26.10.1998.
  6. Phypers R., Berisha-Muharremi V., and Hanna R. The efficacy of multiwavelength red and near-infrared transdermal photobiomodulation light therapy in enhancing female fertility outcomes and improving reproductive health: a prospective case series with 9-month follow-up. J. Clin. Med., 13 (23) 7101 (2024). doi: 10.3390/jcm13237101
  7. Bicknell B., Laakso E. L., Liebert A., and Kiat H. Modifying the microbiome as a potential mechanism of photobiomodulation: a case Report. Photobiomodul. Photomed. Laser Surg., 40 (2), 88–97 (2022). doi: 10.1089/photob.2021.0057
  8. Чичерин И. Ю., Погорельский И. П., Лундовских И.А., Шабалина М. Р. и Дармов И. В. Трансплантация кишечной микробиоты. Журн. инфектологии, 5 (2), 82–89 (2013).
  9. Храмов Р. Н., Заломова Л. В. и Фесенко Е. Е. (мл.). Фотобиомодуляция микробиоты кишечника человека in vitro с помощью красного и ближнего инфракрасного светодиодного излучения. В сб. материалов конференции ≪Теоретическая и экспериментальная биофизика≫ (Синхробук, Пущино, 2023), сс. 108–110.
  10. Zalomova L. V. and Fesenko E. E. (Jr.). FBS-based cryoprotective compositions for effective cryopreservation of gut microbiota and key intestinal microorganisms. BMC Research Notes, 17 (1), 168 (2024). doi: 10.1186/s13104-024-06836-2
  11. De Freitas L. F. and Hamblin M. R. Proposed mechanisms of photobiomodulation or low-level light therapy. IEEE J. Sel. Top Quantum Electron, 22 (3), 7000417 (2016). doi: 10.1109/JSTQE.2016.2561201
  12. Dompe C., Moncrieff L., Matys J., Grzech-Lesniak K., Kocherova I., Bryja A., Bruska M., Dominiak M., Skiba P. M., Shibli J. A., Volponi A. A., and DyszkiewiczKonwinska B. Photobiomodulation-underlying mechanism and clinical applications. J. Clin. Med., 9 (6), 1724 (2020). doi: 10.3390/jcm9061724
  13. Amaroli A., Ravera S., Zekiy A., Benedicenti S., and Pasquale C. A narrative review on oral and periodontal bacteria microbiota photobiomodulation, through visible and near-infrared light: from the origins to modern therapies. Int. J. Mol. Sci., 23 (3), 1372 (2022). doi: 10.3390/ijms23031372
  14. Bordea I. R., Hanna R., Chiniforush N., Gradinaru E., Campian R. S., Sirbu A., Amaroli A., and Benedicenti S. Evaluation of the outcome of various laser therapy applications in root canal disinfection: A systematic review. Photodiagn. Photodyn. Ther., 29:101611 (2020). doi: 10.1016/j.pdpdt.2019.101611
  15. Chung H., Dai T., Sharma S. K., Huang Y.-Y., Caroll J.D., and Hamblin M. R. The nuts and bolts of low-level laser (light) therapy. Ann. Biomed. Eng., 40 (2), 516–533 (2012). doi: 10.1007/s10439-011-0454-7
  16. van Veen R. L., Sterenborg H. J., Pifferi A., Torricelli A., Chikodze E., and Cubeddu R. Determination of visible near-IR absorption coefficients of mammalian fat using time- and spatially resolved diffuse reflectance and transmission spectroscopy. J. Biomed. Opt., 10 (5), 054004 (2005). doi: 10.1117/1.2085149
  17. Monod J. The growth of bacterial cultures. Annu. Rev. Microbiol., 3, 371–394 (1949).
  18. Salvy P. and Hatzimanikatis V. Emergence of diauxie as an optimal growth strategy under resource allocation constraints in cellular metabolism. Proc. Natl. Acad. Sci USA, 118 (8), e2013836118 (2021). doi: 10.1073/pnas.2013836118
  19. Tuchina E. S., Tuchin V. V., Altshuler G. B., and Yaroslavsky I. V. Photodynamic Influence of Red (625 nm) and Infra-Red (805 nm) Radiation on Bacteria P. Acnes Processed by Photosensitizes. Izvestiya of Saratov University. Physics, 8 (1), 21–26 (2008). doi: 10.18500/1817-3020-2008-8-1-21-26
  20. Karu T. I. Primary and secondary mechanisms of action of visible to near-IR radiation on cells. J. Photochem. Photobiol. B: Biology, 49 (1), 1–17 (1999). doi: 10.1016/S1011-1344(98)00219-X
  21. Karu T. I., Kalendo G. S., Letokhov V. S., and LobkoV. V. Effect of pulse laser UV-radiation on proliferating and resting HeLa tumor cells. Nuovo Cimento, 24 (2): 273-6 (1984).
  22. Karu T. I., Tiphlova O., Esenaliev R. O., and Letokhov V. Two different mechanisms of low-intensity laser photobiological effects on Escherichia coli. J. Photochem. Photobiol., 24 (3), 155–161 (1994). doi: 10.1016/1011-1344(94)07016-4
  23. Mardanov A. V., Babykin M. M., Beletsky A. V., Grigiriev A. I., Zinchenko V. V., Kadnikov V. V., Kirpichnikov M. P., Mazur A. M., Nedoluzhko A. V., Novikova N. D., Prokhortchouk E. B., Ravin N. V., Skryabin K. G., and Shestakov S. V. Metagenomic analysis of the dynamic changes in the gut microbiome of the participants of the MARS-500 experiment, simulating long term space flight. Acta Naturae, 5 (3), 116–125 (2013).
  24. Bicknell B., Liebert A., Johnstone D., and Kiat H. Photobiomodulation of the microbiome: implications for metabolic and inflammatory diseases. Lasers Med. Sci., 34 (2), 317–327 (2019). doi: 10.1007/s10103-018-2594-6
  25. Upadhyay P., Banstola A., Bhayana B., and Wu M. X., Photobiomodulation strengthens muscles via its dual functions in gut microbiota. Adv. Sci., e11582 (2025). doi: 10.1002/advs.202511582
  26. Chen Y.-M., Weil L., Chiu Y.-S., Hsu Y.-J., Tsai T.-Y., Wang M.-F., and Huang C.-C. Lactobacillus plantarum TWK10 supplementation improves exercise performance and increases muscle mass in mice. Nutrients, 8 (4), 205 (2016). doi: 10.3390/nu8040205
  27. Huang W. C., Hsu Y. J., Li H., Kan N.W., Chen Y.-M., Lin J.-S., Hsu T.-K., Tsai T.-Y., Chiu Y.-S., and Huang C.-C. Effect of Lactobacillus Plantarum TWK10 on improving endurance performance in humans. Chin. J. Physiol., 61 (3), 163–170 (2018). doi: 10.4077/CJP.2018.BAH587

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».