抗菌新武器：聚集誘導(dǎo)發(fā)光在細(xì)菌感染防治領(lǐng)域的應(yīng)用

陳偉才 劉勇 王志明

細(xì)菌性感染疾病日益增多，已成為全球范圍內(nèi)嚴(yán)重威脅人類生命的健康問題。自1930年代以來，有很多預(yù)防性抗生素藥物被發(fā)現(xiàn)和證實具有抑制或殺死有害細(xì)菌的作用。每種抗生素都有其作用機制，包括細(xì)胞壁靶向、蛋白質(zhì)和核酸合成的失活、產(chǎn)酶抑制等。盡管這些抗生素挽救了數(shù)百萬人的生命，但濫用或過度使用抗生素，會使細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性并產(chǎn)生超級細(xì)菌，從而降低治療效果。

抗生素耐藥性已經(jīng)成為一場全球性危機。這種情況如持續(xù)到2050年，將可能導(dǎo)致每年近1000萬人死亡，超過癌癥死亡人數(shù)。因此，開發(fā)新型不產(chǎn)生多藥耐藥性的抗菌材料迫在眉睫。

光動力抗菌

光動力抗菌（antimicrobial photodynamic therapy， APDT）是公認(rèn)的對付細(xì)菌感染的有效武器[1]，這是一種基于光敏劑（photosensitizer， PS）的交互技術(shù)，通過光照射產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species， ROS），從而根除或抑制細(xì)菌生長[2]。

在典型的APDT過程中，基態(tài)的光敏劑（1PS0）吸收紫外或可見光，被激發(fā)到其高能單線態(tài)（1PS*）。然而，激發(fā)態(tài)的電子自旋是不穩(wěn)定的，壽命很短（<1微秒）。1PS*可以通過熒光或者非輻射通道耗散能量，或通過系間竄躍產(chǎn)生壽命較長的三重態(tài)（3PS*）。在3PS*與底物相對接近的情況下，通過Ⅰ型機制（電子轉(zhuǎn)移過程）或Ⅱ型機制（能量傳遞過程）發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)[3]。在Ⅰ型反應(yīng)中，3PS*將一個電子轉(zhuǎn)移到底物上，并引發(fā)高活性的超氧陰離子（O2·-）和羥基自由基（·OH）的產(chǎn)生。所有這些ROS都會對細(xì)菌細(xì)胞膜和其他功能性生物分子如DNA、內(nèi)酶、蛋白質(zhì)和脂肪酸等造成不可修復(fù)的氧化損傷[4]。被激發(fā)的3PS*與三線態(tài)氧分子（3O2）發(fā)生Ⅱ型反應(yīng)，通過能量轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)生高活性的單線態(tài)氧分子（1O2）。產(chǎn)生的1O2通過觸發(fā)光動力作用，使細(xì)胞抗氧化劑失活，促進氧化應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞殺傷作用[5]，從而達(dá)到消滅細(xì)菌病原體的能力。結(jié)果表明，Ⅰ型和Ⅱ型機制在APDT的比例在很大程度上取決于PS的類型和感染部位的微環(huán)境。APDT對多藥耐藥和非耐藥細(xì)菌病原體均產(chǎn)生有效的影響。

聚集誘導(dǎo)發(fā)光（aggregation-induced emission，AIE）光敏劑已被廣泛用于光動力抗癌與光動力抗菌領(lǐng)域[6]。在所有已報道的有機光敏劑中，具有AIE特性的光敏劑越來越受到關(guān)注，這是因為一些AIE特性的光敏劑被證明具有獨特的聚集誘導(dǎo)增強產(chǎn)生ROS的效果。AIE光敏劑已成功應(yīng)用于微生物檢測、鑒別和感染治療。除此之外，通過精確的分子設(shè)計來調(diào)節(jié)π共軛體系和構(gòu)建電子給體-受體部分，可以獲得在可見光范圍內(nèi)具有廣泛顏色可調(diào)性的聚集誘導(dǎo)發(fā)光體（AIEgens），實現(xiàn)白光驅(qū)動的病原微生物殺滅。

基于AIE光敏劑的一體化診療

通過一個簡單的酰胺化反應(yīng)，AIE材料就可以很容易地修飾到噬菌體表面。AIE材料與噬菌體形成的一類新的抗菌生物偶聯(lián)物TVP-PAP分子完美保留了AIE材料和噬菌體的特性，已用于針對特定種類細(xì)菌的靶向、成像和抗菌一體化治療[7]。

得益于獨特的AIE熒光性質(zhì)、高效的1O2產(chǎn)生效率和對特定細(xì)菌的靶向特異性，TVP-PAP已被證實能成功地應(yīng)用于鑒別成像、選擇性和高效性殺滅目標(biāo)細(xì)菌，并且對非靶向細(xì)菌和正常的哺乳細(xì)胞無明顯影響。體外試驗表明，在TVP-PAP的協(xié)同作用下，多藥耐藥銅綠假單胞菌的殺滅率接近100%。此外，體內(nèi)研究證實，TVP-PAP對抗生素敏感菌和多藥耐藥菌感染的傷口有明顯的加速傷口愈合的功效。這些令人矚目的性能驗證了，在協(xié)同細(xì)菌識別和殺滅上，TVP-PAP偶聯(lián)體遠(yuǎn)勝于偶聯(lián)體的單獨組分。通過轉(zhuǎn)變成其他噬菌體，AIE-噬菌體組合策略可以擴展成為一種通用抗菌劑，對治療細(xì)菌感染和間接細(xì)菌感染疾病具有很大的潛力。

傷口敷料

傷口敷料的選擇對傷口愈合至關(guān)重要。具有AIE特性的敷料具有良好的抗菌性能，可有效預(yù)防耐藥細(xì)菌引起的傷口感染，顯著加快傷口愈合速度。

AIE納米纖維敷料

靜電紡絲納米纖維由于高縱橫比、高比表面積和可定制性等特點，在組織工程、給藥系統(tǒng)和創(chuàng)面敷料等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛研究。靜電紡絲技術(shù)是制備超細(xì)聚合物纖維的常用方法，聚合物溶液或熔體在外加靜電高壓的強電場下，形成圓錐形狀（稱為泰勒錐）。當(dāng)電場超過閾值，聚合物液滴克服表面張力，于噴絲頭與接收裝置之間被拉長從而形成射流。同時溶液迅速揮發(fā)，在電場的作用下射流被拉伸至直徑成微米甚至納米級，射流在電場間形成鞭動，最后被收集到固定裝置上形成固態(tài)微粒或納米纖維。

基于手持式靜電紡絲裝置，研究人員研制出具有抗菌性和生物相容性的AIE納米纖維敷料，以消除多藥耐藥細(xì)菌的感染和促進傷口愈合[8]。與預(yù)制納米纖維膜相比，原位靜電紡絲制備AIE納米纖維可以針對不同的傷口，并且在傷口上具有更好的密實度。特別是，由于手持設(shè)備的便攜性和靈活性，靜電紡絲產(chǎn)生的納米纖維敷料均可覆蓋到不規(guī)則的傷口部位，并具有良好的舒適性。基于AIE增強ROS的特性，這種AIE納米纖維敷料對金黃色葡萄球菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌具有高效的抗菌活性，同時保持良好的生物相容性。動物皮膚創(chuàng)面模型研究表明，沉積AIE納米纖維敷料能有效防止多藥耐藥細(xì)菌感染傷口，顯著減少炎癥并加速傷口愈合。此外，這種納米纖維敷料結(jié)合了手持式靜電紡絲的便捷性，極大地方便了戶外應(yīng)用。在緊急情況下，這種納米纖維敷料可以直接沉積在傷口上，在2分鐘內(nèi)完全覆蓋傷口。

AIE抗菌水凝膠

水凝膠因優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)被認(rèn)為是治療慢性傷口的理想敷料。水凝膠都是由天然和/或合成的親水聚合物通過物理或化學(xué)交聯(lián)產(chǎn)生的，具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。聚合物分子間穩(wěn)定的相互作用決定了水凝膠網(wǎng)絡(luò)有很好的保持水分的能力。水凝膠具有較高含水量，不僅可以為干燥結(jié)痂的傷口提供額外的水分，介導(dǎo)傷口的水合作用，還有利于清創(chuàng)。與此同時，水凝膠還可以吸收傷口處過多的滲出液并保持傷口濕潤環(huán)境，具有優(yōu)異的滲出液管理能力。此外，交聯(lián)結(jié)構(gòu)提供了機械穩(wěn)定性和耐久性。

研究人員設(shè)計了由丙苯胺酸衍生物（Fmoc-F）和小檗堿（BBR）形成的AIE雜化水凝膠，并用于光動力抗菌和抗生物膜[9]。通過靜電作用和π-π堆積，BBR自組裝成納米粒子，然后分散在水凝膠基質(zhì)中。得到的Fmoc-F/ BBR雜化水凝膠表現(xiàn)出AIE特性，而且在白光照射下產(chǎn)生1O2，通過光動力機制抑制和殺死細(xì)菌，進而穿透和根除生物膜。水凝膠即使在白光照射下對哺乳動物細(xì)胞也無明顯的細(xì)胞毒性和低溶血行為。體內(nèi)實驗表明，F(xiàn)moc-F/BBR水凝膠對金黃色葡萄球菌感染的傷口具有優(yōu)異的治療效果。這項工作提供了一種廣譜抗菌和抗生物膜的新策略，并有助于推動一種基于氨基酸基水凝膠的抗菌框架和抗生物膜材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

個人防護用品

減少病毒傳播風(fēng)險最有效的手段之一是正確佩戴口罩。然而傳統(tǒng)的個人防護用品（PPE）只是通過物理隔絕來防止病毒接觸或進入人體，并不能對病毒起到殺滅作用。

研究人員設(shè)計和研制了一系列具有抗病毒效果的織物（ATaF）[10]。通過簡單的浸漬和烘干工藝，既可以將具有高效ROS產(chǎn)生效率的AIE光敏劑連接在紡織物上，并且隨后可以制作成各種PPE，包括外科口罩、N95口罩、白大褂和醫(yī)用防護服等。當(dāng)含有SARSCoV-2病毒的飛沫或者氣溶膠接觸到ATaF時，在低功率光照（如室內(nèi)光照）下，即可產(chǎn)生快速殺滅病毒的作用，為穿戴者提供實時保護。同時，ATaF具有優(yōu)良的耐洗性和光穩(wěn)定性?；贏TaF的PPE可以重復(fù)使用100次以上，并且可以持續(xù)使用2周以上。更重要的是，ATaF與皮膚接觸后并沒有表現(xiàn)出毒性。

光動力抗菌療法具有非侵入性、高時空精準(zhǔn)度的特點，具有廣譜抗菌、不易產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)勢，已成為當(dāng)前最有前途的新型細(xì)菌感染治療方式之一。而光敏劑產(chǎn)生ROS的效率是決定APDT治療效果的關(guān)鍵因素。AIE光敏劑由于自身結(jié)構(gòu)特點，可有效減少激發(fā)態(tài)的能量損耗，提升ROS產(chǎn)生效率，同時，分子結(jié)構(gòu)易于設(shè)計開發(fā)，并可實現(xiàn)細(xì)菌的識別、靶向、實時成像等功能，成為該領(lǐng)域的一個研究熱點。

[1]Ren Y， Liu H， Liu X， et al. Photoresponsive materials for antibacterial applications. Cell Reports Physical Science， 2020， 1（11）： 100245.

[2]F Sperandio F， Huang Y Y， R Hamblin M. Antimicrobial photodynamic therapy to kill Gram-negative bacteria. Recent Patents on Anti-infective Drug Discovery， 2013， 8（2）： 108-120.

[3]Castano A P， Demidova T N， Hamblin M R. Mechanisms in photodynamic therapy： part one—photosensitizers， photochemistry and cellular localization. Photodiagnosis and Photodynamic Therapy， 2004， 1（4）： 279-293.

[4]Wainwright M， Maisch T， Nonell S， et al. Photoantimicrobials—are we afraid of the light？. The Lancet Infectious Diseases， 2017， 17（2）： e49-e55.

[5]Gnanasekar S， Kasi G， He X， et al. Recent advances in engineered polymeric materials for efficient photodynamic inactivation of bacterial pathogens. Bioactive Materials， 2023， 21： 157-174.

[6]Mei J， Huang Y， Tian H. Progress and trends in AIE-based bioprobes： a brief overview. ACS Applied Materials & Interfaces， 2017， 10（15）： 12217-12261.

[7]He X， Yang Y， Guo Y， et al. Phage-guided targeting， discriminative imaging， and synergistic killing of bacteria by AIE bioconjugates. Journal of the American Chemical Society， 2020， 142（8）： 3959-3969.

[8]Dong R， Li Y， Chen M， et al. In situ electrospinning of aggregation‐induced emission nanofibrous dressing for wound healing. Small Methods， 2022， 6（5）： 2101247.

[9]Xie Y Y， Zhang Y W， Liu X Z， et al. Aggregation-induced emissionactive amino acid/berberine hydrogels with enhanced photodynamic antibacterial and anti-biofilm activity. Chemical Engineering Journal， 2021， 413： 127542.

[10]Li B， Wang D， Lee M M S， et al. Fabrics attached with highly efficient aggregation-induced emission photosensitizer： Toward self-antiviral personal protective equipment. ACS Nano， 2021， 15（8）： 13857-13870.

關(guān)鍵詞：聚集誘導(dǎo)發(fā)光 AIE光敏劑 APDT 細(xì)菌感染 ■