光動力滅活（PDI）療法如何控制細菌感染？

       新冠，猴痘，還有其它各色細菌感染，對人類產生了巨大威脅，僅僅從細菌感染的角度來說，光動力滅活（PDI）療法是控制細菌感染的一種有效途徑。

       光動力療法(PDT)是利用光和光敏劑產生的光動力效應進行疾病診斷和治療的一種新技術，該療法可以誘導細胞和微生物失活，將PDT用于滅活微生物、抗微生物化學治療被稱為光動力抗菌化學療法(PACT)，針對的病原菌包括金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、鮑曼不動桿菌、大腸桿菌、牙齦卟啉單胞菌及多重耐藥菌等。

       在眾多光敏劑介導的光動力抗菌研究中，人工合成單一成分的光敏劑所占比例最高，根據結構類型可分為卟啉類光敏劑、酞菁類光敏劑、卟吩類光敏劑等。天然產物光敏劑來源于植物，具有生物相容性好、來源廣泛、化學結構新穎等優勢。高分子光敏劑通常具有水溶性好和生物相容性好的優勢，克服了天然產物在生理pH水平下迅速分解的缺陷。靶向光敏劑具有作用部位選擇性高的優勢，將光敏劑制成脂質體等靶向制劑介導光動力療法具有殺菌作用。化學發光激發的靶向光動力作用能夠解決傳統激光光動力穿透力弱的問題，并有效殺滅病原菌。

       光動力可與其他抗菌方法聯用以彌補各自的不足，達到協同殺菌的目的。維生素E類似物Trolox能提高近紅外激光照射下吲哚花青綠介導的光動力殺菌作用；脫乙酰殼聚糖可以增強血卟啉或亞甲藍介導的光動力療法對金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌等多種菌種的殺滅作用，具有光動力殺菌增效作用，其作用強度與光動力對細菌的損傷程度和脫乙酰殼聚糖的脫乙酰水平有關。

       近期，東華大學的易濤教授、張燈青副教授課題組發展了基于鉑(II)基大環自組裝體系、具有連續能量轉移過程的光捕獲體系，并成功用于抗菌治療（圖1）。 

       圖1. 光捕獲體系的構筑及抗菌應用示意圖

       利用配位鍵導向自組裝方法將具有聚集誘導發光（AIE）特性的四苯乙烯基團引入到鉑(II)大環化合物PtTPEM中，PtTPEM在水/DMSO (99:1, v/v) 溶液中自組裝形成納米球狀聚集體，顯示了良好的AIE特性，可以作為光捕獲體系的理想能量供體。由于PtTPEM的發射光譜和SR101的吸收光譜有較好的重疊，當加入能量受體SR101后，SR101能夠進入PtTPEM組裝體的內部，構筑了一步能量轉移光捕獲體系PtTPEM-SR101。在410 nm激光的照射下，PtTPEM在550 nm處的發射峰逐漸減弱，而608 nm處歸屬于SR101的發射峰逐漸增強，在能量給體-受體摩爾比為20:1時，能量轉移效率達到76.9%，天線效應為41.11，熒光量子產率為55.55%。

       繼續加入第二個能量受體Ce6后，歸屬于PtTPEM-SR101組裝體的608 nm處的發射峰逐漸減弱，而歸屬于Ce6的670 nm處的發射峰逐漸增強，熒光顏色由橙黃變為橙紅色。在PtTPEM-SR101-Ce6 (20:1:2) 體系中，熒光量子產率、第二步能量轉移效率和天線效應分別達到37.64%、91.30%和44.13。熒光壽命由 τ1 = 4.60 ns，τ2 = 23.5 ns (PtTPEM-SR101組裝體) 減少到 τ1 = 1.93 ns，τ2 = 4.29 ns (PtTPEM-SR101-Ce6組裝體)。實驗結果表明成功實現了從PtTPEM組裝體到SR101再到Ce6的兩步連續能量轉移（圖2）。

       圖2. （a）向PtTPEM中加入不同量的SR101的發射光譜變化圖。（b）向PtTPEM-SR101體系中加入不同量的Ce6的發射光譜變化圖。（c）PtTPEM與PtTPEM-SR101（20:1）的熒光壽命衰變曲線。（d）PtTPEM-SR101與PtTPEM-SR101-Ce6（20:1:2）的熒光壽命衰變曲線。

       為了更好地開發光捕獲體系的應用范圍，PtTPEM-SR101-Ce6體系被用于光動力抗菌治療。在白光照射下，金黃色葡萄球菌的存活率在大環濃度為2 μM時從約74%降至幾乎為零（圖3）；大環濃度為5 μM時大腸桿菌的存活率從約14%降至約5%。結果表明，PtTPEM1?SR101?Ce6體系在鉑（II）金屬環處于較低濃度下可表現出更高的抗菌活性，因此將金屬環與PDI結合可以顯著降低細菌的耐藥性風險。與Ce6、PtTPEM和一步能量轉移的光捕獲體系PtTPEM-SR101相比，具有兩步連續能量轉移的光捕獲體系PtTPEM1?SR101?Ce6表現出更高的抗菌活性，因此這種以近紅外光敏劑Ce6為最終能量受體的人工光捕獲體系在抗菌應用中展現出廣闊的應用前景。

       圖3. （a）分別用PtTPEM、PtTPEM?SR101（20:1）、PtTPEM?SR101?Ce6（20:1:2）和Ce6處理的金黃葡萄球菌，在光照條件或黑暗條件下的瓊脂平板上的照片（c = 10 μM）；在黑暗（b）和光照射（c）下，對PtTPEM、PtTPEM?SR101（20:1），PtTPEM?SR101?Ce6（20:1:2）和Ce6濃度的大腸桿菌活性。

       文獻參考：

       Near?Infrared Emissive Cascaded Artificial Light?Harvesting System with Enhanced Antibacterial Efficiency

       Maowen Chen, Zhenni Lu, Man Li, Bei Jiang, Senkun Liu, Yinuo Li, Bangrui Zhang, Xianying Li, Tao Yi, Dengqing Zhang

       Adv. Healthc. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adhm.202300377