抗菌新武器：聚集誘導發光在細菌感染防治領域的應用

陳偉才 劉勇 王志明

細菌性感染疾病日益增多，已成為全球范圍內嚴重威脅人類生命的健康問題。自1930年代以來，有很多預防性抗生素藥物被發現和證實具有抑制或殺死有害細菌的作用。每種抗生素都有其作用機制，包括細胞壁靶向、蛋白質和核酸合成的失活、產酶抑制等。盡管這些抗生素挽救了數百萬人的生命，但濫用或過度使用抗生素，會使細菌產生耐藥性并產生超級細菌，從而降低治療效果。

抗生素耐藥性已經成為一場全球性危機。這種情況如持續到2050年，將可能導致每年近1000萬人死亡，超過癌癥死亡人數。因此，開發新型不產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）是公認的對付細菌感染的有效武器[1]，這是一種基于光敏劑（photosensitizer， PS）的交互技術，通過光照射產生活性氧（reactive oxygen species， ROS），從而根除或抑制細菌生長[2]。

在典型的APDT過程中，基態的光敏劑（1PS0）吸收紫外或可見光，被激發到其高能單線態（1PS*）。然而，激發態的電子自旋是不穩定的，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，或通過系間竄躍產生壽命較長的三重態（3PS*）。在3PS*與底物相對接近的情況下，通過Ⅰ型機制（電子轉移過程）或Ⅱ型機制（能量傳遞過程）發生光化學反應[3]。在Ⅰ型反應中，3PS*將一個電子轉移到底物上，并引發高活性的超氧陰離子（O2·-）和羥基自由基（·OH）的產生。所有這些ROS都會對細菌細胞膜和其他功能性生物分子如DNA、內酶、蛋白質和脂肪酸等造成不可修復的氧化損傷[4]。被激發的3PS*與三線態氧分子（3O2）發生Ⅱ型反應，通過能量轉移過程產生高活性的單線態氧分子（1O2）。產生的1O2通過觸發光動力作用，使細胞抗氧化劑失活，促進氧化應激介導的細胞殺傷作用[5]，從而達到消滅細菌病原體的能力。結果表明，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境。APDT對多藥耐藥和非耐藥細菌病原體均產生有效的影響。

聚集誘導發光（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增強產生ROS的效果。AIE光敏劑已成功應用于微生物檢測、鑒別和感染治療。除此之外，通過精確的分子設計來調節π共軛體系和構建電子給體-受體部分，可以獲得在可見光范圍內具有廣泛顏色可調性的聚集誘導發光體（AIEgens），實現白光驅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，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、高效的1O2產生效率和對特定細菌的靶向特異性，TVP-PAP已被證實能成功地應用于鑒別成像、選擇性和高效性殺滅目標細菌，并且對非靶向細菌和正常的哺乳細胞無明顯影響。體外試驗表明，在TVP-PAP的協同作用下，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，在協同細菌識別和殺滅上，TVP-PAP偶聯體遠勝于偶聯體的單獨組分。通過轉變成其他噬菌體，AIE-噬菌體組合策略可以擴展成為一種通用抗菌劑，對治療細菌感染和間接細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重要。具有AIE特性的敷料具有良好的抗菌性能，可有效預防耐藥細菌引起的傷口感染，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、給藥系統和創面敷料等生物醫學應用領域得到廣泛研究。靜電紡絲技術是制備超細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，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微?；蚣{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，以消除多藥耐藥細菌的感染和促進傷口愈合[8]。與預制納米纖維膜相比，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，由于手持設備的便攜性和靈活性，靜電紡絲產生的納米纖維敷料均可覆蓋到不規則的傷口部位，并具有良好的舒適性?；贏IE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合了手持式靜電紡絲的便捷性，極大地方便了戶外應用。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分鐘內完全覆蓋傷口。

AIE抗菌水凝膠

水凝膠因優異的物理和化學性質被認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交聯產生的，具有三維網狀結構。聚合物分子間穩定的相互作用決定了水凝膠網絡有很好的保持水分的能力。水凝膠具有較高含水量，不僅可以為干燥結痂的傷口提供額外的水分，介導傷口的水合作用，還有利于清創。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境，具有優異的滲出液管理能力。此外，交聯結構提供了機械穩定性和耐久性。

研究人員設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中。得到的Fmoc-F/ BBR雜化水凝膠表現出AIE特性，而且在白光照射下產生1O2，通過光動力機制抑制和殺死細菌，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胞也無明顯的細胞毒性和低溶血行為。體內實驗表明，Fmoc-F/BBR水凝膠對金黃色葡萄球菌感染的傷口具有優異的治療效果。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學領域的應用。

個人防護用品

減少病毒傳播風險最有效的手段之一是正確佩戴口罩。然而傳統的個人防護用品（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、白大褂和醫用防護服等。當含有SARSCoV-2病毒的飛沫或者氣溶膠接觸到ATaF時，在低功率光照（如室內光照）下，即可產生快速殺滅病毒的作用，為穿戴者提供實時保護。同時，ATaF具有優良的耐洗性和光穩定性?；贏TaF的PPE可以重復使用100次以上，并且可以持續使用2周以上。更重要的是，ATaF與皮膚接觸后并沒有表現出毒性。

光動力抗菌療法具有非侵入性、高時空精準度的特點，具有廣譜抗菌、不易產生耐藥性等優勢，已成為當前最有前途的新型細菌感染治療方式之一。而光敏劑產生ROS的效率是決定APDT治療效果的關鍵因素。AIE光敏劑由于自身結構特點，可有效減少激發態的能量損耗，提升ROS產生效率，同時，分子結構易于設計開發，并可實現細菌的識別、靶向、實時成像等功能，成為該領域的一個研究熱點。

[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.

關鍵詞：聚集誘導發光 AIE光敏劑 APDT 細菌感染 ■