數(shù)據(jù)顯示,全球每年約70萬(wàn)人次死于超級(jí)細(xì)菌感染,大量地使用了抗生素,因細(xì)菌感染死亡的人數(shù)仍呈遞增狀態(tài)。更重要的是,抗生素濫用導(dǎo)致的細(xì)菌多藥耐藥性愈發(fā)普遍,已變成威脅未來(lái)人類健康的重大棘手問(wèn)題。發(fā)展新型抗生素療法是對(duì)抗超級(jí)耐藥菌的重要策略之一,特別是新的殺菌機(jī)制,已成為開(kāi)發(fā)治療感染新療法的新熱點(diǎn)。聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料(AIEgen)因其背景熒光低、生物相容性好、光穩(wěn)定性好被廣泛用于追蹤生物體和微生物體內(nèi)生理活動(dòng)及變化,在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)和分析中展示了極大的潛力。特別是結(jié)合AIEgen的光動(dòng)力學(xué)活性,聚集誘導(dǎo)發(fā)光生物材料成為頗受關(guān)注的診療一體化材料。那么,是否可以將抗生素 (藥物殺菌)與診療一體AIE材料(熒光顯示和光動(dòng)力治療),合三為一,從而構(gòu)建多種殺菌機(jī)制互補(bǔ)的抗生素藥物,并且可通過(guò)熒光追蹤抗生素與細(xì)菌的作用機(jī)制,闡釋其治療機(jī)理進(jìn)而指導(dǎo)新型療法的研發(fā)呢?
近日,香港科技大學(xué)唐本忠教授團(tuán)隊(duì)與國(guó)家納米科學(xué)中心蔣興宇研究員和鄭文富研究員對(duì)這一可能性進(jìn)行了探討。作者將具有AIE性能的三苯乙烯(TriPE)與抗菌功能的萘酰亞胺三唑(NT)相結(jié)合,成功制備了新型聚集誘導(dǎo)發(fā)光抗菌劑TriPE-NT。研究發(fā)現(xiàn)TriPE-NT具有典型的聚集誘導(dǎo)發(fā)光現(xiàn)象(圖一)。
圖一. TriPE-NT的結(jié)構(gòu)和聚集誘導(dǎo)發(fā)光性能表征
(來(lái)源:Adv. Funct. Mater.)
光動(dòng)力療法(PDT)利用光敏劑(PSs)吸收光并產(chǎn)生單線激發(fā)態(tài)(S1),S1態(tài)的能量可進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到三線激發(fā)態(tài)(T1),將周?chē)娜態(tài)氧敏化,產(chǎn)生單線態(tài)氧或其他活性氧(ROS)。相比于傳統(tǒng)的光敏劑(卟啉等),AIEgen扭曲的分子結(jié)構(gòu)可以避免π-π堆積導(dǎo)致的單線態(tài)氧淬滅,同時(shí)有扭曲分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(TICT)特性的AIEgen已被證明能有效促進(jìn)ROS的產(chǎn)生。作者通過(guò)ROS指示劑檢測(cè)到TriPE-NT在白光照射下可以產(chǎn)生ROS,并且指示劑的熒光強(qiáng)度在120 s增加70倍左右。由于AIEgen本身含有抗菌基團(tuán)(NT),作者隨后檢驗(yàn)TriPE-NT的殺菌效果和光動(dòng)力產(chǎn)生的ROS是否可以疊加而增強(qiáng)殺菌效果。經(jīng)TriPE-NT處理后,大腸桿菌(陰性菌,G-)、MDR大腸桿菌(G-)、肺炎克雷伯菌(G-)、MDR肺炎克雷伯菌(G-)、表皮葡萄球菌(陽(yáng)性菌,G+)、MDR表皮葡萄球菌(G+)、金黃葡萄球菌(G+)和MDR金黃葡萄球菌(G+)在黑暗環(huán)境下存活率分別為約6.8%、14.1%、59.9%、74.4%、0%、0%、8.9%和22.4%;而在光照30分鐘后細(xì)菌的存活率分別約為0%、4%、10%、39%、0%、0%、2%和3%(圖二)。結(jié)果顯示,TriPE-NT本身具有殺菌功能且光照顯著增強(qiáng)了其殺菌能力。
圖二. 光誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生和TriPE-NT抗菌活性
(來(lái)源:Adv. Funct. Mater.)
作者隨后對(duì)TriPE-NT與細(xì)菌的相互作用進(jìn)行研究。FMTM4-64FX(細(xì)菌膜)與TriPE-NT共染,研究發(fā)現(xiàn)在相同的染色時(shí)間內(nèi)大腸桿菌(G-)染色量(粘附在表面或進(jìn)入細(xì)菌內(nèi))明顯比表皮葡萄球菌(G+)少(圖三)。這可能是由于細(xì)菌表面帶負(fù)電荷,TriPE-NT表面帶正電荷,TriPE-NT容易與細(xì)菌相互作用。但由于陰性菌(G-)比陽(yáng)性菌(G+)細(xì)胞壁多一層外膜,所以大腸桿菌(G-)進(jìn)入量比表皮葡萄球菌(G+)少。
圖三. TriPE-NT與細(xì)菌相互作用明場(chǎng)和熒光成像
(來(lái)源:Adv. Funct. Mater.)
為了進(jìn)一步驗(yàn)證猜想,作者先用TriPE-NT處理陽(yáng)性菌(表皮葡萄球菌、MDR表皮葡萄球菌、金黃葡萄球菌和MDR金黃葡萄球菌)和陰性菌(大腸桿菌、MDR大腸桿菌、肺炎克雷伯菌、MDR肺炎克雷伯菌),然后與碘化丙啶(PI,死細(xì)菌染色)共染。結(jié)果顯示在相同時(shí)間內(nèi)TriPE-NT進(jìn)入陽(yáng)性菌(G+)的細(xì)菌數(shù)目比陰性菌(G-)多且較易殺死陽(yáng)性菌(圖四),細(xì)菌殺死數(shù)量與細(xì)菌染色量呈一定的相關(guān)性。
圖四. 細(xì)菌染色和統(tǒng)計(jì)分析
(來(lái)源:Adv. Funct. Mater.)
為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)TriPE-NT的體內(nèi)抗菌活性,作者將TriPE-NT作為抗菌噴劑進(jìn)行大腸桿菌(G-)、MDR大腸桿菌(G-)、表皮葡萄球菌(G+)和MDR表皮葡萄球菌(G+)感染傷口的治療研究。結(jié)果顯示:第三天,經(jīng)TriPE-NT處理的傷口比未經(jīng)處理的傷口愈合快,且第七天區(qū)別更明顯;第七天,未經(jīng)處理的大腸桿菌、MDR大腸桿菌、表皮葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌感染傷口愈合率約為16%、11%、34%和29%,而經(jīng)過(guò)TriPE-NT處理后的傷口愈合率分別約為34%、28%、83%和65%。這表明,TriPE-NT可以治療細(xì)菌感染的傷口,且陽(yáng)性菌感染的傷口比陰性菌感染的傷口愈合快一些。同時(shí)作者對(duì)材料進(jìn)行了體外(CCK-8)和體內(nèi)生物相容性(組織切片,HE染色)評(píng)價(jià),結(jié)果證實(shí)TriPE-NT具有較好的生物相容性。
圖五. TriPE-NT治療細(xì)菌感染傷口
(來(lái)源:Adv. Funct. Mater.)
該工作開(kāi)發(fā)了一種新型具有多功能的聚集誘導(dǎo)發(fā)光 (AIEgen)抗菌劑,三苯乙烯-萘酰亞胺三唑(TriPE-NT),用于監(jiān)測(cè)藥物-細(xì)菌相互作用,并聯(lián)合光動(dòng)力療法(PDT)殺滅細(xì)菌和增強(qiáng)抗菌能力(白光,ROS產(chǎn)生),能高效治療細(xì)菌感染的傷口。該藥物多功能設(shè)計(jì)在臨床實(shí)踐中具有綜合診療的潛力,且基于熒光的影像分析對(duì)藥物作用機(jī)理的闡述提供了有效手段。這些結(jié)果為接下來(lái)的抗多藥耐藥菌的研究提供了新思路。
這一成果近期發(fā)表在Adv. Funct. Mater.(DOI: 10.1002/adfm.201804632)上。該論文作者:Ying Li,# ZhengZhao,#(共同一作)Jiangjiang Zhang, Ryan T. K. Kwok, Sheng Xie, Rongbing Tang,Yuexiao Jia, Junchuan Yang, Le Wang, Jacky W. Y. Lam, Wenfu Zheng,* XingyuJiang,* Ben Zhong Tang*。
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