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  光動力治療（PDT）是通過光敏劑被特定波長激發(fā)后，與分子氧發(fā)生反應(yīng)，在目標(biāo)組織中產(chǎn)生活性氧（ROS）引起細(xì)胞死亡的治療方法。PDT作為一種高性價(jià)比的微創(chuàng)治療，已經(jīng)在多種疾病的治療上引起了相當(dāng)多的關(guān)注。然而，傳統(tǒng)PDT通常產(chǎn)生半衰期較短的ROS（如單線態(tài)氧、羥基自由基和超氧陰離子），衰減和降解較快導(dǎo)致它們在體內(nèi)擴(kuò)散路徑很短。此外，患者在接受治療時(shí)需要實(shí)時(shí)的光照，容易引起患者的不適甚至潛在的光毒性，同樣限制了PDT的臨床應(yīng)用。

  基于此，北京化工大學(xué)徐福建教授、王振剛教授和俞丙然教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合核黃素分子的光催化特性和鳥嘌呤核苷的自組裝能力，開發(fā)了一種新的無需實(shí)時(shí)光照的凝膠狀抗菌超分子材料（如圖1）。材料經(jīng)過輻照之后能夠產(chǎn)生具有抗菌活性且壽命較長的H₂O₂，停止光照后轉(zhuǎn)移到傷口處進(jìn)行抗菌治療。

圖1 核黃素負(fù)載超分子水凝膠的形成并用于輻照后抗菌治療的原理圖

  黃素衍生物在波長為460 nm的藍(lán)光輻照下，能夠被激發(fā)至單重態(tài)并迅速通過系間竄越轉(zhuǎn)換成具有高氧化電勢的三重態(tài)。存在還原性底物時(shí)，三重態(tài)黃素被還原至還原態(tài)，隨后被氧氣氧化回到靜息態(tài)完成催化循環(huán)，此過程中伴隨著H₂O₂的釋放。H₂O₂的產(chǎn)量與光照時(shí)間、底物種類和光敏劑種類有關(guān)。鳥嘌呤核苷在四種核苷中氧化電勢最低，因此在核黃素的光催化氧化過程中釋放出最多的H₂O₂。同時(shí)在質(zhì)譜中檢測到了鳥嘌呤核苷的氧化產(chǎn)物，證實(shí)鳥嘌呤核苷在輻照過程中經(jīng)歷了廣泛報(bào)道的單電子氧化過程。

圖2 核黃素光催化氧化過程的探究

  鳥嘌呤核苷在K⁺存在的條件下，通過氫鍵形成G四分體（G4）并進(jìn)一步堆疊成G4纖維。隨后在4-甲�；脚鹚幔�4-FPBA）和1,8-辛二胺（1,8-DAO）的交聯(lián)作用下，形成凝膠狀的固相材料——G4水凝膠。缺少任一組分，G4水凝膠均不能成功固化。核黃素通過共價(jià)偶聯(lián)和芳香堆積兩種方式被負(fù)載于水凝膠材料中。鳥嘌呤核苷不僅是G4水凝膠的構(gòu)建基元，同時(shí)作為核黃素光催化循環(huán)中的還原性底物。當(dāng)藍(lán)光輻照負(fù)載核黃素的G4水凝膠時(shí)，核黃素將附近的鳥嘌呤核苷氧化，并生成H₂O₂。G4水凝膠的結(jié)構(gòu)在輻照后并未收到影響，原因是參與催化循環(huán)的鳥嘌呤核苷僅是少量靠近核黃素的部分。此外，G4水凝膠具有良好的儲存穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

圖3 G4水凝膠和負(fù)載核黃素的G4水凝膠及其結(jié)構(gòu)表征

  負(fù)載核黃素的G4水凝膠在藍(lán)光輻照后對金黃色葡萄球菌 (革蘭氏陽性菌)、大腸桿菌 (革蘭氏陰性菌) 和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌 (MRSA) 均有殺滅作用，滅菌率超過99.999%。負(fù)載核黃素的G4水凝膠的殺菌作用可能與產(chǎn)生的H₂O₂有關(guān)。為了進(jìn)一步確認(rèn)H₂O₂的作用，將過氧化氫酶與輻照后的核黃素負(fù)載水凝膠孵育30min，然后與細(xì)菌共培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水凝膠的抑菌活性被完全抑制，證實(shí)材料的殺菌作用源于光催化產(chǎn)生的H₂O₂。此外，細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)表明產(chǎn)生的H₂O₂對于L929細(xì)胞沒有明顯的細(xì)胞毒性，驗(yàn)證了G4水凝膠的生物安全性。

圖4 G4水凝膠輻照后體外抑菌作用的研究

  為了進(jìn)一步評價(jià)負(fù)載核黃素的G4水凝膠在藍(lán)光輻照后的治療效果，建立了MRSA感染大鼠傷口模型，將輻照后的水凝膠加入創(chuàng)面，測定其體內(nèi)抑菌活性。結(jié)果表明48小時(shí)后，輻照組創(chuàng)面組織勻漿稀釋液菌落數(shù)量低于其他組，說明輻照組產(chǎn)生了H₂O₂，具有較高的殺滅創(chuàng)面細(xì)菌能力。有趣的是，非輻照組也表現(xiàn)出輕微的殺菌活性，這與體外抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。創(chuàng)面組織革蘭氏染色切片顯示，輻照組創(chuàng)面組織細(xì)菌數(shù)量與空白組相似，同樣證實(shí)輻照后水凝膠可以有效殺滅細(xì)菌。為了進(jìn)一步評價(jià)治療效果。隨后檢測創(chuàng)面組織勻漿中腫瘤壞死因子-α (TNF-α)、白細(xì)胞介素-1β (IL-1β)、白細(xì)胞介素-6 (IL-6) 等典型炎癥因子，輻照組中這些炎癥因子水平降低，在蘇木精-伊紅 (H&E) 染色切片上同樣發(fā)現(xiàn)輻照組的炎癥細(xì)胞與空白組的炎癥細(xì)胞幾乎相同，證實(shí)了輻照后負(fù)載核黃素的G4水凝膠良好的治療效果。

圖5 G4水凝膠輻照后體內(nèi)抑菌作用的研究

  該工作制備了新型的負(fù)載核黃素的G4超分子水凝膠材料，并提出了對傷口感染的輻照后抗菌治療的概念。G4水凝膠作為傷口敷料，依靠負(fù)載其中的核黃素光催化性能在光照下產(chǎn)生H₂O₂，在停止光照后轉(zhuǎn)移至傷口處進(jìn)行抗菌治療。輻照后的材料依然展現(xiàn)出良好的抗菌能力，對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌還是耐藥細(xì)菌都有不錯的殺菌效果。因此該材料解除了患者必須處于照明源下實(shí)時(shí)光照的限制，克服了傳統(tǒng)PDT可能存在的光毒性的缺點(diǎn)，為擴(kuò)大PDT治療的應(yīng)用提供了新的見解。

  該研究以“A H₂O₂-Supplied Supramolecular Material for Post-irradiated Infected Wound Treatment”為題發(fā)表于Advanced Science，北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生杜沛東和碩士生沈彥哲為論文共同第一作者，徐福建教授、王振剛教授和俞丙然教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202206851