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  與細(xì)菌相比，真菌具有由糖蛋白和多糖聚合物組成的剛性細(xì)胞壁，這對(duì)藥物滲透造成了強(qiáng)大的屏障。因此，真菌感染更難治愈，更容易產(chǎn)生耐藥性。早期檢測(cè)和干預(yù)是十分必要的。然而，體外臨床診斷方法既繁瑣又耗時(shí)，使得患者們對(duì)真菌感染的重視度較低。為了解決這一問(wèn)題，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一系列基于電化學(xué)傳感器的智能傷口監(jiān)測(cè)設(shè)備，幫助患者居家監(jiān)測(cè)傷口的生理數(shù)據(jù)，如pH，溫度，壓力等通過(guò)柔性電極連續(xù)采集。然而，柔性電極的引入不僅提高了傷口敷料的成本還可能引發(fā)二次感染。薄膜熒光傳感器作為一種低成本的非接觸式傳感器，可通過(guò)熒光分子與檢測(cè)受體接觸后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，表現(xiàn)出熒光強(qiáng)度和光色的變化，從而實(shí)現(xiàn)可視化傳感。通常，傳統(tǒng)的熒光分子通常是聚集誘導(dǎo)猝滅（ACQ）分子，使其難以在薄膜狀態(tài)下發(fā)揮理想的效果。聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料（AIEgens）是一種具有聚集發(fā)光增強(qiáng)、光穩(wěn)定性好，活性氧（ROS）產(chǎn)生能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于熒光傳感器、微生物檢測(cè)、光熱和光動(dòng)力治療等。目前基于熒光傳感的智能傷口敷料鮮有報(bào)道，且均針對(duì)于細(xì)菌感染，迄今為止在真菌感染監(jiān)測(cè)和治療方面仍處于空白。

圖1. 基于AIEgen的真菌感染傷口監(jiān)測(cè)和按需光動(dòng)力治療智能系統(tǒng)的工作原理圖

  近日，香港中文大學(xué)（深圳）唐本忠院士，趙征教授團(tuán)隊(duì)充分利用AIE材料的光學(xué)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法，解決了當(dāng)前智能傷口敷料（真菌監(jiān)測(cè)和治療）開(kāi)發(fā)中的盲點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種基于AIEgen的智能傷口敷料系統(tǒng)，用于真菌感染的傷口監(jiān)測(cè)和按需光動(dòng)力治療。該智能系統(tǒng)包括含有AIE分子TBSMPPy的傷口敷料和一個(gè)安裝在智能手機(jī)上的圖像識(shí)別系統(tǒng)，避免了引入檢測(cè)電極和電源系統(tǒng)，大大降低了智能敷料的成本。此外，商業(yè)液體敷料（LD）用作開(kāi)發(fā)TBSMPPy LD的基質(zhì)。所制備的TBSMPPy LD具有良好的粘附性、柔韌性和成膜性能。它作為熒光傳感器和光敏劑，檢測(cè)白色念珠菌（通常感染皮膚和粘膜組織）的生長(zhǎng)環(huán)境（pH約5.5）并進(jìn)行光動(dòng)力治療。智能手機(jī)上配備了紫外和白光光源，作為激發(fā)源，實(shí)現(xiàn)對(duì)傷口敷料熒光變化的檢測(cè)。手機(jī)拍照片，上傳到云軟件，對(duì)感染程度進(jìn)行數(shù)字化，并進(jìn)一步反饋給手機(jī)。患者可以根據(jù)分析結(jié)果和應(yīng)用程序的建議評(píng)估傷口感染的程度，并切換白光進(jìn)行光動(dòng)力治療（圖1）。該智能系統(tǒng)還可以讓醫(yī)生監(jiān)測(cè)患者的傷口，并根據(jù)軟件分析結(jié)果給出治療方案，大大提高了醫(yī)療效率和治療效果。該工作以“AIEgen-based smart system for fungal-infected wound monitoring and on-demand photodynamic therapy”為題發(fā)表在《Matter》上（Matter, 2023, doi: 10.1016/j.matt.2023.06.028）。文章第一作者是香港中文大學(xué)（深圳）博士后周琨博士。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。

圖2. AIE分子TBSMPPy的光學(xué)性質(zhì)表征及pH響應(yīng)性測(cè)試

  將制備的TBSMPPy LD暴露于不同的pH環(huán)境中，并記錄PL變化。如圖2所示，TBSMPPy LD在宏觀上表現(xiàn)出熒光猝滅，薄膜的灰度值呈下降趨勢(shì)（圖2D和2E）。PL強(qiáng)度也顯示出類(lèi)似的結(jié)果，在TBSMPPy LD位于pH 5.5緩沖溶液中后，PL強(qiáng)度明顯降低（圖2F）。TBSMPPy-LD的PL變化主要?dú)w因于TBSMPPy的結(jié)構(gòu)中的吡啶基團(tuán)在pH 5.5緩沖溶液中被質(zhì)子化，這增強(qiáng)了吡啶部分的吸電子能力并增強(qiáng)了TICT效應(yīng)。

  此外，隨著測(cè)試環(huán)境變?yōu)樗嵝裕琓BSMPPy LD的ROS生成逐漸增加，并在pH=5.5時(shí)達(dá)到穩(wěn)定水平（圖2G）。此外，圖2H表明，聚集有利于ROS的產(chǎn)生。所有上述數(shù)據(jù)表明，TBSMPPy LD在ROS產(chǎn)生方面具有良好的性能，特別是在酸性環(huán)境中，這使得TBSMPPy LD能夠應(yīng)用于真菌感染的監(jiān)測(cè)和治療。

圖3. TBSMPPy的體外光動(dòng)力抗真菌性能及生物相容性測(cè)試

  在驗(yàn)證了TBSMPPy LD的產(chǎn)生ROS的能力后，在低功率白光照射下進(jìn)一步評(píng)估了TBSMPPy的抗真菌活性。如圖3A所示，TBSMPPy在白色光照射下對(duì)白色念珠球菌殺滅率為97%，而未照射的TBSMPPy組的殺滅率可忽略不計(jì)（10.3%）。為了進(jìn)一步確保TBSMPPy的高效抗真菌活性，他們使用市售抗真菌劑Diflucan作為陽(yáng)性對(duì)照組來(lái)比較抗真菌活性。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（圖3B）顯示，經(jīng)照射的TBSMPPy組的殺傷率與Diflucan治療組相當(dāng)，甚至優(yōu)于Diflucan組近10%（Diflucan處理組為88%）。

圖4. 基于AIEgen的智能系統(tǒng)的操作程序，用于真菌感染的治療。

圖5. 基于AIEgen的智能系統(tǒng)的抗真菌治療效果圖

  在體外證明TBSMPPy LD對(duì)白色念珠球菌有很好的響應(yīng)性和殺傷作用后，他們建立了小鼠的傷口感染模型，在小鼠模型上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，如圖4所示，用TBSMPPy LD涂覆傷口區(qū)域后，用手機(jī)相機(jī)在紫外燈下拍攝傷口照片。照片被上傳到APP進(jìn)行分析。幾秒鐘后，結(jié)果被發(fā)回。如果被感染，敷料會(huì)發(fā)出微弱的橙色光，手機(jī)界面會(huì)呈現(xiàn)紅色。此外，給出了傷口區(qū)域的歸一化灰度值，顯示感染警告和建議照射提醒。如果沒(méi)有感染，傷口敷料會(huì)發(fā)出明亮的熒光，手機(jī)會(huì)發(fā)出綠色背景和健康報(bào)告。在接收到感染提醒后，可開(kāi)啟白光光源進(jìn)行光動(dòng)力治療。在1分鐘低功率白光照射下，能有效抑制真菌感染，感染的組織在一周內(nèi)恢復(fù)，優(yōu)于商業(yè)抗真菌藥物Diffican。（圖5）

  在此工作中，作者創(chuàng)造性的首次將AIE材料與人工智能結(jié)合，開(kāi)發(fā)了一種基于AIEgen的智能系統(tǒng)，用于特定種類(lèi)的真菌感染的早期監(jiān)測(cè)和治療。結(jié)合深度機(jī)器學(xué)習(xí)方法，使得AIEgen智能化，構(gòu)建了一個(gè)基于AIEgen的智能系統(tǒng)，在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)了真菌感染的幾秒鐘診斷。此外，得益于AIE材料獨(dú)特的熒光特性、靈敏的pH響應(yīng)和ROS產(chǎn)生能力，通過(guò)手機(jī)光源照射，TBSMPPy被成功用于真菌感染治療且其有效的真菌抑制率超過(guò)96%。這一設(shè)計(jì)已在小鼠模型中得到證實(shí)，體內(nèi)研究結(jié)果表明，在1分鐘低功率白光照射下，能有效抑制真菌感染，感染的組織在一周內(nèi)恢復(fù)，優(yōu)于商業(yè)抗真菌藥物Diffican。此外，該智能系統(tǒng)可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)患者和醫(yī)生之間的溝通，以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的臨床醫(yī)療場(chǎng)景，顯著提高醫(yī)療效率。這一發(fā)現(xiàn)將激勵(lì)和推動(dòng)AIE材料在智能健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展。

  原文鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00316-8