近日，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士、胡文博教授課題組在抗菌光敏化機(jī)制研究方面取得了突破性進(jìn)展。研究成果以“Zwitterionic Photosensitizer-Assembled Nanocluster Produces Efficient Photogenerated Radicals via Autoionization for Superior Antibacterial Photodynamic Therapy”為題，發(fā)表在高水平學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上。
抗生素的濫用已引發(fā)多重耐藥菌株的全球性蔓延，嚴(yán)重威脅公共衛(wèi)生安全。與傳統(tǒng)抗生素治療相比，抗菌光動力治療（aPDT）作為一種非抗生素依賴的新型治療策略，具有廣譜抗菌性且不易引發(fā)耐藥性等優(yōu)勢，引起了廣泛關(guān)注。在光動力治療中，光敏劑發(fā)揮著關(guān)鍵核心作用，其通過光敏化過程將能量或電子轉(zhuǎn)移至周圍底物，誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧物種（ROS），實現(xiàn)病原菌的高效滅殺。根據(jù)活性氧生成途徑的不同，光敏劑可分為I型和II型。目前，臨床應(yīng)用主要集中于II型光敏劑，其通過能量轉(zhuǎn)移機(jī)制與氧氣反應(yīng)，生成具有強氧化性的單線態(tài)氧（1O?）；而I型光敏劑則通過電子轉(zhuǎn)移與周圍生物分子或氧等底物反應(yīng)，產(chǎn)生羥基自由基（?OH）、超氧陰離子（O???）等具有更強氧化性的活性氧物種。I型光敏劑對氧氣濃度的依賴性明顯低于II型光敏劑，這使得I型光敏劑在局部缺氧的病理環(huán)境（如細(xì)菌感染區(qū)域）中展現(xiàn)出更優(yōu)的治療效果和應(yīng)用潛力。然而，現(xiàn)有I型光敏劑體系通常較為復(fù)雜，且光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移效率較低，需引入額外電子供體或受體以提升該過程的效率，這顯著增加了其臨床轉(zhuǎn)化的難度與挑戰(zhàn)。
圖1 自組裝的光敏劑納米團(tuán)簇及其抗菌光敏化機(jī)制示意圖
針對上述問題，本論文研制了一種雙離子型小分子光敏劑C3TH，能夠自組裝形成光敏劑納米團(tuán)簇，該團(tuán)簇通過自電離機(jī)制顯著提升光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移效率，產(chǎn)生大量活性氧，實現(xiàn)高效抗菌光動力治療（圖1）。實驗和理論計算表明，C3TH在生理環(huán)境下通過分子間非共價作用（靜電吸引與范德華力結(jié)合）自組裝，形成十字交叉構(gòu)型堆積的納米團(tuán)簇（圖2）。這種納米團(tuán)簇通過協(xié)同機(jī)制顯著提升光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移效率：i）縮短分子間距（d <4 ?），促進(jìn)分子間光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移；ii）抑制分子間電子-振動耦合，減少非輻射能量耗散（如熱耗散），使光子能量更傾向于通過自電離路徑釋放。在自電離機(jī)制下，C3TH納米團(tuán)簇生成了具有高氧化還原性的光敏劑陽離子和陰離子自由基，隨后這些自由基與水和氧氣發(fā)生級聯(lián)光氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生大量的?OH和O???（圖3）。基于上述性質(zhì)，即使在8 μg mL-1的超低劑量下，C3TH納米團(tuán)簇對革蘭氏陽性細(xì)菌的抗菌率仍可達(dá)到97.6%，其抗菌效果相當(dāng)于同劑量抗生素萬古霉素的8.8倍。
圖2 自組裝光敏劑團(tuán)簇分子動力學(xué)模擬及光物理性質(zhì)表征
圖3 光敏劑團(tuán)簇的自電離表征及光敏化機(jī)制
本論文提出并證明了一種全新的分子間電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)同一光敏劑分子兼具電子供體與受體功能，通過分子間自電離作用實現(xiàn)了自給自足的電子循環(huán)，擺脫了對外源性電子供/受體的依賴。這一機(jī)制實現(xiàn)了從“電子供/受體依賴”到“分子自主”模式的轉(zhuǎn)變，為光敏劑設(shè)計提供了全新的理論框架與指導(dǎo)思路。同時，本論文中通過飛秒超快光譜與光譜電化學(xué)技術(shù)的聯(lián)用，深入揭示了電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，為相關(guān)領(lǐng)域的實驗研究與理論解析提供了重要參考。
柔性電子研究院碩士研究生何平、博士研究生賈明軒和楊琳芳為本文共同第一作者，通訊作者為西北工業(yè)大學(xué)胡文博教授。這一工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金等項目的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202418978
Zwitterionic Photosensitizer-Assembled Nanocluster Produces Efficient Photogenerated Radicals via Autoionization for Superior Antibacterial Photodynamic Therapy
Ping He, Mingxuan Jia, Linfang Yang, Haolin Zhang, Ruizhe Chen, Weiyun Yao, Yonghui Pan, Quli Fan, Wenbo Hu, Wei Huang
（文字：何平；審核：王學(xué)文）
