Small methods:分子电荷在AIE光敏剂的抗菌效率中所起的重要作用

人类与细菌作斗争已有数百年历史。抗生素在首次发明时非常有效。但是,在长期滥用抗生素之后,一些细菌对抗生素产生了耐药性。而如今细菌耐药性已成为对我们健康的最大威胁之一。世界卫生组织警告说,我们将在不久的将来进入后抗生素时代,在该时代,常见的感染和轻伤可能会导致大量的发病和死亡。没有抗菌药物可以使用是一件令人恐怖的事情。因此,人们已经做出了许多努力来开发替代的抗菌药物。

光动力疗法(PDT)作为一种独特的抗菌方法,由于其具有无创性,高度的时空可控性,低毒性,不容易产生耐药性,以及其固有荧光能提供实时监测等优势而已经在诊疗一体化中得到了广泛应用。但是开发同时具有高亮荧光和高效产生活性氧能力的光敏剂并非易事。传统的光敏剂,如卟啉,BODIPY等,具有巨大的π平面疏水结构,其在水性介质中发生聚集引起的猝灭作用导致其显示出折中的性能,即活性氧的产生效率被降低,生物成像中的信噪比也被降低。相比之下,具有聚集诱导发光性质(AIE)的光敏剂在发生聚集之后,由于分子内运动受限以及系间交叉的增加,其荧光和活性氧的生成效率都得到增强。因此,AIE光敏剂在PDT抗菌中展现出独特的优势和广阔的应用前景。

另外,静电相互作用通常被认为是引起细菌初始靶向的原因。但是很少有人考虑AIE光敏剂的分子电荷对抗菌效率的影响。许多报道的AIE光敏剂表现出对革兰氏阳性菌(G(+))有效的光毒性,但并非针对革兰氏阴性菌(G(-))。实际上,由于G(-)细菌具有保护性的外膜,大量的外排泵和高选择性的孔蛋白,它们对许多抗生素和其他分子具有抗性。因此,与抗G(+)细菌感染的材料相比,用于治疗G(-)细菌感染的抗菌材料非常有限。

香港科技大学唐本忠院士、郭子健研究助理教授以及其研究团队与深圳大学的李莹副研究员合作设计了两种具有相同发光基团而携带不同数量正电荷的AIE光敏剂,并对其抗菌性能进行了对比研究(见上图)。这些AIE光敏剂发射红光,具有高效的单线态氧产生能力,可以清晰地成像细菌,并能在使用超低剂量白光照射时快速选择性杀死与哺乳动物细胞混合的细菌。研究发现随着AIE光敏剂正电荷的增加,其对G(-)细菌的抗菌效率大大提高,但对G(+)抗菌效率的提高却可以忽略不计。这可能是由于分子正电荷数量的差异导致分子与G(-)细菌细胞壁上的脂多糖(LPS)结合亲和力的显著不同。与具有一个正电荷的AIE光敏剂相比,具有两个正电荷的AIE光敏剂与LPS的作用更强,并能取代稳定LPS结构的二价阳离子,从而导致细菌渗透屏障中形成了“裂纹”,因此两个正电荷的AIE光敏剂可以部分进入周质空间和细胞质内并通过产生的单线态氧来破坏G(-)细菌的生物分子。此工作表明,AIE光敏剂上的正电荷数量在提高抗G(-)细菌效率中起着重要的作用。这项工作为新型抗菌材料的合理设计提供了新的见解。相关工作发表在Small methods上(Killing G(+) or G(−) Bacteria? The Important Role of Molecular Charge in AIE-Active Photosensitizers, Small Methods(DOI:10.1002/smtd.202000046),第一作者为石秀娟博士,共同一作为宋海鹏博士。