清華大學張希院士Angew. Chem. Int. Ed.：細菌觸發的陰離子超分子自由基用于原位選擇性光熱治療

【引言】

自青霉素被發現以來，抗生素被廣泛應用于臨床治療、農業用水、污水處理等各個領域，然而伴隨著抗生素長期濫用，耐藥微生物也隨之出現并成為人類健康生活的嚴重威脅。因此，迫切地需要開發出一種新的抗菌方法。近年來，人們越來越關注光熱療法對抗藥性微生物作用效果，對耐藥的微生物，光熱療法通過光熱劑升高局部溫度導致微生物蛋白質變性進一步導致病源微生物的死亡。目前已有許多的功能材料被發展用來作為光熱材料，如無機納米材料、碳基納米材料和共軛功能聚合物等，這些功能材料具有良好的光熱轉換效率。光熱治療是針對耐藥微生物一個潛在的臨床策略，目前光熱材料的制備已有明顯的進展，且對多種細菌具有較好的選擇性，開發新型光熱劑是十分必要的。

【成果簡介】

近日，清華大學張希院士和徐江飛助理研究員（共同通訊作者）等人在光熱抗菌材料方面取得了進展。該小組利用北二酰亞胺和葫蘆脲[ 7 ]（CB[7]）的主客體作用合成了一種新型的復合高分子材料（CPPDI），此材料能選擇性被兼性厭氧菌還原成陰離子自由基，進而具有較高的光熱轉化效率。此項研究成果以“Supramolecular Radical Anions Triggered by Bacteria In Situ for Selective Photothermal Therapy”為題發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖1.超分子復合物（CPPDI）結構設計及其選擇性光熱抗菌效果示意圖

（a）超分子復合物（CPPDI）的化學結構及其轉變為陰離子自由基的過程

（b）CPPDI在兼性厭氧菌E.coli的作用下具有較好的光熱轉化效率從而殺死細菌，CPPDI在需氧菌B.subtills的環境中進行808 nm激光照射，系統沒有明顯的溫度提升，光熱療效差

圖2.電子順馳共振檢測CPPDI陰離子自由基

(a) 紅色的CPPDI與coli共孵育后被還原成CPPDI陰離子自由基，顏色變藍，EPR檢測有明顯的CPPDI陰離子自由基信號

(b) 紅色的CPPDI與subtills共孵育后顏色無明顯變化，EPR檢測沒有明顯的CPPDI陰離子自由基信號

圖3.CPPDI與不同細菌混合的水溶液近紅外光照射后的溫度變化

(a) CPPDI與coli的水溶液經808 nm的近紅外激光照射，在30 min內溫度快速上升至65℃

(b) CPPDI與subtills的水溶液經808 nm的近紅外激光照射30 min后溫度沒有明顯的升高

圖4.CPPDI與不同細菌混合后近紅外光照射不同時間后的菌落繁殖速率

(a) CPPDI與coli共孵育經808 nm的近紅外激光照射不同的時間后計算菌落繁殖速率，隨著光照時間的增加菌落繁殖速率明顯下降，光照時間到30 min時菌落繁殖速率接近于零

(b) CPPDI與subtills共孵育經808 nm的近紅外激光照射不同的時間后計算菌落繁殖速率，隨著光照時間的增加菌落繁殖速率沒有較大幅度的變化

圖5.CPPDI與各種細菌共孵育后的EPR譜

CPPDI與E. faecalis, S. aureus, P. aeruginosa, E. coli, B. subtilis幾種細菌分別共孵育后的EPR譜圖

【小結】

本文成功地設計并構建了一個能被兼性厭氧細菌選擇性還原為陰離子自由基的超分子配合物（CPPDI）。這種新型超分子復合物通過光熱治療顯示出對兼性厭氧細菌高選擇性的抗菌活性，該設計方法可以擴展到分子組裝體、聚合物和超分子聚合物等材料的選擇性抗菌功能設計。此外，苝二酰亞胺衍生物部分也可以由其他具有近紅外吸收的材料代替，這種新的細菌-化學響應模型在調節微生物平衡上可能有著巨大的潛力。

?文獻鏈接：Supramolecular Radical Anions Triggered by Bacteria In Situ for Selective Photothermal Therapy（Angew. Chem. Int. Ed. , 2017, DOI: 10.1002/anie.201708971）

?本文由材料人編輯部張雪豪編譯， 劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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