唐本忠、蔣興宇&鄭文富 Adv. Funct. Mater.: 一種雙功能聚集誘導發光的發光素監測和殺死多藥耐藥細菌

【背景介紹】

說起超級細菌，就能讓人談虎色變！因為超級病菌能在人身上造成濃瘡和毒皰，甚至逐漸讓人的肌肉壞死。更可怕的是，抗生素藥物對它不起作用，病人會因為感染而引起可怕的炎癥，高燒、痙攣、昏迷直到最后死亡。而超級細菌僅僅只是其中一種多藥耐藥（MDR）細菌。由于缺乏可有效殺死MDR細菌的生物相容性抗生素，多藥耐藥（MDR）細菌對公眾健康已構成嚴重威脅。隨著對現有抗生素的耐藥性的出現，開發新的治療劑是最迫切和緊要的。
簡單來說，細菌的耐藥性是指細菌多次與藥物接觸后，對藥物的敏感性減小甚至消失，致使藥物對耐藥菌的療效降低甚至無效。而最近報道的光動力療法（PDT）可以靶向細菌的外部和內部結構，利用產生破壞性單線態氧或其它活性氧（ROS）來殺死細菌，因而不需要PDT的光敏劑（PS）進入細菌，具有與傳統的抗生素不同的滅菌機制，使得細菌很難對光動力療法（PDT）產生抗性。但目前已報道的光動力療法（PDT）的光敏劑（PS）是疏水的，在生理親水條件下，易發生聚集導致單線態的淬滅使得成像和治療效果不足。那么，是否有可能將抗生素與具有聚集誘導發光（AIE）性質的PDT結合起來產生強大的新型超抗生素，以對抗細菌甚至多藥耐藥（MDR）細菌？

【成果簡介】

近日，香港科技大學的唐本忠院士和國家納米科技中心的蔣興宇研究員、鄭文富研究員（共同通訊作者）共同報道了一種雙功能聚集誘導發光的發光素（AIEgen）：三苯基乙烯 - 萘二甲酰亞胺三唑（TriPE-NT），其能夠染色和殺死革蘭氏陽性（G+）和革蘭氏陰性（G-）細菌。 其中TriPE單元產生的內在熒光使的TriPE-NT能夠監測藥物與細菌的相互作用，同時NT單位使的TriPE-NT具有抗菌活性。并且TriPE-NT在光照射下產生活性氧（ROS）的光動力療法（PDT）對野生細菌和臨床分離的多藥耐藥（MDR）細菌有顯著的抗菌效果，而對哺乳動物細胞具有非常低的毒性。此外，TriPE-NT對細菌的染色效率與其抗菌效果密切相關。通過TriPE-NT高效率、高安全性的治療大腸桿菌、MDR大腸桿菌、表皮葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌感染的傷口，表明TriPE-NT不僅可以用作治療MDR細菌感染疾病的強效抗生素劑，而且還可以用作監測細菌感染的潛在熒光劑，并進一步探索相關的抗菌機制。研究成果以題為“A Bifunctional Aggregation-Induced Emission Luminogen for Monitoring and Killing of Multidrug-Resistant Bacteria”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、TriPE-NT合成路線

圖二、TriPE-NT的表征
（a） TriPE-NT水溶液的紫外-可見吸收光譜；

（b） TriPE-NT在不同水分數（fw）的THF /水中的PL光譜；

（c） 繪制PL強度與THF /水混合物的組成以溶解TriPE-NT；

（d） 由FE-SEM數據計算的TriPE-NT聚集體的尺寸分布。

圖三、光誘導TriPE-NT產生的ROS和抑制細菌

（a） DCFH的PL光譜表明在白光照射（4mW cm^-2）不同時間段后TriPE-NT（10×10 ^-6 M）產生ROS；

（b） 繪制385 nm處的相對PL強度（I / I₀）與照射時間的關系圖；

（c） 大腸桿菌和多藥耐藥（MDR）大腸桿菌的細菌存活率；

（d） 肺炎鏈球菌和多藥耐藥（MDR）肺炎鏈球菌的細菌存活率；

（e） 表皮葡萄球菌和多藥耐藥（MDR）表皮葡萄球菌的細菌存活率；

（f） 金黃色葡萄球菌和多藥耐藥（MDR）金黃色葡萄球菌的細菌存活率。

圖四、細菌的熒光和熒光圖像
在成像前，將大腸桿菌（G-）和表皮葡萄球菌（G+）與10×10^-6 M的TriPE-NT（橙色）和FM4-64FX（紅色）共孵育10分鐘。 TriPE-NT：Ex（激發波長）：405 nm，Em（發射波長）：500-560 nm；FM4-64FX：Ex（激發波長）：543 nm，Em（發射波長）：600-700 nm。

圖五、細菌染色和統計學分析
（a） 大腸桿菌和表皮葡萄球菌的明亮和熒光圖像與10×10^-6 M的TriPE-NT（橙色）和碘化丙啶（PI）（紅色）共孵育10分鐘；

（b） TriPE-NT染色的細菌的統計數據通過計數細菌與10×10^-6M的TriPE-NT孵育10分鐘后的染色細菌數獲得；

（c） 通過PI染色的死細菌的統計數據通過計數細菌與10×10^-6M的PI孵育10分鐘后的染色細菌數來獲得。

圖六、可視化TriPE-NT誘導的細菌形態變化
（a） 大腸桿菌、MDR大腸桿菌、表皮葡萄球菌和白色光照射的MDR表皮葡萄球菌的FE-SEM圖像；

（b） 大腸桿菌、MDR大腸桿菌、表皮葡萄球菌和白色光照射的MDR表皮葡萄球菌的FEHR-TEM圖像，紅色箭頭表示被破壞的膜；

（c） 大腸桿菌和表皮葡萄球菌F（紅色）的元素圖譜；

（d） 在TriPE-NT處理的大腸桿菌的超薄切片上測量的元素曲線（來自（c）中紅色矩形標記的區域）；

（e） 在TriPE-NT處理的表皮葡萄球菌的超薄切片上測量的元素曲線（來自（c）中紅色矩形標記的區域）。

圖七、體內評價TriPE-NT治療大鼠細菌感染傷口
（a） 在大鼠上建立細菌感染的全層皮膚傷口模型的過程；

（b） TriPE-NT治療傷口的照片加上受傷后不同時間段的白光照射；

（c） 損傷后第3天、第7天大腸桿菌和MDR大腸桿菌感染傷口區域的比例；

（d） 表皮葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌感染傷口區域在損傷后第3天、第7天的比例（n = 5）。

圖八、對大鼠傷口切片組織進行HE染色
用或不用TriPE-NT加白光照射處理大腸桿菌、MDR大腸桿菌、表皮葡萄球菌或MDR表皮葡萄球菌感染的傷口。 在損傷后第3天和第7天切除組織。 圖像中的字母表示組織切片中特定的細胞類型和結構： L：淋巴細胞； B：血管； F：成纖維細胞；S：鱗狀上皮細胞； H：毛囊。所有比例尺均等于100 um。

【小結】

研究了具有聚集誘導發光（AIE）性質單元的TriPE（熒光部分）和NT（抗菌部分）開發了一種雙功能AIE發光體TriPE-NT。 TriPE-NT可以同時染色和殺死細菌。此外，在普通光照射下，其抗菌效果顯著增加。同時，TriPE-NT是一種廣譜殺菌劑，可以進入并殺死革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌。 最重要的是TriPE-NT可以殺死對人體健康構成巨大威脅的多藥耐藥細菌。因此，TriPE-NT不僅有希望用作有效的抗菌劑，而且還有望用于臨床應用方面的體外細菌檢測劑。該研究還為更廣泛的應用設計多功能抗生素提供了新的策略。

文獻鏈接：A Bifunctional Aggregation‐Induced Emission Luminogen for Monitoring and Killing of Multidrug‐Resistant Bacteria（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201804632）

通訊作者簡介

唐本忠院士：中國科學院院士，香港科技大學張鑒泉理學教授、化學系與生物醫學工程系講座教授，華南理工大學-香港科技大學聯合研究院院長。2009年增選為中國科學院院士，2013年入選英國皇家化學會Fellow，2015年在華南理工大學人體組織功能重建國家工程技術研究中心支持下獲批香港分中心，并任主任一職。現為科技部973計劃項目首席科學家、國家自然科學基金基礎科學研究中心項目負責人、廣東省引進創新科研團隊帶頭人、華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室學術委員會主任，以及中國化學會和英國皇家化學會聯合期刊Materials Chemistry Frontiers主編。主要從事高分子化學和光電功能材料研究，在聚集誘導發光（Aggregation -Induced Emission, AIE）這一化學和材料前沿領域取得了原創性和引領性的研究成果。2017年，基于AIE研究的分子聚集發光基礎研究中心項目獲批，并獲得2017年度國家自然科學一等獎。作為AIE概念的提出者和研究的引領者，唐本忠教授累計發表學術論文約1000篇，引用50000余次，h-指數為112，并于2014-2017年連續入選化學和材料雙領域高被引用科學家。

詳情請見課題組頁：http://www.aiepolymer.com/

蔣興宇研究員：博士生導師，納米生物效應與安全性研究室副主任。2008年入選中科院“百人計劃”。2010年獲得國家自然基金委員會杰出青年基金。2007年獲得“人類前沿科學項目”青年科學家獎，2011年獲中國化學會青年化學獎，2013年獲中組部“萬人計劃”拔尖青年人才，2014年入選科技部創新人才推進計劃，2015年獲得第一屆中國青年分析化學家獎，亞洲化學聯合會杰出青年化學家獎及中國生物醫學工程學會黃家駟生物醫學工程獎，2016年獲得中國生物材料學會青年科學家獎，入選皇家化學會會士，北京市科學技術二等獎。發表論文230余篇，發明專利150余項。研究領域是微納米尺度材料的制備以及其在生物醫學中的應用。研究方向主要包括：1）基于納米尺度材料的生物化學分析；2）微流控芯片的研制和生物應用研究；3）與疾病相關的細胞生物學的研究；4）自動化分析儀器研制。目前任《Nanoscale》、《Nanoscale Advances》副主編，任《Advanced Healthcare Materials》、《生物物理學報》、《生命科學儀器》等期刊編委。

課題組主頁：http://www.nanoctr.cn/xingyujiang/

本文由材料人高分子生物材料組小胖紙編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.