Angew. Chem. Int. Ed.：用于廣譜抗菌和抗耐藥菌的超分子雙波長光療劑

【研究背景】

抗生素是20世紀人類最偉大的發現之一，它能使人們以最小的感染風險進行外科手術。但是持續的過度使用和快速傳播的耐藥機制使許多抗生素失效。這些所謂的超級耐藥細菌治療較為復雜，其中某些感染無一線治療方法。目前的估計表明，如果到2050年不采取適當行動，大約有1000萬人可能直接或間接死于耐藥菌感染。因此，能夠規避抗生素耐藥性的替代策略是非常可取的。

近年來，基于材料的方法已初步用于細菌感染的治療。這些方法能夠產生預期的治療效果，同時降低了產生耐藥性細菌的可能性。比如使用金納米粒子和雜交粒子，在光照射下產生活性氧(ROS)(PDT)來消滅細菌。另一個例子結合了金納米棒和銀，銀是一種傳統用于細菌感染治療的抗菌劑。另外，二維(2D)納米材料，如氧化石墨烯(GO)和二硫化鉬(MoS₂)，也被報道為有效的抗菌劑，因為它們能夠催化H₂O₂轉化為羥基自由基(?OH)，一種劇毒的活性氧來消滅細菌。這些精巧的研究為開發有效的基于材料的抗菌劑提供了靈感，而當沒有有效的傳統小分子抗生素可使用時，這些治療策略不久就會被越來越多地采用。

【成果簡介】

近日，華東理工大學賀曉鵬副研究員聯合上海交通大學麥亦勇教授、陳代杰教授以及韓國梨花女子大學Juyoung Yoon教授等人開發了一種結構簡單的超分子自組裝結構定義的石墨烯納米帶（GNRs）與陽離子卟啉（Pp4N），以提供涂覆有Pp4N納米粒子的獨特的一維（1D）線狀GNR超結構。在660和808 nm的光照射下，開發的Pp4N/GNR納米復合材料表現出出色的雙峰特性，具有顯著的活性氧（ROS）產生（PDT）和溫度升高（PTT）。該組合方法證明具有協同作用，可提供優越的抗菌效果，從而在體外和體內徹底消滅各種革蘭氏陽性，革蘭氏陰性和耐藥菌。這項研究還揭示了GNR作為開發能夠克服抗生素耐藥性的雙峰抗菌劑的新平臺的前景。該文章近日以題為“A Supramolecular-Based Dual-Wavelength Phototherapeutic Agent with Broad Spectrum Antimicrobial Activity against Drug Resistant Bacteria”發表在知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖一、納米材料結構及作用過程示意圖

Pp4N(陽離子卟啉)和GNR-PEO2000結構用于自組裝和耐藥細菌的雙光激活光動力和光熱治療。

圖二、納米材料的理化性質表征

（a-c）Pp4N（5 μM）、GNR-PEO2000（2.5 μg mL^-1）和復合材料的TEM圖像。

（d）復合材料（Pp4N / GNR = 40 μM / 30 μg mL^-1）的AFM高度測量。

（e-f）GNR-PEO2000以及復合材料的堆積拉曼光譜和紫外吸收表征。

（g）隨GNR-PEO2000濃度變化的熒光變化。

圖三、復合材料的溶液性質

（a）復合材料（Pp4N / GNR = 40 μM / 30 μg mL^-1）隨時間變化的紫外可見吸收強度降低，這是通過DPA在光照射下的結構變化測得的。

（b）通過DMPO捕獲的復合材料的EPR光譜。

（c-d）Pp4N（5 μM）、GNR-PEO2000（2.5 μg mL^-1）和復合材料的光熱性質以及紅外熱成像圖像。

圖四、抗菌性能研究

（a）不同濃度Pp4N條件下，有無光照（660 nm，1W cm^-2）的銅綠假單胞菌的存活率。

（b）40 μM Pp4N條件下，有無光照及不同光照時間（660 nm，1W cm^-2）的銅綠假單胞菌的存活率。

（c）不同濃度GNR-PEO2000條件下，有無光照（808 nm，1W cm^-2）的銅綠假單胞菌的存活率。

（d）40 μg mL^-1 Pp4N條件下，有無光照及不同光照時間（808 nm，1W cm^-2）的銅綠假單胞菌的存活率。

（e）不同條件下復合材料（Pp4N / GNR = 40 μM / 30 μg mL^-1）有無光照（808 nm，1W cm^-2）的銅綠假單胞菌的存活率。

（f）不同條件下復合材料（Pp4N/GNR = 40 μM/30 μg mL^-1）的銅綠假單胞菌的存活率。

圖五、復合材料的光譜抗菌篩選

與復合材料（Pp4N / GNR = 40 μM / 30 μg mL^-1）共孵育，在有無15分鐘的808 nm光照下，再經過15分鐘的660 nm光輻照后處理的不同細菌的存活率。

圖六：復合材料在動物模型的抗菌能力

（a）背部創傷感染鮑曼不動桿菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）后，分別給不同材料后光照5分鐘的光熱成像圖像。

（b-c）感染鮑曼不動桿菌和MRSA小鼠不同材料的光照溫度變化曲線。

圖七：復合材料的光照抗菌效果

（a）用或不用復合物治療隨時間推移的鮑曼不動桿菌和MRSA感染傷口愈合的代表性照片。

（b）有/無復合物處理，光照（經NIR光輻照15分鐘，然后經過660 nm光輻照15分鐘）后從受感染的傷口中獲得的細菌培養物。

【結論展望】

綜上所述，作者已經證明了超分子自組裝納米復合材料的開發，該復合材料具有雙峰PDT / PTT活性，可用于對多種耐藥革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌菌株進行光基處理。這些Pp4N / GNR自組裝超結構在細菌感染小鼠模型中也證明具有光穩定性，對人體細胞具有最小的毒性和有效活性。本研究結果強調了多種治療機制的協同組合如何增強基于材料的抗菌劑。因此，應用這種方法的新系統可用于解決對非抗生素劑的日益增長的需求。

文獻鏈接：A Supramolecular-Based Dual-Wavelength Phototherapeutic?Agent with Broad Spectrum Antimicrobial Activity against Drug Resistant Bacteria?(Angew. Chem. Int. Ed. , 2019, DOI: 10.1002/anie.201913506)

本文由大兵哥供稿。

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