香港科技大學唐本忠&華南理工大學王志明Biomaterials:以病原微生物診療一體化為導向的AIEgens設計及應用研究

【引言】

病原微生物導致的感染嚴重危害著人類健康，尤其是多藥耐藥微生物的出現，對相關診、療手段提出了更高的要求。因此，同時具備診斷和治療功能的診療一體化體系受到了廣泛的關注，其中光動力療法（PDT）由于其微創性、時空可控性和低耐藥性，在抑制微生物感染等相關領域具有廣闊的應用前景。然而，傳統的光敏劑因其平面結構的π-π相互作用導致其在生理環境下容易聚集后抑制其敏化產生活性氧（ROS）的能力，限制了其抑菌效果和進一步應用。具有聚集誘導發光（AIE）性能的光敏材料，會隨著聚集體的形成其發光效率增加的同時其產生活性氧的能力也會得到提升，這使得AIE光敏材料在基于PDT的微生物感染診療領域具有很好的前景。經過眾多科研工作者的努力，已經開發了眾多診療一體化體系，但同時具有選擇性成像和抗菌性能的材料卻少有報道。

【成果簡介】

???????華南理工大學唐本忠院士團隊王志明研究員課題組在前期工作中通過分子設計引入堿性基團實現了對革蘭氏陽性菌的特異性識別。近期，他們基于中國古代“過猶不及”（More?is?less）哲學思想，通過引入堿性更強的二乙氨基基團，設計并制備了一種多功能的納米探針，實現了微生物選擇性成像及抗菌的應用。該體系的構筑原理為：DPNAP通過引入了更強堿性的二乙氨基基團來增加其與革蘭氏陽性菌脂磷壁酸的結合力，但形成的離子型受體構成了強的電荷轉移態從而導致了熒光猝滅，因此DPNAP在革蘭氏陽性菌脂磷壁酸表現為結合卻不發光（More）；而由于革蘭氏陰性菌與此類探針結合方式相對較弱，則表現為不結合也不發光（Less）；但對于真菌類微生物，DPNAP則表現為較好的結合力和優異的發光行為。加之，酮基水楊醛聯肼（KSA）基團的引入，使分子結合了ESIPT材料的熒光特性，并借助外圍的基團旋轉受限獲得了強的聚集態熒光量子產率及AIE特性。進一步地，基于其優異的敏化產生活性氧的能力及勝利環境下一定的電正性，該體系表現出針對不同微生物的多樣抗菌行為。此外，體外和體內實驗進一步表明該探針對臨床耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌（超級細菌）的抑制和治療效果顯著，該多功能納米探針在臨床感染治療中及微生物篩選中具有巨大的應用潛力。該成果以題為“More is less: Creation of pathogenic microbe-related theranostic oriented AIEgens”發表在Biomaterials上。

【圖文導讀】

Figure 1.DPNAP的設計原理，以及DPNAP、O-DPAS、DO-DPAS、DPNAS、DO-DPNAS的化學結構

Figure 2.DPNAP光物理性質和微生物成像

（A）DPNAP在不同水含量的THF /水混合溶液中的熒光光譜 （B）水中DPANP的粒徑分布 （C）DPNAP在中性和酸性水溶液中的熒光光譜 （D）活性氧探針DCFH在加入DPNAP后暗處及光照條件下的熒光強度 （E-K）釀酒酵母菌，白色念珠菌，金黃色葡萄球菌，糞腸球菌，枯草芽孢桿菌，銅綠假單胞菌，大腸桿菌（L）及混合微生物樣品與與DPNAP作用后的CLSM成像結果

Figure 3.探針的抗菌性能研究

（A-C）不同濃度DPNAP在黑暗和白光條件下對金黃色葡萄球菌，白色念珠菌和大腸桿菌的抑菌率?（D-F）金黃色葡萄球菌，白色念珠菌和大腸桿菌在與DPNAP作用后暗處及光照條件下的（SEM）圖像 （G）不同處理方式的微生物濾液核酸濃度

Figure 4. 選擇性抗菌行為研究

（A）用不同處理混合微生物（金黃色葡萄球菌，白色念珠菌和大腸桿菌）的NB平板照片 （B）DPNAP在黑暗及光照條件下對混合微生物的抑菌率?（C）使用不同條件處理的MRSA NB平板照片 （D）頭孢噻吩和DPNAP對MRSA的抑菌率

Figure 5.活體抗菌實驗

（A）不同處理方式下受MRSA感染的小鼠傷口的照片，以及（B）感染區域的大小以及（C）小鼠體重（D）抗菌實驗完成后傷口的組織學顯微照片

【小結】

在實際應用中，對病原微生物的快速鑒別和靶向治療的要求很高。基于對微生物細胞結構差異的理解，作者設計并制備了一種新型多功能納米熒光探針用于真菌選擇性成像及抗菌應用。通過引入二乙氨基，使得其對酸有響應性且增強了其與微生物的結合能力。由于革蘭氏陽性菌的脂磷壁酸與探針的二乙氨基部分之間具有超強的親和力，因此被離子化后，形成了強的電荷轉移態從而導致了熒光猝滅；而對于革蘭氏陰性菌，其弱的親和力導致無熒光信號的產生。此外，該探針分別顯示出對真菌的光活化殺傷和對革蘭氏陽性細菌的光增強抑制的多種抗菌行為，從而有可能實現對微生物的篩選。此外，體外和體內證據證實了其對臨床耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌的有效抑制。這些結果使其在臨床藥物敏感性試驗和感染治療中具有巨大的潛力。

文獻鏈接：More is less: Creation of pathogenic microbe-related theranostic oriented AIEgens, Biomaterials,?2021, DOI:10.1016/j.biomaterials.2021.120725

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。 ?