Angew. Chem. Int. Ed.：用于广谱抗菌和抗耐药菌的超分子双波长光疗剂

【研究背景】

抗生素是20世纪人类最伟大的发现之一，它能使人们以最小的感染风险进行外科手术。但是持续的过度使用和快速传播的耐药机制使许多抗生素失效。这些所谓的超级耐药细菌治疗较为复杂，其中某些感染无一线治疗方法。目前的估计表明，如果到2050年不采取适当行动，大约有1000万人可能直接或间接死于耐药菌感染。因此，能够规避抗生素耐药性的替代策略是非常可取的。

近年来，基于材料的方法已初步用于细菌感染的治疗。这些方法能够产生预期的治疗效果，同时降低了产生耐药性细菌的可能性。比如使用金纳米粒子和杂交粒子，在光照射下产生活性氧(ROS)(PDT)来消灭细菌。另一个例子结合了金纳米棒和银，银是一种传统用于细菌感染治疗的抗菌剂。另外，二维(2D)纳米材料，如氧化石墨烯(GO)和二硫化钼(MoS₂)，也被报道为有效的抗菌剂，因为它们能够催化H₂O₂转化为羟基自由基(•OH)，一种剧毒的活性氧来消灭细菌。这些精巧的研究为开发有效的基于材料的抗菌剂提供了灵感，而当没有有效的传统小分子抗生素可使用时，这些治疗策略不久就会被越来越多地采用。

【成果简介】

近日，华东理工大学贺晓鹏副研究员联合上海交通大学麦亦勇教授、陈代杰教授以及韩国梨花女子大学Juyoung Yoon教授等人开发了一种结构简单的超分子自组装结构定义的石墨烯纳米带（GNRs）与阳离子卟啉（Pp4N），以提供涂覆有Pp4N纳米粒子的独特的一维（1D）线状GNR超结构。在660和808 nm的光照射下，开发的Pp4N/GNR纳米复合材料表现出出色的双峰特性，具有显着的活性氧（ROS）产生（PDT）和温度升高（PTT）。该组合方法证明具有协同作用，可提供优越的抗菌效果，从而在体外和体内彻底消灭各种革兰氏阳性，革兰氏阴性和耐药菌。这项研究还揭示了GNR作为开发能够克服抗生素耐药性的双峰抗菌剂的新平台的前景。该文章近日以题为“A Supramolecular-Based Dual-Wavelength Phototherapeutic Agent with Broad Spectrum Antimicrobial Activity against Drug Resistant Bacteria”发表在知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文导读】

图一、纳米材料结构及作用过程示意图

Pp4N(阳离子卟啉)和GNR-PEO2000结构用于自组装和耐药细菌的双光激活光动力和光热治疗。

图二、纳米材料的理化性质表征

（a-c）Pp4N（5 μM）、GNR-PEO2000（2.5 μg mL^-1）和复合材料的TEM图像。

（d）复合材料（Pp4N / GNR = 40 µM / 30 µg mL^-1）的AFM高度测量。

（e-f）GNR-PEO2000以及复合材料的堆积拉曼光谱和紫外吸收表征。

（g）随GNR-PEO2000浓度变化的荧光变化。

图三、复合材料的溶液性质

（a）复合材料（Pp4N / GNR = 40 µM / 30 µg mL^-1）随时间变化的紫外可见吸收强度降低，这是通过DPA在光照射下的结构变化测得的。

（b）通过DMPO捕获的复合材料的EPR光谱。

（c-d）Pp4N（5 μM）、GNR-PEO2000（2.5 μg mL^-1）和复合材料的光热性质以及红外热成像图像。

图四、抗菌性能研究

（a）不同浓度Pp4N条件下，有无光照（660 nm，1W cm^-2）的铜绿假单胞菌的存活率。

（b）40 μM Pp4N条件下，有无光照及不同光照时间（660 nm，1W cm^-2）的铜绿假单胞菌的存活率。

（c）不同浓度GNR-PEO2000条件下，有无光照（808 nm，1W cm^-2）的铜绿假单胞菌的存活率。

（d）40 µg mL^-1Pp4N条件下，有无光照及不同光照时间（808 nm，1W cm^-2）的铜绿假单胞菌的存活率。

（e）不同条件下复合材料（Pp4N / GNR = 40 µM / 30 µg mL^-1）有无光照（808 nm，1W cm^-2）的铜绿假单胞菌的存活率。

（f）不同条件下复合材料（Pp4N/GNR = 40 µM/30 µg mL^-1）的铜绿假单胞菌的存活率。

图五、复合材料的光谱抗菌筛选

与复合材料（Pp4N / GNR = 40 µM / 30 µg mL^-1）共孵育，在有无15分钟的808 nm光照下，再经过15分钟的660 nm光辐照后处理的不同细菌的存活率。

图六：复合材料在动物模型的抗菌能力

（a）背部创伤感染鲍曼不动杆菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）后，分别给不同材料后光照5分钟的光热成像图像。

（b-c）感染鲍曼不动杆菌和MRSA小鼠不同材料的光照温度变化曲线。

图七：复合材料的光照抗菌效果

（a）用或不用复合物治疗随时间推移的鲍曼不动杆菌和MRSA感染伤口愈合的代表性照片。

（b）有/无复合物处理，光照（经NIR光辐照15分钟，然后经过660 nm光辐照15分钟）后从受感染的伤口中获得的细菌培养物。

【结论展望】

综上所述，作者已经证明了超分子自组装纳米复合材料的开发，该复合材料具有双峰PDT / PTT活性，可用于对多种耐药革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌菌株进行光基处理。这些Pp4N / GNR自组装超结构在细菌感染小鼠模型中也证明具有光稳定性，对人体细胞具有最小的毒性和有效活性。本研究结果强调了多种治疗机制的协同组合如何增强基于材料的抗菌剂。因此，应用这种方法的新系统可用于解决对非抗生素剂的日益增长的需求。

文献链接：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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