清华大学张希院士Angew. Chem. Int. Ed.：细菌触发的阴离子超分子自由基用于原位选择性光热治疗

【引言】

自青霉素被发现以来，抗生素被广泛应用于临床治疗、农业用水、污水处理等各个领域，然而伴随着抗生素长期滥用，耐药微生物也随之出现并成为人类健康生活的严重威胁。因此，迫切地需要开发出一种新的抗菌方法。近年来，人们越来越关注光热疗法对抗药性微生物作用效果，对耐药的微生物，光热疗法通过光热剂升高局部温度导致微生物蛋白质变性进一步导致病源微生物的死亡。目前已有许多的功能材料被发展用来作为光热材料，如无机纳米材料、碳基纳米材料和共轭功能聚合物等，这些功能材料具有良好的光热转换效率。光热治疗是针对耐药微生物一个潜在的临床策略，目前光热材料的制备已有明显的进展，且对多种细菌具有较好的选择性，开发新型光热剂是十分必要的。

【成果简介】

近日，清华大学张希院士和徐江飞助理研究员（共同通讯作者）等人在光热抗菌材料方面取得了进展。该小组利用北二酰亚胺和葫芦脲[ 7 ]（CB[7]）的主客体作用合成了一种新型的复合高分子材料（CPPDI），此材料能选择性被兼性厌氧菌还原成阴离子自由基，进而具有较高的光热转化效率。此项研究成果以“Supramolecular Radical Anions Triggered by Bacteria In Situ for Selective Photothermal Therapy”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文导读】

图1.超分子复合物（CPPDI）结构设计及其选择性光热抗菌效果示意图

（a）超分子复合物（CPPDI）的化学结构及其转变为阴离子自由基的过程

（b）CPPDI在兼性厌氧菌E.coli的作用下具有较好的光热转化效率从而杀死细菌，CPPDI在需氧菌B.subtills的环境中进行808 nm激光照射，系统没有明显的温度提升，光热疗效差

图2.电子顺驰共振检测CPPDI阴离子自由基

(a) 红色的CPPDI与coli共孵育后被还原成CPPDI阴离子自由基，颜色变蓝，EPR检测有明显的CPPDI阴离子自由基信号

(b) 红色的CPPDI与subtills共孵育后颜色无明显变化，EPR检测没有明显的CPPDI阴离子自由基信号

图3.CPPDI与不同细菌混合的水溶液近红外光照射后的温度变化

(a) CPPDI与coli的水溶液经808 nm的近红外激光照射，在30 min内温度快速上升至65℃

(b) CPPDI与subtills的水溶液经808 nm的近红外激光照射30 min后温度没有明显的升高

图4.CPPDI与不同细菌混合后近红外光照射不同时间后的菌落繁殖速率

(a) CPPDI与coli共孵育经808 nm的近红外激光照射不同的时间后计算菌落繁殖速率，随着光照时间的增加菌落繁殖速率明显下降，光照时间到30 min时菌落繁殖速率接近于零

(b) CPPDI与subtills共孵育经808 nm的近红外激光照射不同的时间后计算菌落繁殖速率，随着光照时间的增加菌落繁殖速率没有较大幅度的变化

图5.CPPDI与各种细菌共孵育后的EPR谱

CPPDI与E. faecalis, S. aureus, P. aeruginosa, E. coli, B. subtilis几种细菌分别共孵育后的EPR谱图

【小结】

本文成功地设计并构建了一个能被兼性厌氧细菌选择性还原为阴离子自由基的超分子配合物（CPPDI）。这种新型超分子复合物通过光热治疗显示出对兼性厌氧细菌高选择性的抗菌活性，该设计方法可以扩展到分子组装体、聚合物和超分子聚合物等材料的选择性抗菌功能设计。此外，苝二酰亚胺衍生物部分也可以由其他具有近红外吸收的材料代替，这种新的细菌-化学响应模型在调节微生物平衡上可能有着巨大的潜力。

 文献链接：Supramolecular Radical Anions Triggered by Bacteria In Situ for Selective Photothermal Therapy（Angew. Chem. Int. Ed. , 2017, DOI: 10.1002/anie.201708971）

 本文由材料人编辑部张雪豪编译， 刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。

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