唐本忠、蒋兴宇&郑文富 Adv. Funct. Mater.: 一种双功能聚集诱导发光的发光素监测和杀死多药耐药细菌

【背景介绍】

说起超级细菌，就能让人谈虎色变！因为超级病菌能在人身上造成浓疮和毒疱，甚至逐渐让人的肌肉坏死。更可怕的是，抗生素药物对它不起作用，病人会因为感染而引起可怕的炎症，高烧、痉挛、昏迷直到最后死亡。而超级细菌仅仅只是其中一种多药耐药（MDR）细菌。由于缺乏可有效杀死MDR细菌的生物相容性抗生素，多药耐药（MDR）细菌对公众健康已构成严重威胁。随着对现有抗生素的耐药性的出现，开发新的治疗剂是最迫切和紧要的。
简单来说，细菌的耐药性是指细菌多次与药物接触后，对药物的敏感性减小甚至消失，致使药物对耐药菌的疗效降低甚至无效。而最近报道的光动力疗法（PDT）可以靶向细菌的外部和内部结构，利用产生破坏性单线态氧或其它活性氧（ROS）来杀死细菌，因而不需要PDT的光敏剂（PS）进入细菌，具有与传统的抗生素不同的灭菌机制，使得细菌很难对光动力疗法（PDT）产生抗性。但目前已报道的光动力疗法（PDT）的光敏剂（PS）是疏水的，在生理亲水条件下，易发生聚集导致单线态的淬灭使得成像和治疗效果不足。那么，是否有可能将抗生素与具有聚集诱导发光（AIE）性质的PDT结合起来产生强大的新型超抗生素，以对抗细菌甚至多药耐药（MDR）细菌？

【成果简介】

近日，香港科技大学的唐本忠院士和国家纳米科技中心的蒋兴宇研究员、郑文富研究员（共同通讯作者）共同报道了一种双功能聚集诱导发光的发光素（AIEgen）：三苯基乙烯 - 萘二甲酰亚胺三唑（TriPE-NT），其能够染色和杀死革兰氏阳性（G+）和革兰氏阴性（G-）细菌。 其中TriPE单元产生的内在荧光使的TriPE-NT能够监测药物与细菌的相互作用，同时NT单位使的TriPE-NT具有抗菌活性。并且TriPE-NT在光照射下产生活性氧（ROS）的光动力疗法（PDT）对野生细菌和临床分离的多药耐药（MDR）细菌有显著的抗菌效果，而对哺乳动物细胞具有非常低的毒性。此外，TriPE-NT对细菌的染色效率与其抗菌效果密切相关。通过TriPE-NT高效率、高安全性的治疗大肠杆菌、MDR大肠杆菌、表皮葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌感染的伤口，表明TriPE-NT不仅可以用作治疗MDR细菌感染疾病的强效抗生素剂，而且还可以用作监测细菌感染的潜在荧光剂，并进一步探索相关的抗菌机制。研究成果以题为“A Bifunctional Aggregation-Induced Emission Luminogen for Monitoring and Killing of Multidrug-Resistant Bacteria”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图一、TriPE-NT合成路线

图二、TriPE-NT的表征
（a） TriPE-NT水溶液的紫外-可见吸收光谱；

（b） TriPE-NT在不同水分数（fw）的THF /水中的PL光谱；

（c） 绘制PL强度与THF /水混合物的组成以溶解TriPE-NT；

（d） 由FE-SEM数据计算的TriPE-NT聚集体的尺寸分布。

图三、光诱导TriPE-NT产生的ROS和抑制细菌

（a） DCFH的PL光谱表明在白光照射（4mW cm^-2）不同时间段后TriPE-NT（10×10 ^-6 M）产生ROS；

（b） 绘制385 nm处的相对PL强度（I / I₀）与照射时间的关系图；

（c） 大肠杆菌和多药耐药（MDR）大肠杆菌的细菌存活率；

（d） 肺炎链球菌和多药耐药（MDR）肺炎链球菌的细菌存活率；

（e） 表皮葡萄球菌和多药耐药（MDR）表皮葡萄球菌的细菌存活率；

（f） 金黄色葡萄球菌和多药耐药（MDR）金黄色葡萄球菌的细菌存活率。

图四、细菌的荧光和荧光图像
在成像前，将大肠杆菌（G-）和表皮葡萄球菌（G+）与10×10^-6 M的TriPE-NT（橙色）和FM4-64FX（红色）共孵育10分钟。 TriPE-NT：Ex（激发波长）：405 nm，Em（发射波长）：500-560 nm；FM4-64FX：Ex（激发波长）：543 nm，Em（发射波长）：600-700 nm。

图五、细菌染色和统计学分析
（a） 大肠杆菌和表皮葡萄球菌的明亮和荧光图像与10×10^-6 M的TriPE-NT（橙色）和碘化丙啶（PI）（红色）共孵育10分钟；

（b） TriPE-NT染色的细菌的统计数据通过计数细菌与10×10^-6M的TriPE-NT孵育10分钟后的染色细菌数获得；

（c） 通过PI染色的死细菌的统计数据通过计数细菌与10×10^-6M的PI孵育10分钟后的染色细菌数来获得。

图六、可视化TriPE-NT诱导的细菌形态变化
（a） 大肠杆菌、MDR大肠杆菌、表皮葡萄球菌和白色光照射的MDR表皮葡萄球菌的FE-SEM图像；

（b） 大肠杆菌、MDR大肠杆菌、表皮葡萄球菌和白色光照射的MDR表皮葡萄球菌的FEHR-TEM图像，红色箭头表示被破坏的膜；

（c） 大肠杆菌和表皮葡萄球菌F（红色）的元素图谱；

（d） 在TriPE-NT处理的大肠杆菌的超薄切片上测量的元素曲线（来自（c）中红色矩形标记的区域）；

（e） 在TriPE-NT处理的表皮葡萄球菌的超薄切片上测量的元素曲线（来自（c）中红色矩形标记的区域）。

图七、体内评价TriPE-NT治疗大鼠细菌感染伤口
（a） 在大鼠上建立细菌感染的全层皮肤伤口模型的过程；

（b） TriPE-NT治疗伤口的照片加上受伤后不同时间段的白光照射；

（c） 损伤后第3天、第7天大肠杆菌和MDR大肠杆菌感染伤口区域的比例；

（d） 表皮葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌感染伤口区域在损伤后第3天、第7天的比例（n = 5）。

图八、对大鼠伤口切片组织进行HE染色
用或不用TriPE-NT加白光照射处理大肠杆菌、MDR大肠杆菌、表皮葡萄球菌或MDR表皮葡萄球菌感染的伤口。 在损伤后第3天和第7天切除组织。 图像中的字母表示组织切片中特定的细胞类型和结构： L：淋巴细胞； B：血管； F：成纤维细胞；S：鳞状上皮细胞； H：毛囊。所有比例尺均等于100 um。

【小结】

研究了具有聚集诱导发光（AIE）性质单元的TriPE（荧光部分）和NT（抗菌部分）开发了一种双功能AIE发光体TriPE-NT。 TriPE-NT可以同时染色和杀死细菌。此外，在普通光照射下，其抗菌效果显着增加。同时，TriPE-NT是一种广谱杀菌剂，可以进入并杀死革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。 最重要的是TriPE-NT可以杀死对人体健康构成巨大威胁的多药耐药细菌。因此，TriPE-NT不仅有希望用作有效的抗菌剂，而且还有望用于临床应用方面的体外细菌检测剂。该研究还为更广泛的应用设计多功能抗生素提供了新的策略。

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

通讯作者简介

唐本忠院士：中国科学院院士，香港科技大学张鉴泉理学教授、化学系与生物医学工程系讲座教授，华南理工大学-香港科技大学联合研究院院长。2009年增选为中国科学院院士，2013年入选英国皇家化学会Fellow，2015年在华南理工大学人体组织功能重建国家工程技术研究中心支持下获批香港分中心，并任主任一职。现为科技部973计划项目首席科学家、国家自然科学基金基础科学研究中心项目负责人、广东省引进创新科研团队带头人、华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室学术委员会主任，以及中国化学会和英国皇家化学会联合期刊Materials Chemistry Frontiers主编。主要从事高分子化学和光电功能材料研究，在聚集诱导发光（Aggregation -Induced Emission, AIE）这一化学和材料前沿领域取得了原创性和引领性的研究成果。2017年，基于AIE研究的分子聚集发光基础研究中心项目获批，并获得2017年度国家自然科学一等奖。作为AIE概念的提出者和研究的引领者，唐本忠教授累计发表学术论文约1000篇，引用50000余次，h-指数为112，并于2014-2017年连续入选化学和材料双领域高被引用科学家。

详情请见课题组页：http://www.aiepolymer.com/

蒋兴宇研究员：博士生导师，纳米生物效应与安全性研究室副主任。2008年入选中科院“百人计划”。2010年获得国家自然基金委员会杰出青年基金。2007年获得“人类前沿科学项目”青年科学家奖，2011年获中国化学会青年化学奖，2013年获中组部“万人计划”拔尖青年人才，2014年入选科技部创新人才推进计划，2015年获得第一届中国青年分析化学家奖，亚洲化学联合会杰出青年化学家奖及中国生物医学工程学会黄家驷生物医学工程奖，2016年获得中国生物材料学会青年科学家奖，入选皇家化学会会士，北京市科学技术二等奖。发表论文230余篇，发明专利150余项。研究领域是微纳米尺度材料的制备以及其在生物医学中的应用。研究方向主要包括：1）基于纳米尺度材料的生物化学分析；2）微流控芯片的研制和生物应用研究；3）与疾病相关的细胞生物学的研究；4）自动化分析仪器研制。目前任《Nanoscale》、《Nanoscale Advances》副主编，任《Advanced Healthcare Materials》、《生物物理学报》、《生命科学仪器》等期刊编委。

课题组主页：http://www.nanoctr.cn/xingyujiang/

本文由材料人高分子生物材料组小胖纸编译。

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