香港科技大学唐本忠&华南理工大学王志明Biomaterials:以病原微生物诊疗一体化为导向的AIEgens设计及应用研究

【引言】

病原微生物导致的感染严重危害着人类健康，尤其是多药耐药微生物的出现，对相关诊、疗手段提出了更高的要求。因此，同时具备诊断和治疗功能的诊疗一体化体系受到了广泛的关注，其中光动力疗法（PDT）由于其微创性、时空可控性和低耐药性，在抑制微生物感染等相关领域具有广阔的应用前景。然而，传统的光敏剂因其平面结构的π-π相互作用导致其在生理环境下容易聚集后抑制其敏化产生活性氧（ROS）的能力，限制了其抑菌效果和进一步应用。具有聚集诱导发光（AIE）性能的光敏材料，会随着聚集体的形成其发光效率增加的同时其产生活性氧的能力也会得到提升，这使得AIE光敏材料在基于PDT的微生物感染诊疗领域具有很好的前景。经过众多科研工作者的努力，已经开发了众多诊疗一体化体系，但同时具有选择性成像和抗菌性能的材料却少有报道。

【成果简介】

       华南理工大学唐本忠院士团队王志明研究员课题组在前期工作中通过分子设计引入碱性基团实现了对革兰氏阳性菌的特异性识别。近期，他们基于中国古代“过犹不及”（More is less）哲学思想，通过引入碱性更强的二乙氨基基团，设计并制备了一种多功能的纳米探针，实现了微生物选择性成像及抗菌的应用。该体系的构筑原理为：DPNAP通过引入了更强碱性的二乙氨基基团来增加其与革兰氏阳性菌脂磷壁酸的结合力，但形成的离子型受体构成了强的电荷转移态从而导致了荧光猝灭，因此DPNAP在革兰氏阳性菌脂磷壁酸表现为结合却不发光（More）；而由于革兰氏阴性菌与此类探针结合方式相对较弱，则表现为不结合也不发光（Less）；但对于真菌类微生物，DPNAP则表现为较好的结合力和优异的发光行为。加之，酮基水杨醛联肼（KSA）基团的引入，使分子结合了ESIPT材料的荧光特性，并借助外围的基团旋转受限获得了强的聚集态荧光量子产率及AIE特性。进一步地，基于其优异的敏化产生活性氧的能力及胜利环境下一定的电正性，该体系表现出针对不同微生物的多样抗菌行为。此外，体外和体内实验进一步表明该探针对临床耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（超级细菌）的抑制和治疗效果显著，该多功能纳米探针在临床感染治疗中及微生物筛选中具有巨大的应用潜力。该成果以题为“More is less: Creation of pathogenic microbe-related theranostic oriented AIEgens”发表在Biomaterials上。

【图文导读】

Figure 1.DPNAP的设计原理，以及DPNAP、O-DPAS、DO-DPAS、DPNAS、DO-DPNAS的化学结构

Figure 2.DPNAP光物理性质和微生物成像

（A）DPNAP在不同水含量的THF /水混合溶液中的荧光光谱 （B）水中DPANP的粒径分布 （C）DPNAP在中性和酸性水溶液中的荧光光谱 （D）活性氧探针DCFH在加入DPNAP后暗处及光照条件下的荧光强度 （E-K）酿酒酵母菌，白色念珠菌，金黄色葡萄球菌，粪肠球菌，枯草芽孢杆菌，铜绿假单胞菌，大肠杆菌（L）及混合微生物样品与与DPNAP作用后的CLSM成像结果

Figure 3.探针的抗菌性能研究

（A-C）不同浓度DPNAP在黑暗和白光条件下对金黄色葡萄球菌，白色念珠菌和大肠杆菌的抑菌率 （D-F）金黄色葡萄球菌，白色念珠菌和大肠杆菌在与DPNAP作用后暗处及光照条件下的（SEM）图像 （G）不同处理方式的微生物滤液核酸浓度

Figure 4. 选择性抗菌行为研究

（A）用不同处理混合微生物（金黄色葡萄球菌，白色念珠菌和大肠杆菌）的NB平板照片 （B）DPNAP在黑暗及光照条件下对混合微生物的抑菌率 （C）使用不同条件处理的MRSA NB平板照片 （D）头孢噻吩和DPNAP对MRSA的抑菌率

Figure 5.活体抗菌实验

（A）不同处理方式下受MRSA感染的小鼠伤口的照片，以及（B）感染区域的大小以及（C）小鼠体重（D）抗菌实验完成后伤口的组织学显微照片

【小结】

在实际应用中，对病原微生物的快速鉴别和靶向治疗的要求很高。基于对微生物细胞结构差异的理解，作者设计并制备了一种新型多功能纳米荧光探针用于真菌选择性成像及抗菌应用。通过引入二乙氨基，使得其对酸有响应性且增强了其与微生物的结合能力。由于革兰氏阳性菌的脂磷壁酸与探针的二乙氨基部分之间具有超强的亲和力，因此被离子化后，形成了强的电荷转移态从而导致了荧光猝灭；而对于革兰氏阴性菌，其弱的亲和力导致无荧光信号的产生。此外，该探针分别显示出对真菌的光活化杀伤和对革兰氏阳性细菌的光增强抑制的多种抗菌行为，从而有可能实现对微生物的筛选。此外，体外和体内证据证实了其对临床耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌的有效抑制。这些结果使其在临床药物敏感性试验和感染治疗中具有巨大的潜力。

文献链接：More is less: Creation of pathogenic microbe-related theranostic oriented AIEgens, Biomaterials, 2021, DOI:10.1016/j.biomaterials.2021.120725

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