有機(jī)光抗菌劑的原理、分子設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究進(jìn)展
微生物感染一直是對(duì)人類健康的重大威脅，造成了極高的死亡率，是許多嚴(yán)重疾病的重要原因，如肺炎、膿毒癥和皮膚病等。隨著光抗菌劑 (PAMs) 和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光療因其侵襲小、不易產(chǎn)生耐藥等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是最有前途的微生物感染治療策略之一。有機(jī)光抗菌劑 (OPAMs)由于易于體內(nèi)代謝，具有較高的生物安全性，因此在治療微生物感染方面具有很大的潛力。為了對(duì)這一研究領(lǐng)域進(jìn)行及時(shí)的回顧，大連理工大學(xué)精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭孝軍院士團(tuán)隊(duì)綜述了基于有機(jī)光抗菌劑的光療策略，希望通過(guò)此綜述，有機(jī)光抗菌劑能夠繼續(xù)發(fā)展，并將在未來(lái)更廣泛地用于微生物感染，特別是在全球新冠疫情日益嚴(yán)峻之際。
首先，光療到底如何解決抗生素耐藥性呢? 第一，病原體中抗生素耐藥性的發(fā)展更有可能發(fā)生在特定的目標(biāo)結(jié)構(gòu)上，這被稱為“key-lock principle”。然而，光療是一種具有不同靶點(diǎn)的非選擇性策略，因此細(xì)菌難以對(duì)光療產(chǎn)生耐藥性。第二，與大多數(shù)抗生素不同，藥物內(nèi)化并不是光療的先決條件，從而進(jìn)一步克服了細(xì)菌的耐藥性。第三，OPAMs還可以與生物膜的主要成分相互作用，因此可以消除由生物膜引起的耐藥性。
根據(jù)OPAMs的作用方式，光療策略分為光動(dòng)力、光熱和光催化治療，產(chǎn)生的活性氧或熱可以與細(xì)胞膜發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)組分滲漏，有效殺滅細(xì)菌、真菌、病毒、寄生蟲(chóng)等多種微生物(圖1)。綜述中總結(jié)了目前常見(jiàn)的有機(jī)光抗菌劑的類型，例如，有機(jī)光動(dòng)力抗菌劑包括吩噻嗪類，BODIPY，氧雜蒽類，卟啉類等；有機(jī)光熱抗菌劑包括吲哚菁綠、聚多巴胺、PEDOT、聚吡咯和聚苯胺等；有機(jī)光催化抗菌劑包括g-C3N4和共價(jià)有機(jī)框架（COF）等。
圖1.抗菌光療產(chǎn)生ROS或熱的光化學(xué)反應(yīng)示意圖
有機(jī)光抗菌劑是光療發(fā)揮高效抗菌作用的關(guān)鍵，因?yàn)樗鼤?huì)高度影響治療的療效、選擇性和安全性。接下來(lái)，綜述概述了如何設(shè)計(jì)高效的有機(jī)光抗菌劑。首先，可以通過(guò)對(duì)有機(jī)光抗菌劑進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾和改造，使其達(dá)到適宜的脂水分配系數(shù)、低毒、高選擇性、高光轉(zhuǎn)換效率以及有效的組織穿透等目的。例如，可以通過(guò)使用帶正電荷的基團(tuán)修飾，或者是將中性或陰離子的光抗菌劑連接到帶正電的聚合物上，從而增強(qiáng)與細(xì)菌的反應(yīng)。同時(shí)，對(duì)于光動(dòng)力治療而言，引入重原子/雜原子都是能有效提高活性氧產(chǎn)率的策略。對(duì)于光催化治療而言，進(jìn)行形貌調(diào)控、缺陷工程以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)建均是提高有機(jī)光催化抗菌劑治療效果的方法。 最后，通過(guò)與納米載體、多肽、抗體、噬菌體等細(xì)菌靶向技術(shù)的結(jié)合，也可以提高有機(jī)光抗菌劑的抗菌能力。
最后，作者總結(jié)了有機(jī)光抗菌劑作為治療藥物應(yīng)用于局部感染、傷口敷料和從醫(yī)療設(shè)備中生物膜清除等場(chǎng)景。并且未來(lái)的研究還應(yīng)該尋找更多有機(jī)光療可能會(huì)應(yīng)用的場(chǎng)景，例如食品抗菌處理方面具有潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；其次，生產(chǎn)抗感染醫(yī)療用品，如手套和外科口罩，是有機(jī)光抗菌劑的另一個(gè)可能應(yīng)用，特別是在全球新冠肺炎疫情日益嚴(yán)重的當(dāng)下。
這一成果近期發(fā)表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是大連理工大學(xué)博士后冉蓓，博士研究生王作凱和博士研究生蔡文琳，大連理工大學(xué)彭孝軍教授為通訊作者。
論文信息：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.1c08679
Organic Photo-antimicrobials: Principles, Molecule Design, and Applications
Bei Ran, Zuokai Wang, Wenlin Cai, Lei Ran, Wenxi Xia, Weijian Liu, and Xiaojun Peng*
J. Am. Chem. Soc, 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c08679
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