靶向释放预先储存的活性氧的递送策略可提高抗菌光动力疗法便捷性

  微生物已经显示出对传统抗菌剂的快速耐药性，主要是由于它们的单一抗菌作用模式。抗菌光动力疗法(aPDT)是当今世界应对多种抗菌药物耐药细菌挑战的重要医疗工具。这种形式的治疗通过原位产生活性氧(ROS)在局部起作用，同时攻击致病靶标中的各种生物分子位点，因此提供针对多个和可变位点的抗菌作用。这种对靶标的非特异性规避了传统的耐药机制，并抑制了对药物本身的耐药性发展。

  由于辐照所需光的组织穿透性差，或者组织深部氧气浓度低而导致ROS生成效率受限，需要依赖辐照和氧气的传统光动力疗法以及需要依赖氧气的声动力疗法在深部组织细菌感染治疗应用上受到了限制。

  吡啶酮与单线态氧1O2反应而生成的稳定吡啶内过氧化物，可无需依赖氧和辐照的情况下释放1O2。基于吡啶内过氧化物与光敏剂结合的光动力疗法未能摆脱光穿透深度和氧依赖性问题的限制。因此，研发不受氧气或光限制，以及能主动靶向细菌的预辐照单线态氧递送系统，对于深部组织细菌感染治疗将具有重要意义。

  近期，来自北京化工大学的研究团队在《Angewandte Chemie International Edition》上发表研究工作“A Targeting Singlet Oxygen Battery for Multidrug-Resistant Bacterial Deep-Tissue Infections”。在该研究工作中，研究者们利用金黄色葡萄球菌靶向肽CARGGLKSC与吡啶酮衍生物Py-COOH通过酰胺化反应，开发了一种靶向单线态氧传递系统CARG-Py。研究者们以单线态氧1O2产率高且水溶性好的亚甲基蓝作为预辐照光敏剂，用于产生1O2。CARG-Py可将预辐照处理产生的1O2加载后形成单线态氧电池CARG-1O2。在没有外部辐照或氧气的情况下，CARG-1O2可在靶标处释放单线态氧1O2(图1)。

  图1. 单线态氧电池CARG-1O2的生成及其在体内深部感染耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)组织中的抗菌作用示意图

  图2. 1O2在单线态氧电池CARG-1O2中的加载与释放

  通过电子自旋共振(ESR)光谱、紫外分光光度计和核磁共振氢谱(1H NMR)等表征分析，证明了CARG-Py可加载1O2而转变为单线态氧电池CARG-1O2;在没有外部辐照的情况下，CARG-1O2可在30 min内持续释放1O2;CARG-1O2释放1O2完后，可继续通过辐照而实现多次的单线态氧加载与释放循环(图2)。

  图3. 单线态氧电池CARG-1O2的选择性抗菌作用

  体外抑菌实验结果表明，与未经过预辐照处理的CARG-Py相比，CARG-Py经过预辐照处理后而形成的CARG-1O2显示出明显的抑制金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌作用;与未结合金黄色葡萄球菌靶向肽的Py-COOH-1O2相比，结合靶向肽后的CARG-1O2 显示出明显更强的抑制金黄色葡萄球菌作用(比前者强20倍)，而对枯草芽孢杆菌的抑制作用只是略微更强一些，这表明靶向肽可使单线态氧的有效释放和作用具有选择性，从而使CARG-1O2具有明显的靶向抑制金黄色葡萄球菌作用;与未经过预辐照处理的CARG-Py相比，CARG-1O2 也显示出明显的抑制MRSA作用(图3)。

  图4. 单线态氧电池CARG-1O2的抗菌机理

  通过使用可检测细菌细胞内ROS产生的荧光探针DCFH-DA进行对比分析研究，证明了CARG-1O2产生的1O2可成功进入靶标MRSA菌细胞内，从而发挥抗菌作用。通过使用PI对比染色分析以及使用扫描电镜对比观察细胞形态研究，证明了CARG-1O2产生的1O2可通过破坏靶标MRSA菌细胞内膜而抗菌。通过凝胶电泳对比分析靶标MRSA菌DNA和蛋白质提取物以及使用显色底物对比分析靶标菌胞内酶活性研究，证明了CARG-1O2产生的1O2可破坏靶标菌胞内DNA、蛋白质和酶等多种生物分子(图4)。

  图5. 单线态氧电池CARG-1O2的抗生物膜作用

  与未经过预辐照处理的CARG-Py相比，CARG-Py经过预辐照处理后而形成的CARG-1O2在浓度达到16 μmol/mL时显示出明显的抑制生物膜内MRSA菌活性作用，以及抗MRSA生物膜作用(图5)。

  图6. 单线态氧电池CARG-1O2在体内对MRSA性肺炎的治疗作用

  图7. 单线态氧电池CARG-1O2在体内对MRSA性肺炎治疗时的炎症性细胞因子表现

  MRSA引起的肺炎代表着一种深部组织细菌感染。在患此种肺炎的小鼠模型体内对比实验中，通过给药后肺组织匀浆物的菌落平板计数，肺组织的革兰氏染色，血液相关细胞和炎症因子分析，心脏、肝脏、脾脏和肾脏组织的H&E染色的研究表明，使用CARG-1O2可起到有效的抗菌和消炎作用，同时不会引起系统性毒性反应(图6和7)。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202306803