病原性细菌及其生物被膜引起的感染性疾病对人类的健康产生巨大的威胁。目前治疗细菌和生物被膜感染的主要策略仍是大量使用抗生素[1]。在过去的80年里，虽然抗生素为抵抗细菌的感染起着重要作用，但其过度使用导致细菌产生耐药性。如今，耐药菌已成为威胁人类生命健康的世界性难题[2]。但是一种新抗生素的开发和应用的时间较长，往往跟不上耐药细菌的进化速度，因而细菌抗生素耐药性问题日益严重[3]。细菌不仅可通过基因突变或外源基因的水平转移获得对抗生素的耐药性[4],还可以通过形成细菌生物被膜来增加对药物的抗性[5]。植入物生物被膜感染通常需要通过清创术更换感染的植入物，同时使用高剂量的抗菌素进行治疗[6]。这些策略的治疗时间长且治疗过程的花费高，感染复发的概率也极高。因此，开发安全的替代治疗方案迫在眉睫。

为对抗细菌和生物被膜的感染，抗菌光动力疗法(aPDT)[7]、光热疗法(PTT)[8]、化学动力疗法(CDT)[9]、声动力疗法(SDT)[10]和联合疗法[11]受到了广泛的关注。aPDT在对抗“超级细菌”和生物被膜感染的研究中得到广泛应用。这得益于其良好的非侵入性、非特异性以及不易引发细菌耐药性等优势[12]。

2001年，唐本忠院士课题组发现了与传统有机荧光探针的聚集导致发光猝灭(Aggregation-caused quenching, ACQ)效应相反的现象，并首次提出了聚集诱导发光(Aggregation-induced emission, AIE)的新概念[13,14]。基于革兰氏阳性(G+)菌和革兰氏阴性(G-)菌细胞壁的不同结构，可通过设计具有特殊结构的AIE荧光分子(AIEgens)选择性地“点亮”细菌。AIE的光敏作用和药物疗法联用可实现荧光指引的抗菌治疗。因此，基于AIE的光动力治疗(Photodynamic therapy, PDT)已成为抗菌治疗的有效手段之一[15]。

紫外线(200～400 nm)对生物组织的穿透性较弱，且长时间受紫外线的照射可能会产生致癌作用[16]。可见光(400～750 nm)虽然对生物组织没有毒副作用，但其对生物组织的穿透深度有限，治疗的范围较小，仅适用于治疗表面的感染，如皮肤感染和伤口表面的感染，但对于植入物如血管支架、人工关节等引起的感染则束手无策。相比之下，近红外光(NIR,750～2000 nm)具有光毒性较低、生物组织穿透深度深、背景信号降低等优点，更适合生物应用，被称为生物组织的“光学窗口”[17,18]。因此，基于NIR光辅助的杀菌策略具有广阔的应用前景，已被广泛报道用于治疗细菌炎症、辅助伤口快速愈合、促进组织再生等[19,20]。

本文对近红外发光的AIE分子在光动力抗菌的研究进展进行简要综述，总结了基于AIEgens的光敏剂(AIEgens-based photosensitizers, AIE-PSs)在细菌和多重耐药性细菌抗菌治疗中的应用研究，为相关研究提供理论支撑，并对目前研究中存在的问题及其应用前景进行探讨和展望。

1、抗菌光动力疗法的机理

aPDT是一种通过光敏剂将光能转换为化学能，产生活性氧(ROS)对疾病进行治疗的技术，具有非侵入性、低副作用和靶向特异性等优点[21,22]。虽然迄今为止aPDT的研究已进行了100多年，但上世纪抗生素的发现和成功应用，使aPDT的研究陷入低迷。近几十年来，光动力研究主要集中在癌症治疗上[23,24]。目前，PDT已应用于临床治疗口腔细菌感染等局部顽固性感染性疾病。随着耐药菌对传统抗生素的耐药性不断增强，aPDT因其独特的优势而受到研究者们的关注[25]。aPDT在破坏生物被膜/细菌细胞壁方面显示出巨大的应用潜力，被认为是治疗细菌感染最有前途的方法之一。此外，aPDT还能够和其他抗菌方法联合使用，以弥补各自的缺点，达到协同杀菌效果，特别是治疗由多重耐药(MDR)细菌引起的感染[26]。

aPDT机理如图1所示。细菌感染部位富集的光敏剂在适宜波长的光照射下，产生单线态氧(1O2)、超氧阴离子(·O2-)、羟基自由基(·OH)、过氧化氢(H2O2)等ROS[27]。利用其高氧化活性氧化关键的亚细胞物质，如膜蛋白、质膜和细胞器，影响细菌的代谢和基本功能，最终导致细菌的失活。aPDT的多靶向作用赋予其广谱抗菌性，能够有效避免细菌耐药性的产生[28]。

图1 光敏剂在适当光照下的aPDT机制[12]  

在分子水平上，aPDT主要由两种机制调节，即I型和II型(图1)。对于I型机制，在适宜波长的光激活下，光敏剂分子从基态跃迁到单线态，并通过系间窜跃(ISC)到达三线态。三线态的光敏剂分子与周围环境中的底物分子(O2)之间发生电子转移反应，被激活的氧分子形成高活性的氧自由基，如·O2-和·OH。I型反应主要在细菌细胞膜上进行，通过氢泵反应置换不饱和磷脂分子。磷脂分子进一步与氧发生反应形成脂质过氧化物，破坏细胞膜的结构完整性并增加其离子渗透性[29]。在II型机理中，三线态的光敏剂分子也可以与O2进行能量转移，形成单线态氧。单线态氧作为活性氧物种中最有效的活性分子之一，可以直接通过氧化反应损伤生物分子(如多肽、酶、不饱和脂质以及其他细胞成分),有效杀死细菌[30]。

2、AIE在抗菌中的应用

2.1 AIE的发光机理

由于荧光光敏剂的固有荧光、卓越选择性和灵敏度，它可以在单一平台上提供荧光成像(FLI)与靶向PDT,被公认为精确诊断和治疗疾病的强大工具[31,32,33]。然而，大多数传统光敏剂是疏水的，在亲水的生理环境中容易聚集引起猝灭(ACQ)现象。ACQ导致荧光猝灭和ROS产生不足，严重阻碍了荧光光敏剂在成像和治疗中的应用。相反，AIEgens在聚集状态下产生强烈的荧光和丰富的ROS,但在单分子状态下不发光[34,35]。为了解释这种现象，Tang等[13]提出了AIE的概念，同时还提出分子内运动受限(RIM)作为AIE的机制。根据运动模式的不同还可细分为分子内转动受限(RIR)和分子内振动受限(RIV)(图2(a))[36]。AIEgens通常含具有自由旋转或动态振动的结构。当AIEgen溶解在良溶剂中时，自由旋转或动态振动的结构会进行低频运动。这种分子运动以非辐射途径快速耗散激子能量，从而导致AIEgens在溶液状态下不发光。而在聚集状态下，由于分子内运动的限制阻碍了非辐射衰变途径，能量会以光的形式释放。AIEgens通常具有高度扭曲的结构和丰富的旋转和振动部分[37]。RIM机制现已被科学家们广泛认可，根据该机制，理论上任何可以限制AIEgens分子内运动的操作都可以增强荧光发射[38],促进ROS的生成[39]。能量除了以光的形式释放，激子还可通过其他途径失活。例如，从单线态(S1)到最低激发三线态(T1)的非辐射ISC,以释放能量。随后，电子或能量再转移到三线态氧，产生毒性的ROS[40,41]。传统的光敏剂聚集后会因π-π堆积而导致荧光和ROS生成显著减少。而AIEgens具有聚集增强荧光和聚集诱导产生ROS(AIG-ROS)的独特优势，这使其在细菌性感染诊断和FLI引导aPDT方面具有巨大优势[42]。

图2 (a)分子内运动受限(RIM)的AIE机制示意图[15]; (b)AIE的典型例子TPE、环八四噻吩(COTh)和TPEDC[43]

通过对AIEgens结构的巧妙设计(图2(b)),可获得一些具有特殊功能的AIEgens, 如在特定波长的照射下产生ROS的AIE光敏剂、具有特殊靶向作用的AIE光敏剂等，开发荧光成像引导的光动力疗法。与传统抗生素相比，AIEgens具有广谱性，可以通过光动力治疗产生的ROS破坏细菌的外部结构，扰乱其新陈代谢，从而导致细菌甚至是耐药细菌的死亡[44]。

2.2 用于近红外光动力抗菌治疗的AIEgens

荧光成像引导的光动力疗法(FL-PDT)是一种新兴的光动力疗法，将诊断和治疗功能一体化，有效地增强了治疗的精准性。近年来，AIEgens与PDT、PTT和光声成像(PAI)等新兴技术相结合，在体内成像和图像引导手术方面的巨大潜力逐渐显现出来[45,46,47,48]。AIE-PSs不仅表现出较好的荧光发射能力，而且在聚集状态下具有高效的ROS生成能力，这使它们成为FL-PDT的理想材料[49,50]。2014年，AIE材料首次被Liu等[51]用作图像引导PDT的光敏剂，作为PDT应用的前沿材料引起了全世界的广泛关注。生物大分子在受到激发光激发后(尤其是紫外光),也会发出微弱的荧光，产生的背景荧光会对荧光成像造成一定的影响。特别是当被检测的细菌深藏于组织内部，则需要较高能量的激发光源。激发光源能量越高，产生的背景噪音越强。而生物组织对红光和NIR光具有高散射、低吸收的特性，因此生物组织不易被NIR光激发产生背景干扰。无论是抗菌还是治疗癌症，红光和NIR光波长是光动力疗法的首选。众所周知的光敏剂，例如二氢卟吩、细菌卟吩、酞菁和吩噻嗪类染料的衍生物，可以非常有效地吸收该范围的光[52,53,54];红光和近红外光比短波长的光穿透皮肤的深度明显更深[55];到目前为止，还没有研究表明红光和近红外光对细胞具有毒性[56]。在现有的成像技术中，远红外(FR)/NIR荧光显微镜具有更深的穿透力、更高的灵敏度和更好的分辨率，适合生物实体的研究[57]。由于NIR对细胞造成的光损伤小、组织穿透深、荧光背景小以及自发荧光低，具有NIR光吸收/发射功能的AIE-PSs被认为更有利于FL-PDT[58,59]。因此，有效治疗迫切需要具有高效ROS生成和NIR波长发射的AIE-PSs。

研究表明，增加供体-受体(D-A)强度不仅可以有效增强分子内电荷转移(ICT)效应，使荧光发射波长达到NIR区[60],同时也有助于最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)分布的分离，间接促进ISC过程，从而更有效地产生1O2。基于这一原理，Li等[61]将甲氧基取代的四苯基乙烯(MTPE)引入给体部分，受体部分除了强吸电子的氰基之外，还引入了吡啶鎓和喹啉鎓。在π桥上引入的3,4-乙撑二氧噻吩(DT)结构中，氧原子与噻吩之间的p-π共轭进一步增加分子的电子云密度，间接增强分子的D-A强度，合成具有D-π-A结构的AIEgens (MTPE-DT-Py, 图3(a))。MTPE-DT-Py生成1O2的效率是玫瑰红的5.9倍，并且具有高效的线粒体靶向能力，在白光照射下可选择性地灭活金黄色葡萄球菌。

图3 (a)具有D-π-A共轭结构的化合物的分子设计策略[61];(b)设计化合物的分子结构及其在体外和体内应用的示意图[7]  

Zhou等[62]设计并合成了一种AIE活性苯并噻二唑和TPE的共轭聚合物(PTB-APFB,式(1))。通过在骨架中引入D-π-A结构并在侧链中引入4-叠氮全氟苯甲酸(APFB)基团，使其能够有效地在其聚集体中产生ROS和自由基。与低质量模型化合物和常见光敏剂Ce6相比，该聚合物表现出较高的ROS生成能力。此外，其平衡的亲水性和疏水性结构使PTB-APFB对微生物的选择性远高于哺乳动物细胞。

Kang等[7]合成了一系列D-A推拉作用有序增强的三苯胺(TPA)衍生物(图3(b)),其中三苯胺噻吩吡啶(TTPy)能选择性对G+菌染色并产生大量的ROS,但对G-菌无响应。G+菌的肽聚糖层可通过静电相互作用与带正电荷的AIE分子结合，导致分子内运动的限制和荧光开启。而G-菌的磷脂膜与AIEgens的相互作用较弱，对AIEgens的运动没有足够的限制。体外和体内实验均证明，TTPy可选择性地对G+菌(金黄色葡萄球菌)成像，并可通过aPDT策略根除、抑制伤口的细菌感染。

氰基可通过氢键、共价作用、极性作用、π-π作用和静电相互作用来增强与靶蛋白的结合亲和力。受此启发，Xiao等[3]将氰基引入TTPy, 通过与外磷脂膜形成氢键进一步限制分子内运动，实现G+菌和G-菌的点亮。Luo等[63]设计并合成了两种具有典型D-A特征的AIE分子(TBTPy和TBTCy)。与TBTPy相比，TBTCy有一个吸电子的氰基，因而具有增强的D-A效应，导致其发射光发生红移。因此，TBTCy能更高效地通过ISC达到延长的激发三线态，并通过I型机制产生ROS,降低了aPDT中对氧气的依赖性。实验结果表明，TBTPy的发射光强度比TBTCy更高，在病原微生物成像方面更具优势。TBTPy和TBTCy均可产生I型和II型ROS,实现涵盖G+菌、G-菌和真菌的广谱抗菌活性。

2.3 阳离子化的AIEgens在抗菌中的应用

基于季铵化合物的聚阳离子可破坏细胞膜完整性并使细菌酶失活，因而具有优异的抗菌性能[64]。Zhang等[65]开发了一种在聚集态下具有红外发光的AIE季铵阳离子光敏剂(AIE-TEA)。AIE-TEA的ROS量子产率高达83%,在超低功耗白光照射(20mW/cm2)下可有效产生ROS,对G+菌(金黄色葡萄球菌)产生不可逆的损伤。Lee等[66]选用含季铵阳离子基团的AIE光敏剂(TTVP)作为多功能探针，用于识别并追踪巨噬细胞吞噬的细菌和通过PDT消除细胞内的细菌而不攻击宿主巨噬细胞。Li等[67]设计并合成了一系列含季铵阳离子基团的AIEgens。三甲基胺基通过不同长度的烷基链与AIE基团相连。其中，烷基链长度为6个亚甲基的分子(TPA-S-C6-NMe3+)在光照下的杀菌效果最佳。随后，针对G+菌具有相对较厚的肽聚糖层，Lee等[68]在将苯硼酸结构引入到季铵盐官能化的酞菁染料(PcN4-BA)中，构建了能与G+菌的肽聚糖层结合的AIEgens (PcN4-BA)。它在水中自组装形成均匀的球形纳米颗粒。PcN4-BA通过硼酸的靶向作用与细菌结合，并在NIR照射下高效产生ROS对细菌进行杀灭。Tang等[69]设计并合成了一系列具有AIE特性的聚苯乙炔(PPE)衍生物CP0-CP2。其中二乙氨基取代的TPE单元作为长波长AIEgens源，烷基侧链作为功能化位点，含正电荷铵盐和季铵盐的CP1和CP2,可通过静电作用与细菌结合。带有季铵盐基团的CP2可在细菌细胞共孵育时优先对细菌成像，且比CP1具有更好的ROS产生效率，对G+菌和耐药菌具有高效的光动力杀伤能力。

2.4 基于AIE的复合材料在抗菌中的应用

虽然一些AIEgens可以通过修饰特定的基团或肽段增强其结合并杀死细菌的靶向性，但通过简单地修饰特定基团难以实现多功能一体化。为同时达到不同的目标，实现多功能性，构建基于AIEgens的纳米复合材料是一种潜在的解决方案。

受表面活性剂在制备纳米粒子中的指导作用的启发，Yan等[70]合成了一种NIR发光且能高效产生ROS的两亲AIEgens(MeOTTVP),并以MeOTTVP和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板通过一锅法制备有机SiO2纳米粒子(Ac-700)。Ac-700继承了MeOTTVP的NIR发光及ROS产生性能，在抗肿瘤和抗菌应用中均发挥重要作用。一方面在负载阿霉素(DOX)后，Ac-700实现了光动力和化学疗法的协同抗癌治疗。同时，主动靶向递送提高了抗癌疗效。另一方面在装载抗生素利福平(RF)后能够实现光动力疗法和化学疗法的协同抗菌治疗(图4(a))。将金黄色葡萄球菌、大肠杆菌与MeOTTVP共孵育，并加光照处理后，细菌的形态发生了塌陷和细胞膜的融合，表明细菌的死亡主要归因于ROS诱导的细胞壁破坏。当Ac-700-RF的浓度分别为4.0μg·mL-1和16.0μg·mL-1时，存活的金黄色葡萄球菌和顽固的大肠杆菌被完全杀死。抗菌实验证实了Ac-700-RF对细菌具有良好的杀伤效果。

图4 (a)AIE-ONs(Ac-700)的制备过程示意图，及其对肿瘤和 细菌有效治疗[70];(b) NGO-BSA-AIE NPs 的 制备过程示意图[71]   

为实现aPDT和PTT双模式光治疗，Zhang等[71]将纳米氧化石墨烯(NGO)的光热作用和AIE的光动力学作用进行整合。同时，为增强材料的生物相容性，在该光治疗体系中引入牛血清白蛋白(BSA),构建aPDT和PTT双模式光治疗剂(NGO-BSA-AIE NPs, 图4(b))。在NIR光照射下，NGO-BSA-AIE NPs不仅可示踪细菌，且抗菌效率在99%以上。

3、总结与展望

aPDT通过产生ROS对细胞产生杀伤作用，该抗菌手段不会导致病原体产生耐药性。同时，其非侵入性的治疗方式使其备受关注。相对于紫外/可见光，NIR光具有优异的组织深度渗透性和安全性，有利于构建光动力抗菌平台进行深度治疗。在本文中，我们总结了近年来NIR发光的AIEgens在aPDT上取得的进展。具体来说，综述了D-A结构的AIEgens、阳离子化的AIEgens以及与纳米材料复合的AIEgens在抗菌治疗中的发展，为该领域的后续研究提供了一定的总结和梳理。

虽然，近年来NIR发光的AIEgens在抗菌治疗的应用发展十分迅速，但仍有一些问题亟待深入研究。首先，AIEgens在生物体内的毒性和代谢情况尚未完全研究清楚。其次，AIEgens水溶性差，如何实现更深层次的渗透和有效递送是实现高效抗菌的一个关键问题。此外，AIEgens对多重耐药菌和生物被膜的杀伤作用不足。为获得更强的杀伤作用和靶向能力，应基于复杂的生物被膜微环境，开发对细菌感染微环境刺激响应的AIEgens。这些问题的完善和解决，将使AIEgens在aPDT的临床应用潜力逐渐发挥。

参考文献:

[23]张远东,张卓,董紫薇,等.化学通报,2023,86(2):173~178.

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[37]鲁会名,马拉毛草,马恒昌.有机化学,2023,42(12):4075~4105.

基金资助:国家自然科学基金项目(21905078,21907024);中国博士后科学基金面上项目(2023M730987);河南省博士后科研项目(HN2022035);河南理工大学博士基金(B2018-47,B2019-37);河南省高校基本科研业务费专项资金(NSFRF230407)资助;

文章来源:关意佳,秦洁一,郭慧,等.近红外发光的聚集诱导发光分子在抗菌光动力治疗中的应用[J].化学通报,2024,87(06):664-671.