JACS：唐本忠院士、王东教授为AIE分子插上翅膀，用于细菌生物膜的“发光发热”

细菌感染对全球人类健康构成严重威胁，每年导致数百万人患病和死亡。抗生素的流行和滥用导致了抗生素耐药性病原体的进化，严重削弱了治疗效果。细菌生物膜是包裹在保护性细胞外聚合物（EPS）基质中的细菌细胞的结构化微菌落，它的形成为游离细菌提供了一个隔离的生活环境。EPS在成熟生物膜中的屏蔽作用通过阻碍抗生素的渗透和扩散来保护驻留的细菌免受攻击，导致治疗从根本上具有挑战性。已证明，超过80%的细菌感染与生物膜的形成直接相关，且生物膜需要高剂量的抗生素（高达1000倍）才能治愈。尽管通过去除感染组织获得了很高的治疗效果，但由于侵入性干预，很难让患者满意。因此，开发新的抗菌策略迫在眉睫。

光热疗法（PTT）具有无创性、可控性、广谱杀菌能力和令人满意的抗菌效率等优点，为治疗传染病开辟了新的可能性。光热剂（PTAs）通过将吸收的光能转化为热，产生的热能够解离生物膜的顽固结构，从而促进抗菌剂的渗透。此外，PTAs诱导的局部高温效应会破坏细菌膜的完整性，扰乱生物大分子的生理功能，从而导致细菌死亡。更为重要的是，PTT不依赖于PTAs的细胞内化，从而降低了引起耐药性的可能性。因此，可以将PTT应用于细菌生物膜相关感染。

通常采用两种策略促进有机PTAs的热生成。第一种策略是提高有机小分子的摩尔吸收系数。如一直在研究的平面π-共轭分子（吲哚菁绿、亚甲基蓝和花菁染料）。然而，这些平面结构分子由于其对热降解和光漂白的敏感性而存在治疗性能差的缺点。另一种策略是对激发态分子内运动的进行研究开发高效的PTAs。已有研究表明，用足够的分子转子设计PTAs，该转子可以允许强烈的分子内运动，促进热量的产生。此外，多个转子的存在能够扭曲分子骨架，从而抑制聚集态中的π-π堆积，产生聚集诱导发射（AIE）现象，用于荧光成像。具有AIE特性的螺旋桨状PTAs具有较大的Stocks位移，这使得它很容易在近红外二区（NIR-II，1000−1700 nm）中实现发射和高稳定性。但构建用于消融细菌生物膜相关感染的NIR-II AIE体系仍然是一个巨大的挑战。

基于此，近日，深圳大学唐本忠院士、王东教授研究团队、浙江大学金桥副教授合作利用多个三苯胺（TPA）或四苯乙烯（TPE）转子的强烈分子内运动，设计了具有平衡非辐射跃迁（用于传导PTT）和辐射衰减（在NIR-II光学窗口中提供荧光）的蝶形聚集诱导发射发光体（AIEgens），用于细菌生物膜的成像及光热消除。为了追求良好的水分散性和生物膜粘附能力，将预合成的AIEgens包封到阳离子脂质体中，形成的AIEgens纳米颗粒在808 nm激光照射下，可以根除由革兰氏阳性菌（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和粪肠球菌）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌和铜绿假单胞菌）形成的广谱生物膜。体内实验有力地证明， NIR-II AIE脂质体在铜绿假单胞菌生物膜诱导的角膜炎小鼠模型和MSRA生物膜诱导皮肤感染小鼠模型中都具有优异的生物相容性。

该研究以题为“Adding Flying Wings: Butterfly-Shaped NIR-II AIEgens with Multiple Molecular Rotors for Photothermal Combating of Bacterial Biofilms”发表在《JACS》期刊上。

图1. 根除细菌生物膜相关感染的NIR-II AIE脂质体制备示意图。

图2. 分子设计和光物理性质表征。

图3. AIE脂质体的体外抗菌膜研究。

图4. 铜绿假单胞菌生物膜诱导角膜炎模型中的体内PTT研究。

图5. MRSA生物膜诱导伤口感染模型中的体内PTT研究。

综上，研究者通过采用苯并[c]噻吩部分作为构建块，巧妙地设计了三个具有优异近红外光吸收效率的蝶形NIR-II AIEgen。利用足够的分子转子和强大的扭曲分子内电荷转移，所获得的分子在NIR-II区域表现出良好的光热转换效率（PCE）和增强的荧光强度，使它们能够用于生物物质相关感染的成像辅助治疗。为赋予AIEgens在水中的分散性和对生物膜的粘附性，研究者将其封装到阳离子脂质体中。在808 nm激光照射下，体外实验表明，2TPA2TPE-TQ脂质体对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌培养的生物膜具有良好的光热消除作用。在铜绿假单胞菌生物诱导的角膜炎模型和MSRA生物膜诱导的皮肤感染模型中进行的进一步体内研究再次证明了其优越的光热杀菌性能和良好的生物相容性。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.3c09058