扬州大学《Adv. Sci.》：二价铂-有机配合物光敏剂用于耐药菌的高效杀伤及构效关系研究

【文章要点】

抗生素的不当使用可造成耐药性细菌的产生，对人类生面健康造成了极大危害。针对此问题，光动力疗法在实现高效杀菌的同时可有效避免耐药性细菌的产生。作为光动力疗法的要素之一，光敏剂的作用为吸收光能敏化氧气产生活性氧物种（ROS），所以光敏剂设计及构效关系研究是提高其治疗效果的中药因素之一。在光敏剂中引入过渡金属元素（如铂及钌）可有效提高其系间穿越效率，使得活性氧物种的产率提高。目前已有含铂光敏剂用于光动力抗菌的研究报道，但其构效关系研究尚有待于进一步探索。

最近，扬州大学化学化工学院（创新材料与能源研究院）庞欢教授/王赪胤教授、扬州大学护理学院张瑜教授和崇辉助理研究员设计制备了氟硼二吡咯（BODIPY）二价铂络合物的顺反异构体，并探索了及解释了在光动力抗菌中的构效关系。其中顺式异构体（cis-BBP）具相较于反式异构体（trans-BBP）具有更强的光动力抗菌能力：针对多重耐药性鲍曼不动杆菌，cis-BBP的有效抗菌浓度为400 nM（抗菌效率99.9%, 12 J/cm²）；针对甲氧西林耐药性金黄色葡萄球菌的有效抗菌浓度为100 nM（18 J/cm²）。trans-BBP与顺cis-BBP针对多重耐药性鲍曼不动杆菌和甲氧西林耐药性金黄色葡萄球菌的90%最小抗菌浓度比分别为24.02和22.36。在小鼠创伤模型中，顺式配合物能够显著促进小鼠伤口的愈合，并且未体现显著的生理毒性。该研究表明cis-BBP是一种潜在的广谱性光动力抗菌试剂。同时，二价铂的构型可以显著影响在含铂类光敏剂的光动力治疗效效率。该研究题目为“Organo-Ptii Complexes for Potent Photodynamic Inactivation of Multi-Drug Resistant Bacteria and the Influence of Configuration”发表于《Advanced Sciences》。

图1 顺反异构体的结构及其光动力抗菌示机理示意图。

光谱实验表明cis-BBP相比于trans-BBP具有更高的单线态氧¹O₂敏化生成效率，二者的产率分别为34.25%和79.74%（图2）。TDDFT计算表明cis-BBP相比于trans-BBP具有更高的旋轨耦合常数和更低的单线态-三线态能隙。因此，cis-BBP具有更高的系间穿越可能性，在理论上支持了两种异构体敏化产生¹O₂的能力差异。

图2 配合物的光物理/化学表征

由于ROS具有较短的寿命和较小的有效活性范围，光敏剂的细胞器定位能力同样决定其抗菌效率。如图3所示，cis-BBP主要分布于两种细菌的细胞壁上，而trans-BBP则跨过细胞壁分布于胞浆中。施加光照后cis-BBP敏化产生的活性氧可造成细胞壁的破坏。而trans-BBP无明显细胞器靶向性，敏化产生的¹O₂利用效率相对较差。因此，cis-BBP可能具有更高的潜在光动力抗菌效率。

图3 两种配位化合物的细菌结合的激光共聚焦荧光显微照片

等温滴定量热法测试表明两种配合物与细菌结合的模式存在较大差异。如图4所示，cis-BBP与两种细菌结合过程中产生了较大的焓变（鲍曼不动杆菌为-3.89 kcal mol^-1；金黄色葡萄球菌为-3.17 kcal mol^-1），trans-BBP与两种细菌结合的焓变分别为-0.98 kcal mol^-1和-1.76 kcal mol^-1。而trans-BBP与两种细菌结合的熵变相对较大，说明cis-BBP主要通过静电和氢键相互作用于细菌相互作用，而trans-BBP则主要通过疏水作用于细菌相互作用。

图4 两种配合物与两种细菌相互左右的等温量热滴定曲线

如图5所示，两种配合物在光动力杀菌中存在较大效果差异。浓度为400 nM的cis-BBP在100 mW/cm²的光照强度下5分钟对多重耐药性鲍曼不动杆菌的杀伤率>99.99%。而同样条件下trans-BBP的杀伤效率为74.89%。浓度为250 nM的cis-BBP在同样光照条件下对甲氧西林耐药性金黄色葡萄球菌的杀伤效率>99.99%，trans-BBP的杀菌效率则为80%。这种效率差异的原因为上述¹O₂和细胞器定位能力共同作用的结果。

图5 两种配合物针对两种细菌种光动力杀菌效果

如图6所示，cis-BBP在光照条件下表现出明显的小鼠细菌感染伤口愈合促进效果。第14天时，对照组的平均愈合率为78.47%，而cis-BBP光照组则为96.73%。伤口处H&E组织切片结果显示cis-BBP光照组中出现明显的真皮、表皮及毛囊生长。免疫荧光实验结果显示cis-BBP光照组中促炎因子CD68表达量显著降低，抗炎因子CD163和血管生成因子VEGF的表达量显著提高。

图6 小鼠伤口感染模型的伤口恢复，伤口组织H&E染色及免疫荧光染色

【小结与展望】

该研究制备了两种互为顺反异构体的二价铂-有机配合物光敏剂，其中顺式光敏剂表现出优越的光动力耐药性细菌杀伤效果，而反式配合物的效果相对较差。其抗菌效果差异的原因在于：1.顺式配合物具有更高的单线态氧敏化产生能力，2.顺式配合物具有良好的细胞壁/膜定位能力。同时顺式光敏剂在小鼠伤口感染模型中表现出良好的伤口愈合促进能力。更重要的是，本研究在一定程度上探索了铂-有机配合物光敏剂抗菌效果中的构效关系，为今后此类光敏剂设计提供了一定的参考。

扬州大学庞欢教授，王赪胤教授，张瑜教授为本文的通讯作者，崇辉助理研究员为第一作者。硕士毕业生刘煊崴，房司雨，博士研究生杨晓飞等参与了本项研究。本研究得到国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的支持。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202306936