病原微生物种类多样并且变异迅速,使得抗菌疗法一直面临着巨大的挑战.虽然抗生素对众多病原微生物感染有明确的治疗效果,但在抗生素与病原微生物的博弈中,抗生素已不再具有压倒性优势,以前容易对抗的许多病原微生物都出现了耐药性,致使感染导致的发病率不断增加.虽然人们还在竭尽全力开发新的抗生素,但其研发速度远远落后于病原微生物的变异速度,更严峻的是耐药性问题丝毫没有得到解决,反而越来越严重,出现了对数种抗生素都有耐药性的“超级细菌”,引起了全世界的警觉甚至恐慌.因此,开发新型不易产生耐药性的抗菌药物和抗菌方法已经迫在眉睫.
光动力抗菌化学疗法(Photodynamic Antimicrobial Chemotherapy,PACT),是结合光敏剂分子和可见光产生的活性氧物种对病原微生物进行灭活的一种抗菌方法,其作用机制与癌症的光动力疗法(Photodynamic Therapy,PDT)相似[ 1 ].早在一百多年前人们就观察到光照对细菌、病毒等微生物的灭活现象.然而在过去的一百多年中,光动力研究主要集中在对癌症等相关疾病的治疗,并发展出手术、化疗和放疗之外肿瘤临床治疗的第四种疗法——光动力疗法.相比之下,PACT的研究和应用却因上世纪中叶抗生素的发现而逐渐被遗忘,没有得到很好的发展.目前PACT在临床上主要应用于血液制品的消 毒,特别是对病毒的灭活[ 2 ].此外,在口腔科、骨科、皮肤感染等难治性的局部感染性疾病的治疗中PACT也发挥着突出的作用,被认为是特别适合治疗口腔内细菌感染和真菌感染的新方法[ 3 ].PACT的一个应用局限在于,治疗过程中光的施用仅适用于治疗局部感染,对全身性感染来说光在体内的传送存在很大难度.然而,PACT若能有效地替代抗生素用于治疗局部感染,就可以将抗生素重点用于治疗全身性的危重感染,这既能抑制病原体对这些抗生素产生耐药性,也能降低病人使用这类抗生素带来的昂贵治疗费用.此外,PACT主要依赖于光敏剂产生的活性氧物种对周围各种分子、组织、细胞等的氧化损伤,活性氧分子极高的氧化性使其没有特异性的靶目标,因而微生物不易产生对PACT的耐药性[ 4 ].随着新型光敏剂的开发和光纤技术的进步,目前PACT的研究和应用取得了一定的进展,已经成为针对细菌、真菌和病毒感染特别是耐药菌感染最有前途的新的治疗方式之一.
光动力杀菌在分子水平存在两种作用机制[ 1 ]:I型(Type I)反应和II型(Type II)反应.光敏剂分子在吸光之后从基态首先跃迁到短寿命的单重激发态,然后通过系间窜越到达寿命较长的三重激发态.三重激发态的光敏剂分子直接与底物发生抽氢反应或电子转移反应,生成自由基或自由基离子,这些自由基再和生物分子以及氧气分子反应生成氧化产物,这一过程称为I型机制,也称自由基机制.三重激发态的光敏剂分子还可以与氧气发生能量转移作用,生成单重态氧(1O2),高反应性的1O2迅速与邻近的生物分子反应并造成损伤,这一过程称为II型机制,也称单重态氧机制.I型机制主要发生在细菌的细胞膜,比如与不饱和磷脂分子发生抽氢反应,再进一步与氧气反应后生成脂质过氧化物,脂质过氧化反应导致细胞膜结构完整性破坏,离子通透性增加[ 5 ].II型机制则可以与细菌的其它靶分子作用,包括一些氨基脂、多肽、酶和受体等[ 6 ].通常情况下,II型机制被认为是光动力氧化杀伤细菌的主要途径,因而光敏剂分子的单重态氧量子产率是影响其光动力抗菌作用的重要因素.
在近几十年的PACT研究中,包括卟啉类、酞菁类和酚噻嗪类等在内的多种光敏剂表现出对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌很好的抗菌光动力活性.研究发现,大多数带负电荷和不带电荷的卟啉光敏剂只对革兰氏阳性菌有杀伤作用,而对革兰氏阴性菌的作用效果却十分不理想,两种细菌对光动力治疗敏感性的不同是由它们的结构差异造成的[ 1 ].革兰氏阳性菌的外膜由多层疏松多孔的的肽聚糖组成,小分子化合物及一些多糖、肽等生物分子能穿透这层膜进入细菌内部.相比之下,革兰氏阴性菌的肽聚糖层比较薄,但在其细胞壁外还有一层由带有负电荷的脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)和脂蛋白等组成的致密结构,这层外膜是非常有效的通透性屏障,使得革兰氏阴性菌对PACT十分不敏感.解决这一问题主要有以下两种方法:一是增加革兰氏阴性菌外膜的通透性,比如用含有多个正电荷的多粘菌素B(polymyxin B)或者金属离子络合剂EDTA等来破坏外膜的稳定结构,使其通透性增加[ 7 ];二是利用带正电荷的光敏剂与带负电荷的脂多糖间的静电相互作用来增强与革兰氏阴性菌的结合能力,进而提高其对PACT的敏感性.目前研究最为广泛的用于杀伤革兰氏阴性菌的光敏剂当属卟啉类光敏剂,对卟啉的结构修饰也千变万化,包括利用带正电荷的烷基链、多聚赖氨酸、糖类、抗菌多肽(如apidaecins)以及抗生素(万古霉素)等分子来进行结构修饰,以增强光敏剂与细菌的结合能力,进而提高光敏剂的光动力抗菌活性[ 8 ].此外,传统的吩噻嗪类(phenthiazinium)染料,如亚甲基兰(methylene blue)、甲苯胺蓝(toluidine blue)等阳离子光敏剂,与革兰氏阴性菌具有良好的亲和力,在创伤及口腔感染的动物实验和体内试验中表现出了很高的光动力抗菌活性[ 9 ].近年来,随着PACT受到越来越多的关注,对PACT光敏剂的开发和研究发展迅速,出现了一些具有很好光动力抗菌活性的新型光敏剂,本文重点介绍几种卟啉类和非卟啉类光敏剂在PACT中的研究进展. 1 卟啉类光敏剂
除了对卟啉骨架结构的修饰外,利用一些高分子聚合物、生物大分子及有机/无机纳米材料作为载体是近年来卟啉类光敏剂在光动力抗菌研究中的一个热点.
王树等[ 10 ]设计合成了一种带负电荷的水溶性聚噻吩化合物PTP,将其与带正电荷的卟啉分子TPPN通过静电相互作用形成复合物(图1).用400—800 nm的白光照射,具有光捕获作用的PTP高分子将能量有效地传递给TPPN,从而大大提高TPPN产生单重态氧的效率.并且,带净正电荷的PTP/TPPN复合物体系能与大肠杆菌(E. coli)和芽孢杆菌(B. subtilis)的外膜很好地结合,从而使该体系对这两种细菌的光动力杀伤更为有效.
Cola等[ 11 ]报道了一种表面共价键合酞菁类光敏剂(PC,红色)、表面修饰氨基(蓝色)、内部孔道装载荧光染料(DXP,绿色)的硅铝酸盐纳晶体系(图2).此种硅铝酸盐纳米晶体(L型沸石,内部多孔)粒径约50 nm,表面修饰的氨基在生理条件下为质子化状态,使纳晶表面带大量正电荷,能够靶向结合在带负电荷的细菌表面,光激发下纳晶表面的光敏剂分子可对细菌进行有效的光动力灭活,而纳晶内部的荧光染料则同时起到对细菌识别成像的作用.此体系对耐药性大肠杆菌(E. coli)及淋病奈瑟菌(N. gonorrhoeae)均显示出极佳的光动力抗菌活性,是一种集定位成像及光灭活能力于一体的多功能光敏药物.
此外,Cavaleiro等[ 12 ]将卟啉光敏剂共价键和在带正电荷的Fe3O4@SiO2核壳纳米颗粒的表面(图3),这种负载卟啉分子的磁性纳米颗粒在水溶液中具有很好的稳定性,并且
对于革兰氏阴性菌大肠杆菌(E. coli)、革兰氏阳性菌粪肠球菌(E. faecalis)以及T4噬菌体病毒都具有很好的光动力杀伤活性,这也是利用磁性纳米颗粒作为卟啉光敏剂载体应用于PACT的首次报道.
王雪松等[ 13 ]利用细胞色素c(cytochrome c)这一天然蛋白质分子作为卟啉光敏剂的载体(图4).细胞色素c含有19个赖氨酸残基,在生理pH条件下带净正电荷,提高了其分子结构中的血红素(heme)对革兰氏阴性菌E. coli外膜的结合能力.细胞色素c通过简单的脱铁处理后得到去铁细胞色素c,使其结构中卟啉的单重态氧产生能力被激活,从而实现对E. coli有效的光动力灭活.
BODIPY染料结构简单,具有良好的溶解性、光热稳定性、强的可见光和近红外光吸收能力、高的荧光量子产率,广泛应用于生物标记及成像、化学传感器、发光材料等领域[ 14 ].BODIPY染料在近红外波段的强吸收特性十分利于其在光动力疗法领域中的应用,但是它们系间窜越效率很低,抑制了其敏化产生单重态氧的能力.通过溴或碘等原子的引入,利用重原子效应有效提高系间窜越效率和单重态氧量子产率,使得BODIPY类光敏剂在光动力抗癌领域有了很好的应用前景[ 15 ].相比之下,BODIPY类光敏剂应用于PACT的研究报道却很少,主要有以下几方面的原因:一是BODIPY类染料荧光普遍很强,不利于高效地产生单重态氧;二是BODIPY类染料亲脂性强,在水中容易聚集,不利于与细菌外膜结合或穿透进入细菌.但是BODIPY染料易于修饰,可通过结构优化改善其物理化学和药物性质,以符合PACT对光敏剂药物的要求.
Banfi等[ 16 ]设计合成了两个水溶性的BODIPY类染料,BODIPY 3和BODIPY 4,如图5所示.它们的最大吸收波长在550 nm左右,油水分配系数logP值分别为-1.96和-1.00,单重态氧量子产率分别为0.195和0.08.在对革兰氏阴性菌大肠杆菌(E. coli)和革兰氏阳性菌木糖葡萄球菌(S. xylosus)的光灭活实验中,BODIPY 3和BODIPY 4表现出很好的光动力活性,当光剂量为20.7 J/cm2时,BODIPY 3对E. coli和S. xylosus的最低杀菌浓度(minimal bactericidal concentration,MBC,杀菌率99.99%)分别为1.7 μmol/L 和0.7 μmol/L;BODIPY 4对E. coli和S. xylosus的最低杀菌浓度分别为6.6 μmol/L 和1.6 μmol/L.可以看出,阳离子型的BODIPY类染料很有潜力成为一类有效的新型PACT光敏剂.
此外,O’Shea等设计合成了基于azo-BODIPY的一类新型光敏剂BBT,对多种肿瘤细胞的半数致死浓度都在纳摩尔水平,在动物模型实验中也能有效地实现肿瘤消融[ 17 ].O’Shea进一步探索了这类化合物作为新型PACT 光敏剂的潜力[ 18 ],设计并合成了化合物BBT-6,如图6所示.它的最大吸收和发射波长分别在681 nm和702 nm,光稳定性良好,溴原子的引入使它具有和亚甲基蓝相当的活性氧产生能力.BBT-6不仅具有两个正
电荷,而且在水/正辛醇中的油水分配系数logP值为-0.25,具有很好的两亲性.在原核细胞和真核细胞的细胞摄入实验中,BBT-6的模型化合物(无溴代)在金黄色葡萄球菌(S. aureus)、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)、大肠杆菌(E. coli)和白色念珠菌(C. albicans)中培养10 min后细胞摄入量分别为49%、31%、80%和25%,但在人乳腺癌细胞MDA-MB-231中的细胞摄入量仅为0.3%,表现出这类化合物对细菌结合的高度选择性.
研究者用菌落计数实验考察了化合物BBT-6在多种细菌中的光动力抗菌活性,如表1所示,其中对无耐药性的甲氧西林敏感金黄色葡萄球菌(S. aureus)的光动力抗菌活性最高,当药物浓度为5 μg/mL,光剂量为15 J/cm2时,能使细菌数量降低6.8个log10值,即杀死超过99.9999 %的细菌;对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)、革兰氏阴性菌大肠杆菌(E. coli)及致病酵母菌白色念珠菌(C. albicans),BBT-6也都表现出很高的光动力抗菌能力.此类化合物用于治疗局部感染的体内试验研究正在进行中.
共轭聚电解质(conjugated polyelectrolytes,CPEs)是一类具有广谱抗菌活性的高分子化合物,在性质与功能上与一些天然抗菌多肽分子(antimicrobial peptides)很类似,它们作用于细菌的细胞壁和外膜,扰乱细菌脂膜结构的稳定性并破坏细菌的正常形态,如图7所示[ 19 ].同时,CPEs具有优异的光物理和光化学特性,如高效的光捕获能力、单重态激子沿共轭骨架的快速扩散、高荧光量子产率等,广泛应用于化学和生物传感器、光伏器件以及光活化抗菌材料等领域[ 20 ].近年来,将CPEs作为光动力抗菌光敏剂的研究得到了广泛的关注.
Whitten等设计合成了带有季铵盐侧链的阳离子型聚对苯撑乙炔poly(phenylene ethynylene)化合物CPE-1a(图8),发现CPE-1a在水性溶液中能够有效地包被在革兰氏阴性菌大肠杆菌(E. coli,BL21)和革兰氏阳性菌炭疽杆菌(B. anthracis,Sterne)的表面,并且白光照射下对这两种细菌具有较好的光动力杀伤活性[ 21 ].后来,Whitten和Schanze等合成了与CPE-1a结构类似的CPE-1b和CPE-2(图8),并考查了这几种共轭聚电解质高分子在溶液中以及固定在无孔硼硅酸盐微球表面后对革兰氏阴性菌Cobetia marina和铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa,PA01)的光杀伤能力,发现虽然它们在黑暗条件下对这两种细菌的杀伤作用很弱很缓慢,但在可见光照射下能对这两种细菌进行快速而有效的灭活.并且,氧气的存在及单重态氧和其他活性氧物种的产生在这一光诱导的杀菌过程中起到了关键性的作用[ 22 ],说明这些CPEs化合物的杀菌作用是一个光动力过程.若将聚对苯撑乙炔重复单元中的一个苯基换成噻吩,如图8中的化合物CPE-3,则聚合物在水中的溶解度下降,容易聚集,并导致其单重态氧量子产率下降,光动力抗菌活性也随之降低.不过,由于CPE-3的亲脂性增加,与细菌的结合力增强,使其在黑暗条件下的灭菌能力得到提高[ 23 ].
此外,王树等[ 24 ]设计合成了含有聚乙二醇侧链和季铵阳离子侧链的聚对苯乙炔poly(p-phenylene vinylene)s (PPVs)化合物,发现当聚乙二醇侧链和季铵阳离子侧链的数量比改变时,PPV对微生物细胞和正常哺乳动物细胞的结合能力会存在很大的差异.与细菌的膜表面携带大量负电荷不同,哺乳动物细胞电负性的磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine)非对称地分布在细胞膜的内侧,使其细胞表面的电负性降低,接近电中性[ 25 ].因此,若选择合适的聚乙二醇侧链和季铵阳离子侧链的比例,可能实现对细菌的选择性识别结合.如图9[ 26 ]所示,带正电荷的PPV-1在人外周血白血病T细胞(Jurkat T)与大肠杆菌(E. coli)或芽孢杆菌(B. subtilis)共存时能够很好的选择性识别、结合、显像和灭活细菌,同时对Jurkat T细胞的生长和存活不产生影响.对E. coli而言,PPV-1主要结合在细菌的表面,在没有光照情况下不具有杀菌活性,但是在光激发下PPV-1能高效产生活性氧分子从而实现对E. coli的光动力杀伤;但对B. subtilis而言,PPV-1与细菌结合时能深度插入到细菌的细胞壁内,导致细菌的外膜破裂,并抑制了细菌的代谢活动,因而在没有光照情况下PPV-1对其也具有一定的杀菌活性.
与有机化合物相比,金属配合物具有丰富的光物理和光化学特性,良好的化学和光稳定性,易于合成及结构修饰,特别是通过配体的模块式组装可以优化配合物的各种性质和功能,比如溶解度、生物兼容性、细胞毒性及靶特异性等,因而,对多种过渡金属配合物(如金属钌配合物)抗癌活性的研究一直是开发新型抗癌药物的一个研究热点[ 27 ].钌多吡啶配合物在可见光区有较强的吸收,具有高的单重态氧量子产率,对DNA等生物分子具有很好的光损伤能力[ 28 ],更重要的是,钌配合物本身携带多个正电荷,这些特征使得它们具备光动力杀菌潜力.
王雪松等[ 29 ]研究了图10及表2所示的6个钌多吡啶配合物的光动力抗菌活性.由于所含配体不同,它们的光物理性质及亲水亲脂性存在很大的差异.与模型化合物1相 比,dppz、dppn、dpb配体的引入增加了钌配合物2—6的亲脂性,dpb配体的引入使钌配合物4、5、6的吸收波长红移,dppn配体的引入使钌配合物3单重态氧的量子产率提高.在钌配合物与革兰氏阴性菌大肠杆菌(E. coli)的结合实验中,钌配合物3具有最强的亲和力,结合E. coli后将其Zeta电势从-43.2 mV变为+9.2 mV,这不仅依赖于它具有合适的亲水亲脂性,dppn配体良好的平面构型也有助于配合物分子深度嵌插到细菌的脂膜结构中.同时,钌配合物3的单重态氧产生能力也最强,高达0.79.这些特性使得钌配合物3具有最好的光动力杀菌活性,在含有0.5 μmol/L化合物3的溶液中,利用大于550 nm的可见光照射20 min,可使溶液中E. coli的细菌数量降低5.4个log值.
此外,Xing等[ 30 ]设计合成了一个β-内酰胺酶响应的钌-头孢菌素探针分子BLRu,头孢菌素的3位上通过4-巯基苯乙酸连接一个发光在645 nm的联吡啶钌结构,7位的氨基 则通过甘氨酰连接猝灭基团BHQ3.如图11所示,由于存在联吡啶钌与BHQ3之间的荧光共振能量转移(Frster resonance energy transfer,FRET),化合物BLRu的发光很弱. 当BLRu与β-内酰胺酶TEM-1 Bla在37 ℃作用两小时,BLRu的发光强度提高了8倍,说明BLRu能够有效地被TEM-1 Bla水解,使发光的联吡啶钌结构脱落.同样,不存在β-内酰胺酶时,联吡啶钌光敏化产生单重态氧的过程也因与BHQ3之间的能量传递或BHQ3对单重态氧分子的清除作用而受到抑制.而当联吡啶钌因β-内酰胺酶的水解从BLRu脱离后,其产生单重态氧的能力将得到恢复.内源性β-内酰胺酶是耐药菌对青霉素和头孢菌素等β-内酰胺类抗生素产生耐药性的最主要机制,它通过水解抗生素的β-内酰胺结构使其丧失抑菌效力.因此,对β-内酰胺酶的检测识别有助于指导抗生素在临床上的有效治疗,同时β-内酰胺酶也成为对耐药菌实现有效灭活的一个重要靶点.利用BLRu对β-内酰胺酶响应后发光增强、有效产生单重态氧的特性,可能实现对不同β-内酰胺酶表达水平的细菌的特异性识别成像及选择性光动力杀伤.在激光共聚焦显微成像实验中,将BLRu与几种不同的细菌培养后观察其发光情况,发现大量表达β-内酰胺酶的青霉素G耐药蜡样芽孢杆菌(B. cereus)和两种耐甲氧西林金黄色葡萄球菌株(MRSA,BAA39和BAA44)有很强的发光;而β-内酰胺酶无显著表达的甲氧西林敏感金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠杆菌(E. coli,DH5α)却观察不到明显的发光.同样,在BLRu对上述几种细菌的光动力杀伤实验中,BLRu对B. cereus、BAA39和BAA44具有很强的光动力抗菌活性,但对S. aureus的光动力抗菌活性较弱,对E. coli则基本无光动力抗菌活性.这些结果表明,此类结构的钌配合物具有很大的潜力成为显微成像技术结合光动力抗菌治疗的多功能药物.
如上所述,近年来出现了许多结构新颖、灭菌活性优异的光敏剂药物体系.然而对于他们PACT活性的研究主要还处于细胞实验水平,动物模型体内实验研究还亟待开展.此外,如何提高光敏药物体系对细菌的选择性杀伤能力,也是有待深入探讨的一个问题.可以预见,随着更多更好的新型光敏剂的开发,以及光源、光输送等技术的不断发展,PACT在治疗病原微生物感染疾病领域的应用将会越来越广.
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