唐本忠院士综述

前言

微生物传染病，特别是由新型和耐抗生素病原微生物引起的传染病，已成为全球人类健康的重大威胁。光疗法作为一种无抗生素的治疗方法，具有时空选择性、无创性、副作用小、抗菌谱宽等优点，是一种很有前景的治疗微生物感染的方法。近十年来，基于有机光敏剂的抗菌光疗已被广泛研究，并取得了一些喜人进展。

2022年5月10日，韩国梨花女子大学化学及纳米科学系Van-Nghia Nguyen、Juyoung Yoon教授与香港中文大学科学与工程学院（深圳）唐本忠院士团队赵征教授在Chemical Society reviews期刊发表了题为“Organic photosensitizers for antimicrobial phototherapy”的综述文章，总结了有机光敏剂的主要分类和设计策略，介绍了目前主要研究的有机抗微生物光敏剂，包括抗菌光敏剂、抗病毒光敏剂和抗真菌光敏剂。最后，展望了基于有机光敏剂的光治疗在临床抗微生物应用中面临的挑战和未来的发展方向，并鼓励光疗法介导的抗菌治疗的临床前和临床研究。

光的生物医学应用

自1960年以来，激光的发明为生物医学开辟了新的道路研究，许多激光的设备被广泛的用于临床前或临床研究。光活性药物从适当波长的光中吸收能量，随后其能量转化为各种形式，如荧光、热能、声波等等。

荧光发射主要应用于成像指导，如监测、诊断和给药。而通过非辐射衰变转化的能量作为光热治疗(PTT)/光声(PA)成像的来源。由于三元态可以维持较长时间来诱导化学反应，三元态光敏剂(PS)还可以促进光动力疗法(PDT)的活性氧(ROS)的产生来诱导细胞凋亡。

然而抗微生物的光疗并未像抗肿瘤光疗一样得到广泛认可。随着有效光治疗药物和先进技术的发展，光疗有望成为治疗微生物感染，特别是对抗多重耐药菌感染的一种很有前途的治疗方法。

图1：有机光敏剂在抗菌光疗中的主要功能及设计策略  

抗菌光疗(主要)

2.1 抗菌光动力疗法

带负电荷的细菌细胞膜形成了一个天然屏障，阻碍中性或带负电荷的PS的渗透，于是研究者们通常考虑在PS结构中引入一个官能团或阳离子基团来克服这一挑战。

Galstyan及其同事报道了一种通过将硼酸引入硅(IV)酞菁中来开发细菌靶向PS(AGA405)的有效策略，其中硼酸可以通过硼酸-二醇的相互作用与细菌细胞膜和生物膜基质的多糖结合形成硼酸酯AGA405在近红外光照射下对细菌感染表现出明显的PDT效果。

图2：细菌细胞膜的光敏剂和多糖与生物膜基质的相互作用  

另一个挑战是激发光源的穿透深度有限从而不便治疗深层的组织病变。因此，许多研究者们致力于开发长波长吸收型PSs。例如，Yoon等人设计了硼酸功能化锌酞菁(PcN4-BA)直接用于近红外(NIR)促进的细菌消融。由于形成了均匀的纳米结构自组装和硼酸诱导靶向作用，PcN4-BA在抗菌治疗中表现出了优异的PDT性能，且细胞暗毒性很小。

长波长吸收型PSs的ROS生成效率低下是阻碍细菌光疗的另一重要因素。为了克服外部光源的限制，Wang等人开发了一种原位光激活PS系统，用于治疗深部组织的细菌感染，其中电化学发光(ECL)用于阳离子低聚(对苯乙烯) OPV PS的激发。

图3：电化学发光诱导的阳离子光敏剂OPV PS用于抗菌光动力疗法

除了这些，基于病原菌独特的表面特性而特异性激活的微信号可用于检测和图像引导PDT。例如，Liu等人通过自组装构建了响应性有机纳米颗粒(33%IRTP NPs) IR786与两亲性聚合物(TBD-PEG)用于基于细菌感染部位异常浓度的过氧亚硝酸盐(ONOO-)和次氯酸盐(ClO-)的图像引导光动力细菌治疗。

图4：TBD-PEG的化学结构，纳米粒子的制备和IRTP NPs的工作机制。

最后，为了解决感染组织缺氧微环境的挑战，I型PSs被提出，以最大化地通过降低对氧的依赖来提高PDT效率。例如，Yoon等人设计并合成了纳米结构酞菁组合NanoPcA，通过I型光化学反应可高效生成ROS，对普通菌株和耐药菌株均表现出良好的光动力抑菌效果。

图5：自组装纳米结构的形成和NanoPcA的可能机理示意图及其抗菌治疗

2.2 抗菌光热疗法

近红外光源(700-1300nm)与近红外PSs的组合可以导致更强的光热效果，而其光毒性可以忽略不计，因此近红外吸光剂在实际应用中受到广泛的关注。例如使用NIR染料吲哚菁绿(ICG)，Zhang课题组制备了pH可调的ON/OFF纳米治疗剂(PANI-GCS NPs)，用于抑制耐药细菌性肺炎。

进一步的为了提高光热剂对兼性厌氧细菌的选择性，Zhang等人开发了一种新的细菌反应超分子复合物(CPPDI)，在像大肠杆菌这样的兼性厌氧细菌存在的情况下，CPPDI被选择性还原，在原位形成CPPDI自由基阴离子，在近红外(808 nm)照射下可以将温度升至65.1℃，导致大肠杆菌快速和选择性死亡。

图6：CB、CPPDI、CPPDI自由基阴离子化学结构及CPPDI光热治疗示意图

2.3 协同抗菌治疗

由于抗生素的广泛过度使用，细菌正在迅速获得耐药性。除了细菌本身的各种自我保护机制，细菌还可以利用多糖，蛋白质和细胞外DNA产生一个生物膜，保护自己免受宿主免疫系统的攻击，并阻碍抗菌剂的扩散和渗透。因此，PTT与抗生素、PTT与PDT、气体与PDT等多模式协同抗菌策略正不断开发。

Liang及其同事报告了一种被称为热响应激发的三重功能纳米结构——用于细菌根除的药物递送纳米转运体(TRIDENT)。这三个功能包括:(1)利用荧光实时监测感染部位复合物的数量，指导选择合适的照射时间。(2)光热效应既会熔化热响应纳米结构，又会破坏细胞膜。(3)光热效应还降低了细菌对抗生素的耐药性，促进抗生素快速扩散到细胞质中，对细菌细胞壁合成产生化学干扰。

图7：光热敏感载药脂质体消除生物膜示意图  

气体疗法是利用内源性气体信号分子，如一氧化碳(CO)，硫化氢(H2S)和一氧化氮(NO)从而促进对疾病的治疗。Cai及其同事报道了一种新的协同抗菌策略——PDT和NO气体治疗，其中PDT驱动的NO可控生成系统(Ce6@Arg -ADP)。结果表明，1O2和NO气体组合具有显著的协同抑菌和生物膜根除效果。

抗病毒光疗

虽然光疗法在癌症和细菌的治疗中得到了广泛和成功的应用，但由于PSs的疏水性和靶向能力差以及组织穿透深度有限，病毒感染的光灭活研究鲜有报道，在临床应用中获得认可的速度较慢。然而仍有一些基于纳米技术平台的PSs已经在临床前研究中成功对抗几种人类病毒病原体，如艾滋病毒、人乳头状瘤病毒、单纯疱疹病毒和呼吸道病毒。

光疗可能在对抗宿主内外的病毒方面有一定的优势。2020年，Kipshidze和同事展示了光动力疗法治疗COVID19的巨大潜力。Chen等人报道了AIE活性膜靶向PS与近红外荧光(DTTPB)，它使用三苯胺单位和双噻吩作为电子供体(疏水尾巴)，碳-碳双键作为p-连接子，吡啶基团作为电子受体(亲水头)，用于人冠状病毒的PDT治疗。DTTPB可特异性靶向不同宿主细胞的人冠状病毒(如HCoV-OC43和HCoV-229E)的膜结构，并与包膜相互作用，导致白光照射后宿主细胞中病毒RNA和蛋白质显著减少。

图8：DTTPB的化学结构和作用过程示意图

抗真菌感染的光疗

与其他微生物光疗法相比，目前光疗法治疗真菌感染的病例仍然有限。然而，随着不同的光疗模式的进一步发展，我们相信光疗或多模式光疗将在治疗真菌性疾病中发挥重要作用。

Wang和同事开发了一种基于生物发光共振能量转移的PDT系统，利用基于生物发光的能量转移进行激发产生ROS杀死白色念珠菌，具有光照射独立性、不受光穿透深度限制等优势。Tang及其同事专注于亚细胞细胞器靶向，并开发了一种线粒体靶向PDT系统用于抗真菌治疗，它们优先积累在真菌的线粒体中，在光照下有效地产生1O2，对真菌线粒体造成不可逆的损伤，从而杀死真菌。他们对哺乳动物细胞的毒性可忽略不计，使其应用于选择性和有效地杀灭真菌。

图9：用于抗真菌光活性的生物发光共振能量转移(BRET)系统示意图

总结

目前光疗制剂的主要缺点是疏水特性导致水溶性差、生物相容性差、对病原体的结合特异性差、光治疗窗口吸收波长短/吸光度差。此外，与PDT相关的主要缺点，如扩散距离短，ROS寿命极短和PSs的氧依赖性的性质应该在以后的研究中重点关注并设法克服。一般来说，应用于临床的理想PS应满足以下要求:

(1)靶向性佳，在体内的“暗毒性”和副作用小;

(2)在光治疗窗口(650-900 nm)有较强的吸光度，PTT效果良好; PDT的ROS生成效率突出；

(3)良好的光稳定性和生物相容性，能够快速从体内清除

虽然目前用于微生物感染光疗的有机PSs在临床试验中的数量较少，但作者相信有机PSs将是未来许多年抗菌光疗的一个重点发展领域。