孫玉潔，高敏政，朱藝文，鄭 良，俞丙然，徐福建

(北京化工大學材料科學與工程學院，北京 100029)

1 前 言

細菌感染是世界上威脅人類生命健康最為嚴重的問題之一，每年會導致數(shù)以百萬計的感染患者出現(xiàn)[1]。1928年英國微生物學家革命性地發(fā)現(xiàn)了世界上的第一種抗生素——青霉素，開啟了人類抗擊細菌感染的新紀元[2]，自此以后，抗生素的廣泛使用和開發(fā)解救了無數(shù)感染性疾病患者。然而，一方面，耐藥微生物越來越多地出現(xiàn)在臨床感染中，被世界衛(wèi)生組織(WHO)列為2019年全球十大健康威脅之一[3]。另一方面，相較于浮游狀態(tài)存在的細菌，生物膜的形式為細菌提供了堅固的保護屏障[4, 5]。細菌可以定植在眾多的組織或器官表面形成生物膜，造成眼部感染、牙周炎、尿路感染和呼吸道感染等疾病[6, 7]，也可以附著在非生物材料表面，例如醫(yī)用導管、人工器官、骨植入材料等[8, 9]。據(jù)統(tǒng)計，人類慢性微生物感染疾病的80%由生物膜造成，這導致了高的醫(yī)療保健成本以及高的發(fā)病率和死亡率[10, 11]，也為臨床使用的醫(yī)療器械消毒滅菌提出了更高的要求。生物膜的存在增加了臨床治療感染疾病的障礙，因為與浮游細胞相比，生物膜基質(zhì)中的細菌細胞的抗生素耐藥性高了1000倍[12]。生物膜和耐藥菌問題成為了全球治療細菌感染疾病中的兩大難題。

光動力抗菌療法(photodynamic antibacterial therapy, PDAT)是一種利用光敏劑(photosensitizers,PSs)在適當?shù)募ぐl(fā)光源照射下產(chǎn)生短壽命但高毒性的活性氧物質(zhì)(reactive oxygen species, ROS)，對周圍的生物分子(如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸等)造成氧化損傷，從而殺死病原微生物的方法。如圖1所示[2]，其作用主要由兩種分子水平的機制介導：I型和II型。光激活后，光敏劑分子從基態(tài)躍遷到短暫的單激發(fā)態(tài)，然后通過系間竄越到達三重激發(fā)態(tài)。三重激發(fā)態(tài)的光敏劑分子通過電子轉(zhuǎn)移直接與周圍的底物反應產(chǎn)生自由基或自由基離子，如·OH和O2-(I型機制)。在PDAT中，I型反應主要發(fā)生在細菌細胞膜上，磷脂分子與氧反應形成脂質(zhì)過氧化物，細菌結(jié)構(gòu)完整性被破壞且細胞膜的離子滲透性增加。另一方面，三重激發(fā)的光敏劑分子還可以與氧傳遞能量以形成1O2。1O2作為最具威脅性的一類ROS，可直接對生物分子如不飽和脂質(zhì)、DNA、酶等細胞成分造成氧化損傷，從而有效殺滅細菌(II型機制)[13, 14]。光動力治療效果的影響因素主要包括以下幾點：① 光敏劑的影響和選擇：光敏劑是光動力治療的核心物質(zhì)，光敏劑能否選擇性地在病變組織部位聚集、能否快速地從正常組織中清除、對正常組織有無毒副作用、單線態(tài)氧量子產(chǎn)率等等，將直接影響光動力治療的實施和效果。② 激發(fā)光源的選擇：在PDAT的研究和臨床應用中，主要采用激光作為激發(fā)光源。實驗表明，波長越長的激發(fā)光源對組織的穿透越深，越有利于光動力治療。同時，激發(fā)光源的功率密度和能量密度既不能不足，又不得超過一定的范圍，不足會影響治療效果，過量會造成正常組織的損傷。③ 組織氧濃度的影響：氧是細胞賴以生存的物質(zhì)之一，組織中的氧濃度直接影響到PDAT的效果，在I型反應中，光敏劑的三重態(tài)與底物發(fā)生電子轉(zhuǎn)移作用產(chǎn)生的自由基可進一步與周圍的氧反應生成氧化物；在II型反應中，激發(fā)態(tài)的光敏劑分子在與基態(tài)氧分子碰撞的過程中發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生單線態(tài)氧，光敏劑本身回到基態(tài)。所以，ROS的產(chǎn)生除與光敏劑和激發(fā)光有關(guān)外，還與組織中氧的濃度有關(guān)[15]。

圖1 光敏劑在光激發(fā)下產(chǎn)生活性氧物質(zhì)示意圖[2]

PDAT具有非侵入性、抗菌譜廣、在不易引發(fā)耐藥性的情況下可進行重復治療、局部治療以保護重要器官等眾多優(yōu)勢[16]。在常規(guī)抗生素無法對抗耐藥細菌和生物膜感染的情況下，研究人員將視線集中在了PDAT上，它在對抗細菌感染中有望成為抗生素療法的替代方案[17, 18]。其中，光敏劑的開發(fā)是研究的重點。為實現(xiàn)高效的PDAT治療效果，光敏劑應該滿足以下幾個要求：① 合成工藝簡單，成本低；② 水溶性好；③ 優(yōu)異的光穩(wěn)定性；④ 照射下產(chǎn)生大量ROS；⑤ 生理條件穩(wěn)定且對人體正常組織和器官無毒性[19]。除此以外，近年來，兩個關(guān)于光敏劑設(shè)計的主要問題逐漸為研究人員所關(guān)注：① 細菌靶向性，為了實現(xiàn)低毒且高效的治療效果，光敏劑被要求具有與細菌的強相互作用，而與細胞的親和力忽略不計；② 革蘭氏陰性細菌致密的外膜結(jié)構(gòu)成為阻礙光敏劑滲透的屏障[2, 20]，這使得PDAT對革蘭氏陽性細菌表現(xiàn)出有效的殺菌作用，而對革蘭氏陰性細菌的作用并不令人滿意。為了解決上述問題，研究者們開發(fā)了眾多細菌感染微環(huán)境響應性或細菌靶向性光敏劑。本文聚焦于聚合物基光敏劑的設(shè)計與構(gòu)建，用于廣譜性、細菌靶向性和微環(huán)境響應性PADT，實現(xiàn)對細菌感染類疾病的高效治療。

2 廣譜性光動力抗菌高分子材料

PDAT最突出的特點表現(xiàn)在其抗菌譜廣，因為ROS不需要特定的細菌靶標便可發(fā)揮作用。然而，一方面，ROS的產(chǎn)量和作用距離有限，單一的光動力作用往往難以實現(xiàn)令人滿意的抗菌作用；另一方面，傳統(tǒng)光敏劑的疏水性通常會導致其在水性介質(zhì)中發(fā)生聚集而熒光淬滅，進一步限制了ROS的產(chǎn)量，從而削弱其抗菌能力。為了解決這些問題，研究者們想到將傳統(tǒng)的光敏劑進行化學改性以提高其水溶性，或?qū)DAT與其他方法結(jié)合，增強治療效果。

作者課題組[21]設(shè)計了一種新型陽離子PDAT聚合物，用于PDAT與季銨鹽(quaternary ammonium, QA)協(xié)同抗感染治療。如圖2a所示，利用開環(huán)反應，基于光敏劑酸性紅87(EY)構(gòu)建的多功能抗菌聚陽離子(EY-QEGED-R，R=—C6H13或—CH3)具有包括QA、光敏劑、伯胺和羥基物質(zhì)在內(nèi)的多個功能成分。EY-QEGED-R在受貽貝啟發(fā)的聚多巴胺(polydopamine,PDA)粘合劑層的幫助下，可以被輕松地涂覆在不同的基材上。在體外生物學實驗中(圖2b和2c)，加光條件下，EY-QEGED-R對金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽性細菌)和大腸桿菌(革蘭氏陰性細菌)都表現(xiàn)出濃度依賴的抗菌活性，而在生物安全性的測試中，即使是在光照條件下，該陽離子聚合物的溶血性和細胞毒性都可忽略不計。體內(nèi)實驗中，對于大鼠表皮感染的治療效果也證明了EY-QEGED-R具有良好的抗感染能力(圖2d)。受到近些年新興的抗微生物水凝膠的啟發(fā)，Yuan等[22]構(gòu)建了一種基于水溶性聚噻吩(PMNT)和螺旋的仿生纖維聚異氰化物(PIC)的混合水凝膠，得到了增強的光動力抗菌治療效果。如圖3a所示，PIC與PMNT之間的相互作用和PIC的半柔性性質(zhì)使得PMNT的構(gòu)象發(fā)生變化，最大吸收峰從410紅移至600 nm。在紅光照射下，此水凝膠產(chǎn)生大量ROS，對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌(革蘭氏陽性細菌)和白色念珠菌(真菌)都表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌效果。另外，此水凝膠還表現(xiàn)出熱可逆性和生物相容性，為體內(nèi)應用提供保障。類似地，Wang等[23]制備了酸性紅94/聚吡咯雜化聚乙烯醇水凝膠(RB/PPy PVA HD)，并在550 nm可見光和808 nm近紅外光的共同照射下，實現(xiàn)了光熱和PDAT的協(xié)同作用，可用作治療細菌感染的傷口敷料。除此之外，光動力抗菌高分子在醫(yī)療器械的表面修飾方面也得到了廣泛研究，如金屬-有機骨架(MOF)-聚合物混合基質(zhì)膜[24]、光敏劑與聚偏氟乙烯(PVDF)納米級纖維及微米級聚四氟乙烯(PTFE)顆粒組成的復合膜[25]、由檸檬酸-羥丙基-βCD聚合物(PP-CD)包裹卟啉類光敏劑TPPS修飾的聚丙烯(PP)織物形成的具有光動力抗菌作用的洗脫支架[26]等。Tong等[27]通過開環(huán)反應連接了鋅(II)單氨基酞菁(ZnMAPc)與聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGMA)，利用乙二胺(ED)清除多余的環(huán)氧基團，并將此聚合物通過席夫堿鍵修飾到載玻片上。這一方法可以滅活革蘭氏陰性細菌和革蘭氏陽性細菌，這主要歸因于光照條件下大量產(chǎn)生的ROS，例如·O2-和H2O2，從而引起的細菌膜的破壞、酶的失活和DNA的降解。上述幾篇報道都將光動力作用與生物材料表面相結(jié)合，為生物醫(yī)用材料提供抗菌性能，提高其使用安全性，降低二次感染的風險，使之具有用作抗感染傷口敷料或自消毒醫(yī)療器械的潛力。

圖2 PDAT與季銨鹽的協(xié)同抗菌作用[21]：(a)多功能陽離子聚合物的合成路線示意圖，(b)EY-QEGED-R對大腸桿菌(b1)和金黃色葡萄球菌(b2)的殺菌性能(比例尺：5 μm)，(c)EY-QEGED-R處理后的小鼠成纖細胞(L929)的細胞存活率(c1)和溶血率(c2)，(d)對大鼠表皮感染模型的治療效果(比例尺：1 cm)

圖3 PMNT與PIC構(gòu)建的混合水凝膠示意圖(a)[22];具有聚集誘導發(fā)光性質(zhì)的TBD-anchor的結(jié)構(gòu)式和作用示意圖(b)，TBD-anchor與大腸桿菌的作用(c)[29];具有聚集誘導發(fā)光性質(zhì)的光動力抗菌水凝膠的構(gòu)建及應用示意圖(d)，F(xiàn)moc-F/BBR水凝膠對全層皮膚感染模型的治療(e)[30]

與傳統(tǒng)的光敏劑在聚集態(tài)時發(fā)生熒光淬滅和ROS產(chǎn)量下降相反，具有聚集誘導發(fā)光(aggregation induced emission,AIE)性質(zhì)的光敏劑表現(xiàn)出增強的熒光和持續(xù)產(chǎn)生ROS的能力[28]，逐漸吸引了研究者們的注意。例如，如圖3b所示，Chen等[29]設(shè)計的具有AIE性質(zhì)的膜錨定光敏劑(TBD-anchor)是一種具有多條季銨鹽鏈的共軛結(jié)構(gòu)物質(zhì)。圖3c表明，TBD-anchor通過靜電和疏水相互作用與細菌膜發(fā)生結(jié)合而不進入細菌內(nèi)部。在白光照射下，隨著TBD-anchor濃度的增加，細菌的存活率顯著降低，5 μmol/L的TBD-anchor可殺死大約96%的大腸桿菌，2 μmol/L的TBD-anchor可殺死99.5%的金黃色葡萄球菌。相反，在黑暗環(huán)境中，高達40 μmol/L的TBD-anchor對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的毒性作用可忽略不計。對于耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌(MRSA)，TBD-anchor的光動力抗菌作用也超過了商業(yè)PS甲苯胺藍O。類似地，如圖3d所示，Xie等[30]將具有AIE性質(zhì)的光敏劑小檗堿氯化物(BBR)與一種商業(yè)氨基酸(Fmoc-F)結(jié)合，構(gòu)建光動力抗菌水凝膠。兩種物質(zhì)通過分子間靜電相互作用和π-π堆積進行組裝，在白光照射下顯示出廣譜抗菌作用和抗生物膜活性。在小鼠背部的全層皮膚感染模型中，盡管Fmoc-F/BBR水凝膠能夠在黑暗條件下消除細菌感染，但其效率遠低于光照治療組(圖3e)。Hao等[31]設(shè)計了麥芽七糖修飾的BODIPY(BODIPY-Mal-I)以提高光敏劑的水溶性，BODIPY核心的2,6位被碘取代后，單線態(tài)氧產(chǎn)生效率明顯提高。光照條件下，BODIPY-Mal-I可以有效殺死浮游形式和生物膜形成的革蘭氏陽性細菌，而在黑暗條件下，其對斑馬魚胚胎表現(xiàn)出低細胞毒性。類似地，Hao等[32]替換光敏劑BODIPY為具有AIE性質(zhì)的四苯基乙烯，再與親水的麥芽七糖結(jié)合，可以得到具有熱響應特性的兩親性分子。其在水性介質(zhì)中發(fā)生聚集，產(chǎn)生強烈的藍色熒光，該研究為構(gòu)建基于兩親性AIEgens的熒光溫度計提供了新的視角。

針對耐藥菌帶來的日益嚴重的公共衛(wèi)生問題，Jiang等[33]的研究展示了一些可以充當光敏劑的現(xiàn)有的抗生素，其在光照射下直接產(chǎn)生ROS以實現(xiàn)抗菌作用。他們找到了4種在光照條件下可以產(chǎn)生ROS的抗生素，并且利用耐卡那霉素的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，驗證了它們的抗菌活性可以通過光激活得到明顯增強。雖然細菌對非致死劑量的抗生素會通過產(chǎn)生耐藥性進行抵抗，但這種基于抗生素的PDAT可以擴大現(xiàn)有抗生素的應用范圍，降低其治療劑量，從而減緩耐藥性的出現(xiàn)。

綜上，臨床的細菌感染通常是由多種革蘭氏陰性和革蘭氏陽性病原菌，甚至是耐藥性細菌引起[34]，PDAT的廣譜性可以滿足這一需求，同時避免引起新的耐藥性[35]。將PDAT與QA、水凝膠等結(jié)合，可以有效改善光敏劑的水溶性，提高利用效率；具有AIE性質(zhì)的光敏劑也巧妙地克服了傳統(tǒng)光敏劑聚集誘導淬滅的問題。這些研究為高分子材料用于光動力抗菌治療提出了新思路。

3 細菌靶向性光動力抗菌高分子材料

一些新型細菌靶向性光動力抗菌材料是通過增強材料對細菌的特異性識別作用進而提高藥物的靶組織濃度，增強其在病灶部位的滲透率，從而提升藥物的生物利用度[36]，在實現(xiàn)高效抗菌的同時也減輕對正常組織的毒副作用，這些材料的設(shè)計為未來光動力抗菌材料的發(fā)展提供了新的思路。

在眾多的靶向分子中，天然糖類分子由于其良好的生物相容性和水溶性而常被用作構(gòu)建新型的靶向光動力抗菌材料。作者課題組[37]利用可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移(RAFT)聚合制備了一系列具有可控結(jié)構(gòu)和理想分子量的二嵌段共聚物PαGal50-b-PGRBn。如圖4a所示，其中的光敏劑酸性紅94(RB)鏈段在光照下可以產(chǎn)生ROS，進而啟動抗菌活性，同時，α-D-半乳糖鏈段部分可以特異性結(jié)合銅綠假單胞菌(P.aeruginosa)分泌的凝集素A(Lec A)，進而達到靶向殺傷的作用。由于在P.aeruginosa的感染過程中，生物膜的形成部分由Lec A介導，因此在體外生物學實驗中，PαGal50-b-PGRBn不僅體現(xiàn)了良好的抗菌性能，還能夠有效分散生物膜(圖4b～4d)。在評估PαGal50-b-PGRBn對正常小鼠成纖細胞(L929)的細胞毒性后發(fā)現(xiàn)，雖然在施加光照后細胞活力隨著PαGal50-b-PGRBn濃度的增加而降低，但仍顯示出相對良好的細胞活力。同時，在建立的多藥耐藥性P.aeruginosa生物膜感染性角膜炎模型中，PαGal50-b-PGRBn也表現(xiàn)出了良好的治療效果。

圖4 耐多藥細菌靶向納米系統(tǒng)及其在耐多藥銅綠假單胞菌生物膜感染兔角膜炎模型中的應用[37]：(a)納米系統(tǒng)的構(gòu)建及其抗菌抗生物膜作用示意圖，(b)不同條件下納米系統(tǒng)對耐多藥銅綠假單胞菌的抗菌性能，(c)不同條件下納米系統(tǒng)的選擇性殺傷實驗，(d)不同條件下納米系統(tǒng)對銅綠假單胞菌生物膜作用

Zhao等[38]構(gòu)建了一種基于硼二吡咯烯(BODIPY)的糖基化光敏劑。他們首先構(gòu)建了BODIPY基的RAFT試劑，然后通過RAFT聚合引入半乳糖鏈段，以此來構(gòu)建具有良好水溶性的糖基化光敏劑材料pGEMA-I。同樣利用其中半乳糖鏈段與P.aeruginosa分泌的Lec A特異性結(jié)合作用，該糖基化光敏劑材料能夠選擇性地附著在P.aeruginosa感染部位，在有效進行光動力殺菌的同時減少了對正常組織的毒副作用。Im等[39]利用3′-唾液酸乳糖(3SL)對幽門螺桿菌的靶向作用，同時選用了脫鎂葉綠酸A(PPa)作為光敏劑，制備了3SL-聚賴氨酸基光動力抗菌材料(p3SLP)，該材料中的3SL結(jié)構(gòu)可以選擇性識別幽門螺桿菌膜中的唾液酸結(jié)合黏附素(SabA)成分并與其特異性結(jié)合，在激光照射下，光敏劑PPa釋放出ROS，從而達到了靶向光動力殺傷的效果。同時，在幽門螺桿菌感染的小鼠模型中，所構(gòu)建的p3SLP顯示出顯著的抗菌光動力效果，對正常組織和腸道菌群沒有不良副作用，為臨床中基于內(nèi)窺鏡的PDAT治療提供了一個可行的策略(圖5a和5b)。

細菌靶向肽是一種分布于動物和植物中的多肽類物質(zhì)，也是一種可變長度和氨基酸序列的短陽離子兩親性肽(一般含有10～50種氨基酸)。它通過靜電相互作用靶向并分解細菌細胞膜，誘導孔隙形成，從而導致細菌死亡。而因其能夠特異性結(jié)合保持高電位梯度以及缺乏膽固醇的細菌膜而幾乎不影響正常細胞，近些年來也常被用于構(gòu)建靶向光動力抗菌材料[40-43]。例如，如圖5c所示，Gao等[44]構(gòu)建了親水聚乙二醇(PEG)和多肽Magainin-I的共價結(jié)合物，將其與光敏劑二氫卟吩e6(Ce6)和α-環(huán)糊精共聚物(α-CD-Ce6)進行自組裝，進而構(gòu)建了細菌膜靶向的超分子光敏劑載體。與不加多肽Magainin-I的α-CD-Ce6相比，通過激光共聚焦觀察到添加細菌靶向肽的組別對P.aeruginosa和MRSA都具有更好的生物膜消散能力(圖5d)，細胞毒性測試也進一步證實了添加細菌靶向肽的組別具有更低的細胞毒性。蛋白質(zhì)是由多肽與其他物質(zhì)結(jié)合而成的一種大分子物質(zhì)，一些蛋白質(zhì)可以與細菌上特定的分子結(jié)合。革蘭氏陰性細菌的細胞外膜上含有豐富的脂多糖(LPS)，LPS的表面多糖碳水化合物約占細菌表面積的75%，可被凝集素識別。刀豆蛋白A(ConA)是從菜豆中提取的一種應用最為廣泛的凝集素，它可以與多糖的甘露糖基和葡糖基殘基特異結(jié)合，從而與細菌表面的LPS結(jié)合，目前已經(jīng)被用于對大腸桿菌的特異性識別當中[45-47]。Cantelli等[48]利用ConA的這一特性，將其與光敏劑RB結(jié)合，制備了ConA-RB共聚物。由于RB對革蘭氏陽性細菌具有高活性，而對革蘭氏陰性細菌的活性較低，因此，該共聚物增加了RB在革蘭氏陰性細菌表面的局部濃度，顯著提高了它對革蘭氏陰性細菌的殺滅效率，體外抗菌實驗也進一步驗證了該共聚物對于大腸桿菌具有良好的抗菌效果(圖6a和6b)。

圖5 3′-唾液酸乳糖共軛聚賴氨酸基光敏劑(p3SLP)抗幽門螺桿菌靶向光動力治療作用示意圖(a)，使用激光共聚焦觀察p3SLP的抗幽門螺桿菌靶向光動力治療性能(b)[39];α-CD-Ce6/PEG-AMP超分子膠束示意圖示意圖(c)，α-CD-Ce6/PEG-AMP超分子膠束對P.aeruginosa、MRSA兩種細菌生物膜的消除作用(d)[44]

除了利用天然糖類分子以及多肽物質(zhì)與細菌的特異性結(jié)合作用來構(gòu)建靶向光動力抗菌材料外，近些年來，利用革蘭氏陰性細菌和革蘭氏陽性細菌自身結(jié)構(gòu)的不同，也有新型的靶向光動力材料被構(gòu)建出來[49]。例如Lee等[35]利用革蘭氏陰性細菌和革蘭氏陽性細菌細菌膜結(jié)構(gòu)上的不同，構(gòu)建了具有AIE特性的近紅外光敏劑(TTVP)。如圖6c和6d，革蘭氏陰性細菌的外層由外膜、交聯(lián)肽聚糖網(wǎng)絡(luò)和細胞質(zhì)膜組成，比只有肽聚糖網(wǎng)絡(luò)和細胞質(zhì)膜的革蘭氏陽性細菌的外層要復雜得多，因此革蘭氏陽性細菌缺乏有效的屏障來阻止TTVP分子的插入，從而使得TTVP分子只能夠與革蘭氏陽性細菌的細菌膜特異性結(jié)合，從而實現(xiàn)了對陽性菌的靶向識別。TTVP分子在培養(yǎng)基中具有良好的單分散性、與革蘭氏陽性細菌的強靜電相互作用以及優(yōu)異的AIE特性，也具有較高的ROS產(chǎn)率，在體內(nèi)和體外抗菌實驗中都取得了良好的抗菌效果，為臨床應用中設(shè)計細菌鑒別劑提供了有效的策略。

圖6 抗革蘭氏陰性細菌的ConA-RB光動力抗菌原理示意圖(a)，ConA-RB分子的合成示意圖(b1)和對E.coli的光動力抗菌效果(b2)(b)[48];使用AIE分子TTVP進行革蘭氏陽性細菌超快鑒別和高效光動力抗菌治療的示意圖(c)，激光共聚焦觀察TTVP分子與陽性菌的特異性結(jié)合(d)[35]

綜上所述，新型靶向光動力材料在實現(xiàn)了細菌靶向性的同時增加了材料在細菌感染部位的富集，與傳統(tǒng)光動力抗菌材料相比，靶向光動力抗菌材料提升了材料的利用率和光動力抗菌治療的效果，同時也減少了對正常組織細胞的毒副作用，是未來新型光動力抗菌材料一個可行的發(fā)展方向。

4 微環(huán)境響應性光動力抗菌高分子材料

細菌或生物膜感染獨特的微環(huán)境(如pH、毒素、酶等)啟發(fā)了科研人員對響應性抗菌材料的設(shè)計。為了使抗菌劑具有更強的靶向細菌或滲透生物膜的能力，大量感染微環(huán)境響應的清除細菌或生物膜的系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)[50-52]。其中，細菌感染部位的pH值降低主要是由細菌的代謝產(chǎn)物造成的，其產(chǎn)物是包括乳酸和乙酸在內(nèi)的有機酸[53-55]，該現(xiàn)象已被廣泛用作細菌感染的標志。已經(jīng)有眾多針對細菌微酸性環(huán)境設(shè)計聚合物基抗菌材料的報道，例如，Hu等[56]設(shè)計了一種席夫堿鍵連接的聚酰胺-胺型樹枝狀高分子(PAMAM)水凝膠，在酸性環(huán)境下，奧硝唑和妥布霉素實現(xiàn)了有效釋放；Yan等[57]構(gòu)建了一個pH響應性分層聚合物刷，在正常生理條件下，聚甲基丙烯酸(PMAA)外層的存在顯著抑制了細菌的黏附，當局部環(huán)境變?yōu)樗嵝詴r，PMAA鏈斷裂，暴露出內(nèi)部的陽離子抗菌肽，激活殺菌功能；Qian等[58]開發(fā)的乙二醇-殼聚糖共軛羧基石墨烯(GCS-CG)對膿腫的酸性微環(huán)境表現(xiàn)出獨特的自適應性，表面電荷由負轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，對細菌產(chǎn)生強的黏附性，再由近紅外光(NIR)輻射下產(chǎn)生的升溫作用消滅細菌。而在聚合物基PDAT領(lǐng)域，研究人員也充分利用細菌感染微環(huán)境的特征，構(gòu)建了響應性的光敏劑，其在正常生理環(huán)境下幾乎不產(chǎn)生毒性作用，而在細菌感染部位，受到光的激發(fā)后，會產(chǎn)生殺傷性的ROS，發(fā)揮預期的光動力抗菌作用。

Liu等[59]通過RAFT聚合和后修飾合成了可自組裝成核殼結(jié)構(gòu)的聚(聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯)-b-聚(2-(二異丙基氨基)乙基甲基丙烯酸酯-2-羥乙基甲基丙烯酸酯)-二氫卟酚(PPEGMA-b-P(DPA-co-HEMA)-Ce6)，當其被靜脈注射到血液中時，在循環(huán)過程中對正常組織表現(xiàn)出的相互作用和毒性可忽略不計。而在酸性條件下，由于DPA的質(zhì)子化，P(DPA-co-HEMA)-Ce6鏈段有效促進了細菌的靶向作用和陽離子治療，光敏劑Ce6在光照作用下也可以用于成像，并產(chǎn)生具有抗菌作用的ROS。革蘭氏陰性細菌的致密外膜阻礙了其與光敏劑的有效結(jié)合，使得PDAT的殺菌效率有限。如圖7a所示，作者課題組[60]的研究中，光敏劑RB與PDA共價結(jié)合形成納米顆粒核心，隨后，外層修飾多粘菌素B(PMB)提高了納米顆粒對革蘭氏陰性細菌的殺菌作用，最后，通過靜電作用在納米顆粒最外層修飾負電性的葡萄糖酸(GA)得到納米復合物RB@PMB@GA。此復合物在生理條件下表現(xiàn)出負電性，對正常細胞的毒性較小，在酸性相關(guān)感染部位切換為帶正電荷，能夠有效結(jié)合到帶負電荷的細菌表面，從而增強了對革蘭氏陰性細菌的光動力抗菌作用。如圖7b和7c所示，在酸性條件下RB@PMB@GA對革蘭氏陰性細菌和革蘭氏陽性細菌都具有優(yōu)異的殺菌作用，且具有比對照組更強的生物膜滲透能力。在體內(nèi)導管植入構(gòu)建的膿腫模型中，納米復合物同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的抗感染效果(圖7d)，為臨床手術(shù)中醫(yī)療器械表面生物膜的消除提供了可行的方案。

圖7 用于PDAT的pH響應性納米系統(tǒng)[60]：(a)納米顆粒的構(gòu)建及抗菌作用示意圖，(b)不同治療條件下納米顆粒對表達紅色蛋白的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性能，(c)不同pH下納米顆粒對銅綠假單胞菌生物膜作用的CLSM照片，(d)不同治療條件下大鼠的切口區(qū)域和植入導管圖片(d1)以及菌落情況(d2)

除了pH值變化外，高水平的過氧化氫(H2O2)是感染病理微環(huán)境的另一個顯著特征，常被用來觸發(fā)藥物的響應性釋放。受這一特性的啟發(fā)，Zhao等[61]構(gòu)建了一個pH/H2O2雙觸發(fā)的光動力抗菌系統(tǒng)。如圖8a所示，在這個系統(tǒng)中，5,10,15,20-四-{4-[3-(N,N-二甲基-氨基)丙氧基]苯基}卟啉(TAPP)充當pH敏感的光敏劑，由H2O2響應性的嵌段共聚物POEGMA-b-PBMA進行封裝，其上的苯硼酸酯部分在中性和弱酸條件下穩(wěn)定，但對H2O2敏感。在細菌引起的膿腫病灶部位(圖8b)，pH值降低且H2O2過量，光敏劑TAPP被釋放，其上的叔胺基團可以在酸性條件下發(fā)生質(zhì)子化作用，提高親水性和與細菌的相互作用，大大提高了PDAT的治療效果。與之相似，Hu等[62]的設(shè)計充分利用了生物膜感染微環(huán)境的酸性和過表達谷胱甘肽(GSH)的特點。如圖8c所示，他們利用主客體組裝作用將前藥α-CD-NO和α-CD-Ce6與pH敏感的共聚物PEG-(KLAKLAK)2-DA進行組裝，此納米組裝體在生理pH環(huán)境下具有帶負電荷的表面，有利于在血液中長期循環(huán)，而在酸性生物膜pH下，α-CD-Ce6-NO-DA納米藥物表現(xiàn)出正電，促進生物膜內(nèi)部的有效滲透并黏附到帶負電的細菌表面(圖8d)。隨后，受到GSH的觸發(fā)，α-CD-Ce6-NO-DA釋放出NO，一方面降低了生物膜中GSH的濃度；另一方面，NO與光輻射下產(chǎn)生的ROS反應生成活性氮物質(zhì)(reactive nitrogen species,RNS)，表現(xiàn)出對細菌更強的損傷作用(圖8e)。他們構(gòu)建的表面電荷可切換的α-CD-Ce6-NO-DA納米顆粒對MRSA生物膜感染表現(xiàn)出NO協(xié)同的光動力抗菌作用。類似地，對P.aeruginosa引起的角膜炎，Han等[63]發(fā)現(xiàn)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)，例如MMP-9，在細菌生物膜中過度表達，并在角膜融化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。利用這一特性，他們將Ce6偶聯(lián)的β-環(huán)糊精前藥(β-CD-Ce6)和金剛烷綴合的MMP-9敏感肽(Ad-MMP-S PEPs)進行主客體組裝，得到具有親水外殼和疏水內(nèi)核的組裝體(MMP-S)(圖9a)。正常生理環(huán)境下，多肽外殼表面帶負電，可以減小對正常組織的損傷。到達角膜感染部位后，生物膜中過度表達的MMP-9切斷肽鏈，去除負電保護層，暴露出陽離子多肽，有助于納米顆粒滲透進入生物膜內(nèi)部(圖9b)，并與P.aeruginosa結(jié)合，最終提高PDT的抗菌功效。在P.aeruginosa感染的角膜炎模型中，MMP-S+L組的抗菌效果最好(圖9c)，與抗生素左氧氟沙星效果相當，但后者有引起細菌耐藥性的風險。加光條件下，此納米組裝體在體內(nèi)也表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能，這是系統(tǒng)內(nèi)光敏劑和響應性陽離子肽共同作用的結(jié)果。由此制成的局部滴眼制劑可以很大程度上抑制細菌對角膜組織的進一步損害，降低角膜炎癥反應。

圖8 pH/H2O2雙觸發(fā)的光動力抗菌系統(tǒng)示意圖(a)，體內(nèi)導管植入模型中聚合物的抗生物膜活性(b)[61]；α-CD-Ce6-NO-DA納米顆粒的構(gòu)建(c1)、酸觸發(fā)的電荷反轉(zhuǎn)(c2)和pH和GSH雙響應的納米組裝體消除生物膜感染(c3)示意圖(c)，納米組裝體對MRSA生物膜的滲透能力(d)，納米組裝體對MRSA生物膜的殺傷作用(e)[62]

圖9 MMP-9響應性組裝體的構(gòu)建和消除角膜感染示意圖(a)，MMP-S對P.aeruginosa生物膜的滲透能力(b)，角膜組織處細菌菌落照片(c)[63]；pH和耐藥性響應的組裝體的合成路線(d1)和可變色創(chuàng)可貼對pH和耐藥性的響應作用(d2)示意圖(d),可變色創(chuàng)可貼對藥物敏感性細菌(e)和耐藥性大腸肝菌(f)的抗菌作用，pH和β-內(nèi)酰胺酶響應的可變色創(chuàng)可貼的作用機制示意圖(g)[64]

PDAT作為一種廣譜性殺傷細菌的新型抗菌方法，在對抗耐藥菌感染中具有天然優(yōu)勢。除卻普通細菌感染微環(huán)境的眾多特性外，對β-內(nèi)酰胺類抗生素不敏感的細菌產(chǎn)生的β-內(nèi)酰胺酶也被視為耐藥菌特定的識別信號。Sun等[64]設(shè)計了一種對細菌微酸性環(huán)境和耐藥性響應性的纖維素基可變色創(chuàng)可貼。當此創(chuàng)可貼與敏感性細菌共同培養(yǎng)時，降低的pH使顯色層溴百里酚藍的顏色從綠色變?yōu)辄S色，同時，被殼聚糖包裹的抗生素氨芐青霉素被釋放，產(chǎn)生殺菌作用。另一方面，當其暴露在耐藥性細菌環(huán)境中時，頭孢硝噻吩作為β-內(nèi)酰胺酶的底物，產(chǎn)生從黃色到紅色的顏色變化。此時，基于光敏劑四(4-羧基苯基)-卟啉(TCPP)形成的MOF納米粒子在光照條件下產(chǎn)生ROS，實現(xiàn)對耐藥菌有效的光動力殺傷(圖9d)。此可視化創(chuàng)可貼實現(xiàn)了在感測細菌耐藥性后選擇性地實施抗菌策略，即面對敏感性細菌時，采取基于抗生素的化學療法，而對于耐藥細菌誘導的感染，利用光動力作用進行補充(圖9e～9g)。

與普通PDAT相比，基于高分子材料的微環(huán)境響應性光敏劑可以實現(xiàn)在感染部位的按需釋放或激活，增強對細菌的靶向性和對生物膜的滲透作用，提高了材料的生物利用度，同時降低了抗菌藥物或ROS對正常組織的毒副作用。

5 結(jié) 語

綜上所述，針對細菌感染性疾病構(gòu)建多功能高分子光敏劑的策略已經(jīng)被眾多研究者關(guān)注，具有良好的發(fā)展前景。常規(guī)的光動力抗菌療法(photodynamic antibacterial therapy, PDAT)由于其廣譜殺菌行為有望符合臨床需求而被大量研究，細菌靶向性或微環(huán)境響應性的高分子光敏劑實現(xiàn)了材料的高效利用和更好的生物安全性。這些可行方案都為細菌感染性疾病的治療提供了新思路。

然而，雖然研究人員已經(jīng)對高分子材料的PDAT進行了大量研究，但仍存在一些障礙限制著這些材料的臨床轉(zhuǎn)化，如光敏劑(PSs)的跨膜能力和在細菌內(nèi)的有效積累量直接影響PDAT作用效果、活性氧物質(zhì)(ROS)的短壽命對它們的ROS產(chǎn)率提出更高要求等。另外，現(xiàn)有的PDAT研究主要集中在皮膚、角膜感染等表層感染疾病，受到光照穿透深度的限制，PDAT難以用于肺炎、肝炎等深層次疾病。并且，病灶部位低于正常部位的氧氣濃度也是限制PDAT效果的因素之一。這些問題還需要尋找更多的方案來解決。此外，要推動高分子光敏劑的臨床轉(zhuǎn)化，需要對其體內(nèi)毒性、生物分布、體內(nèi)清除等進行系統(tǒng)評估，這些也有待進一步研究?？傮w而言，高分子材料在光動力抗菌領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了初步成果，相信面臨的大部分問題都可以通過后續(xù)的探索來解決，高分子抗菌材料將在臨床光動力抗菌治療中發(fā)揮越來越重要的作用。