题目：两性离子光敏剂自组装纳米团簇通过自电离高效产生光生自由基实现卓越抗菌光动力疗法

期刊：Advanced Materials

影响因子：26.8

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202418978

汇报人：张文超-2026级硕士

光动力疗法（PDT）在抗菌治疗领域展现出巨大潜力，尤其当使用I型光敏剂（PSs）时其效能显著增强。然而，由于缺乏可靠的设计策略，开发I型光敏剂仍面临重大挑战。本研究通过两性离子小分子（C3TH）自组装开发出I型光敏剂纳米簇，实现了优异的体内抗菌光动力治疗效果。机理研究表明，纳米簇内独特的交叉排列C3TH分子不仅能缩短分子间距，还可抑制分子间电子-振动耦合，从而通过自电离反应促进分子间光诱导电子转移，形成光敏剂自由基阳离子和阴离子。随后，这些强氧化性或还原性的光敏剂自由基通过级联光氧化还原反应高效生成·OH和O₂^-·活性氧。实验结果表明，C3TH纳米簇在超低剂量下对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的抗菌效率达97.6%，其效果超越商用抗生素万古霉素8.8倍以上。该研究深化了对I型光动力疗法的理解，为开发I型光敏剂提供了创新策略。

抗生素的过度使用与滥用已导致多种耐药菌的出现，对人类健康构成严重威胁。研发更强效抗生素的努力往往加剧这一问题，催生新型超级细菌并形成恶性循环。抗菌光动力疗法（aPDT）作为一种非抗生素替代方案，通过光激活光敏剂（PSs）产生活性氧（ROS）选择性杀灭细菌，在对抗细菌感染同时规避耐药性问题方面展现出巨大潜力。高效aPDT的核心要素光敏剂根据ROS生成机制可分为I型和II型。现有PSs大多通过II型机制运作，即通过三重激发态光敏剂（³PS^*）向周围氧气直接能量转移产生单线态氧（¹O₂）。而I型PSs则通过光诱导电子转移（PeT）与邻近组分（如底物、水或氧气）作用，产生羟基自由基（·OH）或超氧阴离子（O₂^-·）。值得注意的是，与高度依赖氧气的II型PSs相比，I型PSs具有极低甚至无需氧气的特性，这一优势使其在治疗缺氧性细菌感染疾病或肿瘤时尤为突出。

近年来I型PSs的开发虽引起广泛关注，但因缺乏可靠设计策略仍面临挑战。关键瓶颈在于PSs与底物间低效的PeT过程，这直接制约I型ROS的生成。最新研究指出，PSs与给电子/吸电子底物间的分子间PeT对提升I型ROS产率至关重要。具体而言，这些异质组分间的分子间PeT可产生强氧化性或还原性PS自由基（PS⁺·或PS^-·），随后通过光氧化还原反应与氧气或水作用生成I型ROS。尽管取得这些进展，现有I型PSs通常需要多种组分（如分子间PeT所需的底物或给体/受体物质，以及维持水溶性的两亲性基质），为临床转化带来重大挑战。简化I型PS设计的尝试已证明均质PSs间实现分子间PeT的可行性，但其在aPDT中的应用尚未探索。基于这些发现，开发具有高效分子间PeT能力的单组分阳离子PSs成为推进aPDT发展的前瞻性策略，遗憾的是该领域仍属空白。

本研究通过两性离子小分子（C3TH）自组装构建了I型PS纳米簇，实现了卓越的体内aPDT效果。C3TH由其阳离子对应物（C3T）经简单水解获得。透射电镜显示C3T和C3TH均能在水溶液中无需额外组分自组装形成纳米簇，极大简化了PS体系。分子动力学模拟进一步揭示，与阳离子C3T的滑移排列不同，两性离子C3TH在纳米簇内呈现独特的交叉排列。这种特殊排列不仅缩短分子间距，还抑制分子间电子-振动耦合，从而通过自电离促进分子间PeT形成PS⁺·和PS^‾·。随后这些自由基与水、氧气发生级联光氧化还原反应生成·OH和O₂^-·。实验结果表明，相较于C3T，C3TH的·OH产率显著提升74%，O₂^-·生成量轻微增加，同时¹O₂生成量降低42%。凭借这一性能优势，C3TH纳米簇在超低剂量（8 µg·mL⁻¹）下对革兰氏阳性菌的抗菌率高达97.6%，效果超越商业化抗生素万古霉素8.8倍以上。

1. 自组装纳米团簇表征与光谱特性分析

图中展示了自组装纳米团簇的表征与光谱特性。通过TEM观察发现，C3TH分子可在生理环境下通过分子间非共价作用（静电吸引与范德华力结合）自组装形成直径小于30 nm的球形纳米团簇；分子动力学模拟进一步揭示，该纳米团簇内部存在十字交叉排列的结构。随后对C3TH纳米团簇的光谱分析表明，因其分子间十字交叉构型的特性，C3TH表现出较弱的分子间电子-振动耦合效应。这一特性有效降低了光激发过程中非辐射能量的损耗，使其具备高效的系间窜跃能力，从而显著增强³PS^*的生成效率。

2. 电化学分析与同位素标记验证

图中展示了C3TH纳米团簇的电化学性质。循环伏安法测试结果表明，C3TH的还原电位低于O₂, H⁺/·OH和O₂/O₂^‾·的还原电位，说明C3TH能向O₂转移电子，从而促进O₂^‾·和·OH的生成。同时，C3TH的氧化电位高于H₂O/O₂,H⁺的氧化电位，表明其可通过氧化H₂O生成O₂，反映了该材料原位生成氧气的能力。这一机制最终通过同位素标记实验得到验证。

3. I型活性氧生成的激发态动力学研究

图中展示了C3TH在光谱电化学分析中生成I型活性氧的机制。量子计算和飞秒瞬态吸收（fs-TA）结果表明，C3TH在580 nm附近出现的激发态吸收（ESA）带主要来源于³PS^*，随后该特征吸收衰减，转化为PS⁺·或PS^-·，对应的吸收带分别位于580 nm和1250 nm附近。这表明C3TH中PS⁺·和PS^-·的产生源于³PS^*。电子顺磁共振（EPR）光谱进一步证实了C3TH存在光生电子，同时其光电流响应显著增强，证明该材料能够更高效生成PS⁺‧和PS⁻‧。最后，通过热力学可行性分析表明，C3TH纳米团簇中存在自电离机制，可有效生成I型活性氧。

4. C3TH的体内外抗菌效果

图中展示了C3TH体内外的抗菌效果。研究选取了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）评估该材料的抗菌性能，同时以临床抗菌药物万古霉素（Van）作为对照。当C3TH和Van浓度均为8 µg·mL⁻¹时，对MRSA的抑制率分别达到97.6%和11.1%。即使在缺氧条件下，C3TH仍能达到85.7%的抗菌率。这一结果通过细菌活死染色和扫描电子显微镜观察得到进一步验证。最后，通过小鼠伤口感染模型评估了C3TH的体内抗菌效果。结果表明，C3TH能快速有效清除细菌，并显著促进伤口愈合。

总之，我们开发了一种通过同源分子自组装形成的C3TH纳米簇，能高效产生I型活性氧以实现卓越的抗菌光动力治疗效果。C3TH的两性离子结构诱导形成扭曲构型，具有两大关键优势：其一，通过易实现的系间窜跃增强三线态光敏剂（³PS^*）生成；其二，促进纳米簇内独特的交叉排列，有利于分子间光诱导电子转移。丰富的³PS^*与高效分子间电子转移协同作用，支持相邻³PS^*发生自电离反应，有效生成PS⁺·或PS^-·。随后，PS⁺·催化水分子氧化原位产生氧气，而PS^-·将电子转移至内源性或原位生成的氧气，从而高效产生超氧阴离子（O₂^‾·）和羟基自由基（·OH），同时降低对内源性氧气的依赖。基于这种卓越的I型活性氧生成能力，我们的治疗剂量仅为临床常用万古霉素的一半，但疗效超过万古霉素8.8倍以上。该研究深化了对同源光敏剂间电子转移过程的理解，标志着I型机制研究的重要进展。这些发现有望为开发具有增强抗菌性能的I型光敏剂提供新的设计策略。