姜黄素的光热释放用于抗菌光动力疗法

《ACS Omega》：Photothermic Release of Curcumin for Antimicrobial Photodynamic Therapy

抗光动力疗法纳米载体的开发及生物膜靶向抗菌研究。该纳米系统由金纳米星介孔二氧化硅和蓖麻油构成，近红外光触发姜黄素可控释放，对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的游离菌和生物膜均显示显著杀菌效果，CFU降低达2.16-3.16 log??，证实其作为新型抗菌载体的潜力。

　　药物递送系统（DDS）在增强光动力抗菌疗法（aPDT）方面展现出了巨大的潜力。通过提高光敏剂的靶向递送和可控释放，这些系统能够显著提升治疗效果。本研究介绍了一种基于载有姜黄素（CUR）的介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）构建的光响应型DDS，其核心为金纳米星（AuNSt），并以石蜡作为封装层，专门用于近红外（NIR）光触发的光热释放。这种多组分纳米平台在抗菌应用中，独特地结合了光热激活与光控药物递送的功能，为提高aPDT的精准性和疗效提供了新的思路。

在临床相关环境中，细菌具有附着于自然和人工表面的能力，形成具有自我保护机制的结构化社区——生物膜。这些生物膜由细菌细胞嵌入在自产的胞外聚合物基质中构成，为细菌提供了对常规抗菌药物和宿主免疫系统的保护。这种保护机制使得生物膜中的细菌比游离菌群更难被清除，因此导致了许多传统治疗方法的失败。例如，金黄色葡萄球菌（S. aureus）是一种重要的临床相关生物膜形成病原体，常引起肺炎、皮肤和软组织感染，同时还是医院感染的主要诱因之一。而铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）则是一种常见的医院获得性病原体，每年影响约两百万患者，并导致约九万例死亡。鉴于全球范围内抗生素耐药性的严峻挑战，寻找替代治疗策略变得尤为迫切。

光动力抗菌疗法（aPDT）作为一种有前景的治疗手段，通过光激活光敏剂产生反应性氧物种（ROS），从而有效杀灭微生物。与传统抗生素相比，aPDT的优势在于其非特异性作用和氧化特性，能够靶向微生物细胞的多个组成部分，如细胞膜、细胞器和DNA。此外，一些研究表明，aPDT不仅可以杀死微生物，还能逆转其耐药性，使细菌重新对常规抗菌药物敏感。因此，aPDT在应对耐药性问题上具有重要价值。

在众多潜在的光敏剂中，姜黄素因其天然来源、抗炎、抗氧化、抗菌和抗癌等多重特性而受到广泛关注。姜黄素在aPDT中对游离菌群和生物膜形成菌均表现出良好的抗菌效果。然而，其亲脂性、在水性环境中的稳定性较差以及生物利用度有限，阻碍了其在临床中的应用。为了解决这些问题，研究人员采用了药物递送系统来改善姜黄素的稳定性和靶向性，提高其生物利用度。特别是基于纳米技术的DDS，能够更好地与复杂的生物膜结构相互作用，并且可以通过设计实现对生物膜不同阶段的干预。

在多种纳米载体中，介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）因其可调的表面化学性质、较大的比表面积和孔体积、良好的生物相容性以及能够保护姜黄素免受降解等优点而成为研究的热点。例如，一些研究将姜黄素负载于MSNs中，并结合多粘菌素B进行功能化处理，用于aPDT对抗游离和生物膜形式的多种细菌，如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌。该系统在低浓度姜黄素（0.1–10 μg/mL）下就能有效杀灭细菌，并且其抗菌活性优于游离姜黄素。尽管如此，现有DDS的一个主要局限是药物释放速度较慢且不可控，这可能影响aPDT的治疗效果。

为了克服这一问题，研究人员探索了多种光响应型系统，其中基于金纳米结构的光热效应尤为引人注目。金纳米结构在近红外（NIR）照射下能够产生局部热效应，从而触发药物释放。例如，一种由介孔二氧化硅、铜和银组成的混合纳米系统，能够通过NIR照射释放姜黄素以杀灭大肠杆菌。此外，另一种系统采用石蜡封装的金纳米星（AuNSt）作为载体，能够高效控制姜黄素的释放。然而，目前尚未有将MSNs、金纳米星和姜黄素结合用于aPDT的研究。因此，本研究开发了一种新型的纳米载体——载有姜黄素的金纳米星介孔二氧化硅纳米颗粒（AuNSt@mSiO2@CUR@paraffin），旨在评估其在aPDT中的抗菌性能。

该纳米载体的合成过程分为几个关键步骤。首先，通过金氯化物在柠檬酸钠存在下的还原反应合成金纳米种子（AuNsds），这些种子具有约63.3 nm的流体力学直径。随后，利用这些种子作为模板，通过调整HAuCl4和柠檬酸钠的浓度，以及控制反应温度（100°C），成功合成了具有星形结构的金纳米星（AuNSt）。金纳米星的UV-Vis吸收光谱显示出在808 nm处的强表面等离子体共振（SPR）峰，表明其具有良好的光响应性。接下来，通过使用CTAB微胶束作为模板，合成介孔二氧化硅包裹的金纳米星（AuNSt@mSiO2）。该纳米结构在NIR照射下能够高效释放姜黄素，其光热效应来源于金纳米星对NIR光的吸收并转化为热能，从而熔化石蜡封装层，实现药物的可控释放。最终，通过将姜黄素负载到介孔二氧化硅中，并进一步进行表面功能化处理，形成了完整的纳米载体体系。

在体外实验中，该纳米载体在NIR照射下表现出显著的姜黄素释放能力，释放率高达90%。对于游离细菌，如金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌，在使用该纳米载体进行aPDT后，菌落数减少了3.16 log10和2.18 log10，显示出良好的抗菌效果。而对于生物膜，由于其保护性基质的存在，常规浓度的姜黄素无法有效渗透并发挥抗菌作用。因此，研究人员将纳米载体的浓度提高至1000 μg/mL，并在相同条件下进行NIR和蓝光照射，结果显示该系统能够显著减少生物膜中细菌的存活率，分别为2.16 log10和1.77 log10的减少。这些结果表明，该纳米载体在对抗生物膜相关感染方面具有重要潜力。

尽管本研究主要聚焦于该纳米载体的合成和其在aPDT中的抗菌性能评估，但为了进一步推进其临床应用，未来的研究需要在多个方面进行深入探索。例如，可以结合其他能够破坏生物膜胞外基质的化合物，以提高药物渗透性。此外，还需在更复杂的生物模型中评估其性能，如多物种生物膜、含有微生物的组织或体内感染模型。这些研究将有助于全面了解该纳米载体的治疗潜力，并为实际应用提供坚实的科学依据。

综上所述，本研究开发的AuNSt@mSiO2@CUR@paraffin纳米平台成功实现了姜黄素的光控释放，并在aPDT中表现出显著的抗菌活性。该系统的合成和表征工作为后续研究奠定了基础，其在生物膜相关感染治疗中的应用前景值得期待。未来的研究应进一步优化该系统的性能，探索其在更广泛临床环境中的适用性，并评估其安全性，以推动其在实际医疗场景中的应用。