近红外激光引发的一氧化碳作用：一种针对细菌感染伤口的I型光动力与光热协同治疗方式

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：NIR laser triggered carbon monoxide, type I photodynamic and photothermal synergistic treatment of bacterial infected wounds

纳米平台联合光动力/光热疗法与一氧化碳治疗有效清除细菌并促进伤口愈合，显著优于单一疗法。

　　
本研究针对细菌感染伤口治疗中抗生素滥用和疗效不足的问题，创新性地开发了基于近红外光响应的TCO纳米平台，通过整合光动力疗法（PDT）、光热疗法（PTT）和一氧化碳（CO）气体治疗，实现了多模态协同抗菌与组织再生修复。该技术突破传统单一治疗模式的局限，为感染性伤口治疗提供了全新解决方案。

### 一、技术背景与挑战
全球每年因细菌感染导致的死亡人数超过700万，抗生素耐药性问题日益严峻。传统抗生素存在使用限制、易引发耐药性以及无法精准调控治疗过程等缺陷。感染伤口的复杂微环境（如高炎症因子、低氧浓度）进一步加剧治疗难度。现有光疗技术（PDT/PTT）虽能通过光敏剂产生活性氧（ROS）或光热效应杀菌，但存在治疗深度受限、需持续光照或易产生光毒性等问题。因此，开发一种能够实现深层组织精准治疗、多机制协同作用的新型纳米材料具有重要临床价值。

### 二、TCO纳米平台的设计原理
研究团队构建了包含三重治疗功能的智能纳米系统：
1. **近红外光响应光动力/光热双模态**：基于TDNH光敏剂与3-HF CO供体的协同设计，TDNH在808nm近红外光激发下可同时产生ROS（以超氧阴离子O??为主）和产生局部高温（达56℃），满足PDT与PTT的联合需求。
2. **光控CO释放系统**：3-HF作为金属-free CO供体，在TDNH产生活性氧的触发下，可精准释放CO气体。CO通过抑制细菌铁离子摄取和干扰线粒体呼吸途径双重机制杀菌，且对正常细胞具有选择性保护作用。
3. **靶向递送体系**：采用纳米沉淀法制备的TCO NPs（粒径100-110nm）具有优异生物相容性，其表面修饰的聚乙二醇（PEG）可增强血液黏滞环境中的靶向滞留能力。

### 三、关键实验验证与突破性成果
#### （一）材料性能验证
1. **光物理特性优化**：TDNH光敏剂在670nm处有显著吸收峰，激发后可快速产生O??（检测限0.1μM），其光热转换效率达40%，温度可稳定维持在55℃±2℃超过4次循环照射。
2. **CO可控释放机制**：通过血红蛋白（Hb）检测系统证实，808nm激光照射下TCO NPs可在220秒内实现CO的浓度可控释放（释放量达初始负载量的92%），且释放过程与光照强度呈正相关。
3. **尺寸稳定性**：TCO NPs在模拟体液（DMEM）和生理盐水中（PBS）的粒径分布标准差（SD）均<15nm，连续7天稳定性测试显示其聚集率<5%，确保临床应用的长期安全性。

#### （二）抗菌效能的多维度评估
1. **体外杀菌实验**：
- 对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和肠大肠杆菌（E.coli）的杀菌率分别达99.9%和98.3%（激光功率2W/cm2，作用时间10分钟）
- 联合作用机制：
- PDT效应：通过O??破坏细菌细胞膜脂质双分子层（TEM观察显示细胞壁明显皱缩）
- PTT效应：光热转化产生的局部高温（56℃）导致蛋白质变性
- CO协同杀菌：CO抑制细菌线粒体呼吸链复合体III活性，使铁离子载量下降87%
2. **体内感染模型验证**：
- 大鼠全层皮肤缺损感染模型中，TCO+NIR组在7天时伤口愈合率达92.7%，显著优于单独PDT/PTT组（89.3%）和对照组（80.1%）
- 组织修复指标：
- 成纤维细胞数量增加3.2倍（Masson染色定量分析）
- 血管新生密度提升58%（CD31免疫组化检测）
- 炎症因子IL-6和TNF-α水平下降至对照组的1/5（ELISA检测）

### 四、创新性技术优势
1. **三重治疗协同机制**：
- PDT（O??氧化损伤）与PTT（高温破坏）形成物理杀菌协同
- CO气体通过代谢抑制实现二次杀菌，且可调节局部炎症反应（IL-6/TNF-α水平显著降低）
- 三重机制相互增强：O??促进CO释放，高温提升CO溶解度，炎症因子抑制促进组织修复

2. **临床转化友好特性**：
- 纳米载体粒径（110±6.8nm）符合FDA对纳米药物递送系统的生物安全性要求
- 激光波长808nm穿透深度达1.5cm，可覆盖深层感染组织
- 非依赖氧气的PDT特性（O??产量在0.1%氧浓度下仍保持90%以上活性）解决感染伤口缺氧环境难题

3. **长效稳定释放系统**：
- 纳米颗粒在模拟体液环境中7天释放CO总量达初始负载量的85%
- 表面PEG修饰层使纳米颗粒在血液循环中半衰期延长至12小时（对比传统CO供体缩短60%）

### 五、应用前景与局限性分析
#### （一）临床应用潜力
1. **慢性难愈性伤口**：针对糖尿病足溃疡等慢性感染，其CO释放特性可穿透坏死组织深层杀菌
2. **多重耐药菌感染**：三重作用机制有效克服细菌耐药性，对产β-内酰胺酶菌株仍保持99%以上杀菌率
3. **术后感染预防**：纳米载体可搭载抗生素前体，实现光控精准释放

#### （二）现存挑战
1. **激光设备依赖性**：需配备波长808nm、功率密度2W/cm2的特定激光治疗仪
2. **长期生物安全性**：虽动物实验显示无急性毒性，但需进行3年以上慢性毒性研究
3. **规模化生产难题**：当前制备工艺（纳米沉淀法）日产量<5g，难以满足临床需求

### 六、技术发展趋势
1. **智能响应系统升级**：开发pH/酶双响应型CO供体，实现更精准的靶向释放
2. **联合治疗方案探索**：与抗生素缓释系统联用，可降低单次给药剂量50%以上
3. **临床前研究深化**：需建立更接近人体的动物模型（如大动物皮肤感染模型）验证长期疗效

该研究首次实现PDT/PTT与CO气疗的体内协同作用，为感染性伤口治疗开辟了新路径。其核心价值在于突破传统光疗的物理限制（如治疗深度和炎症调控），通过多模态机制协同实现"杀菌-控炎-修复"三位一体治疗。未来通过优化纳米载体表面修饰和开发便携式激光治疗设备，有望在5年内实现临床转化应用。