超声辅助半导体敏化上转换光动力疗法高效清除真菌生物膜感染

本研究针对真菌生物膜对抗真菌药物和免疫防御的顽固性问题，开发了超声-近红外光双响应的纳米杂化材料UCNP@CR。该材料通过整合Tm3+掺杂上转换纳米颗粒(UCNPs)、g-C3N4包覆层和钌(Ru)光敏剂，实现了超声辅助的活性氧(ROS)增强策略。实验证明该疗法可有效破坏白色念珠菌生物膜结构，在免疫抑制小鼠模型中展现出优异的抗真菌疗效，为临床治疗生物膜相关感染疾病提供了新思路。

　　

真菌感染是全球性的重大健康威胁，每年导致超过150万人死亡，其中免疫缺陷患者尤为易感。传统抗真菌药物如唑类、多烯类和棘白菌素类药物面临着生物膜屏障的严峻挑战——这些由真菌分泌的胞外聚合物基质形成坚固的三维结构，不仅阻碍药物渗透，还帮助病原体逃避免疫攻击。更棘手的是，长期大剂量用药会引发耐药性问题，形成恶性循环。面对这一困境，基于活性氧(ROS)的光动力疗法(PDT)因其非抗生素依赖的特性备受关注，但组织穿透深度不足和能量转移效率低下等问题制约了其临床应用。

南方医科大学分子诊断与治疗中心的科研团队在《Nature Communications》发表创新研究，设计出超声-光双响应纳米杂化材料UCNP@CR。该系统巧妙整合了Tm³⁺/Yb³⁺共掺杂上转换纳米颗粒(UCNPs)、半导体材料石墨相碳氮化物(g-C₃N₄)和钌(II)多吡啶配合物(Ru)三种功能组分。超声刺激既能松动致密生物膜结构，又能触发ROS产生；而g-C₃N₄介导的金属-配体电荷转移(MLCT)增强效应，使近红外光照射下的ROS生成效率显著提升。

研究团队采用的主要技术方法包括：1）溶剂热法合成核壳结构UCNP@hmSiO₂纳米颗粒；2）高温缩聚构建g-C₃N₄包覆层；3）电化学和光谱学手段验证材料性能；4）建立免疫抑制小鼠伤口感染模型评估疗效；5）流式细胞术和免疫荧光分析免疫微环境变化。

【材料设计与表征】
通过透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)证实成功构建了粒径约50nm的核壳结构纳米颗粒。UCNP@CR在980nm激发下产生450/475nm上转换发光，与Ru配合物的吸收峰完美匹配。电子顺磁共振(EPR)检测证实其具有超声和光双重激活的ROS生成能力。

【体外抗真菌效果】
在悬浮真菌杀灭实验中，UCNP@CR在近红外光(980nm)照射30分钟可实现99%杀菌率。超声(1MHz)处理5分钟使生物膜渗透性提高3倍，协同光动力疗法使杀菌效率达99.99%(4.0 log)。扫描电镜(SEM)显示处理后的真菌细胞出现明显膜损伤和收缩。

【作用机制解析】
超分辨荧光显微镜发现UCNP@CR通过特异性粘附真菌细胞壁实现高效递送。密度泛函理论(DFT)计算表明g-C₃N₄与Ru配合物的轨道杂化使带隙从3.84eV降至2.93eV，显著增强电荷分离效率。清除剂实验证实光生空穴(h⁺)和超氧阴离子(·O₂^-)是主要活性物种。

【体内治疗效果】
在环磷酰胺诱导的免疫抑制小鼠模型中，超声-光联合治疗组在第9天即实现85%伤口愈合，显著优于单一疗法组(58-78%)。组织学分析显示治疗组炎症细胞浸润减少，胶原沉积增加。流式检测发现M2型巨噬细胞比例提升至67%，表明免疫微环境得到有效调控。

这项研究开创性地将半导体材料引入抗菌光动力治疗领域，通过多模态协同策略克服了传统PDT的组织穿透限制。UCNP@CR的独特优势在于：1）超声辅助破坏生物膜物理屏障；2）近红外光触发深部治疗；3）半导体增强的ROS级联产生。该技术不仅为真菌感染提供了新解决方案，其设计理念还可拓展至其他生物膜相关疾病治疗，具有重要的临床转化价值。研究团队特别指出，所有动物实验均遵循广东莱迪生物医学研究院动物伦理委员会审批标准(批号2024035-2)，体现了严格的科研伦理规范。