基于硼酸基团修饰的锌(II)酞菁光敏剂：通过光动力协同碘化钾策略高效灭活革兰氏阳性菌

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Harnessing light for antimicrobial action: light-driven inactivation of Gram-positive bacteria by boronic acid-based zinc(II) phthalocyanines

为解决日益严峻的抗生素耐药性问题，研究人员开发了三种新型苯硼酸功能化的锌(II)酞菁(ZnPcs)光敏剂，并评估其光动力灭活(PDI)效果。研究发现，八取代的ZnPc 2在无碘化钾(KI)辅助下即表现出最强的抗菌活性，而KI的加入可显著增强所有光敏剂的杀菌效果，其中ZnPc 2 + KI组合可在15分钟内将金黄色葡萄球菌(S. aureus)完全灭活。该研究为开发高效、低毒的抗耐药菌光动力疗法提供了新策略。

　　

研究背景：抗生素耐药性危机下的新曙光

在医学领域，抗生素的发现曾是人类对抗感染性疾病的里程碑。然而，随着抗生素的滥用，细菌的“进化”速度远超新药研发的速度，导致抗生素耐药性(Antimicrobial Resistance, AMR)成为全球性的公共卫生危机。据预测，到2050年，若不加干预，AMR每年将导致约1000万人死亡，这无疑是对现代医学的巨大威胁。

面对这一严峻挑战，科学家们正在积极寻找抗生素的替代方案。其中，光动力灭活(Photodynamic Inactivation, PDI)技术因其独特的杀菌机制而备受关注。PDI是一种“光化学疗法”，它利用光敏剂(Photosensitizer, PS)、可见光和氧气这三要素，共同作用产生具有细胞毒性的活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)，从而精准、高效地杀灭病原体，且不易产生耐药性。

在PDI中，光敏剂是核心。它就像一枚“光能炸弹”，在黑暗中无害，但一旦被特定波长的光照射，就会吸收能量，从基态跃迁到激发态。在返回基态的过程中，它会将能量传递给周围的氧分子，产生单线态氧(¹O₂)等ROS，这些高活性物质能迅速破坏细菌的细胞膜、蛋白质和DNA，导致其死亡。

为了进一步提升PDI的效力，研究人员常常会加入一些“增效剂”。其中，碘化钾(Potassium Iodide, KI)是一种非常有效的化学增强剂。KI本身无毒，但在光敏剂产生的¹O₂作用下，可以转化为高活性的碘物种(Reactive Iodine Species, RIS)，如分子碘(I₂/I₃^?)和碘自由基(I₂•^?)，这些物质能更有效地穿透细菌细胞壁，造成致命打击。

研究目标：设计“智能”靶向光敏剂

在众多光敏剂中，酞菁(Phthalocyanine, Pc)类化合物因其优异的光物理性质（如高摩尔消光系数、良好的光稳定性）而成为研究热点。然而，如何让光敏剂更“聪明”地识别并粘附在细菌表面，是提高其杀菌效率的关键。

为此，来自葡萄牙阿威罗大学的研究团队将目光投向了苯硼酸(Phenylboronic acid)基团。细菌的细胞壁，特别是革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）的细胞壁，富含一种叫做磷壁酸(Teichoic acid)的结构，其表面密布着顺式二醇(cis-diol)基团。而苯硼酸恰好能与顺式二醇形成可逆的共价键。这种“锁钥”关系意味着，将苯硼酸连接到光敏剂上，就如同给光敏剂装上了“导航系统”，能使其更有效地富集在细菌表面，从而在光照时产生更强的杀伤效果。

基于这一思路，Daiane N. Maronde、José E. Rodríguez-Borges、Adelaide Almeida和Leandro M.O. Louren?o团队设计并合成了三种新型的苯硼酸功能化锌(II)酞菁(ZnPcs)，并系统评估了它们单独使用以及与KI联用时的光动力抗菌活性。该研究成果发表在《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》期刊上。

关键技术方法

为了评估这些新型光敏剂的性能，研究人员采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   化学合成与表征：通过微波辅助合成等方法，成功制备了三种不同取代度的苯硼酸功能化锌(II)酞菁（四取代的ZnPc 1、八取代的ZnPc 2和八取代的氟化ZnPc 3），并利用核磁共振(NMR)、质谱(ESI-MS)和紫外-可见光谱(UV-Vis)等手段确认了其结构。
2. 2.
   光物理性质评估：在二甲基亚砜(DMSO)中测定了光敏剂的吸收光谱、荧光光谱和单线态氧量子产率(Φ_Δ)，以评估其产生ROS的能力。
3. 3.
   稳定性测试：在磷酸盐缓冲液(PBS)中评估了光敏剂在黑暗和光照条件下的稳定性，确保其在生物实验中的可靠性。
4. 4.
   光动力灭活(PDI)实验：以临床分离的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)为模型菌株，在5.0和10.0 μM两种浓度下，分别测试了光敏剂在有无100 mM KI存在时，经白光照射（100 mW cm^?2，60分钟）后的杀菌效果，通过菌落计数法(CFU/mL)量化其抗菌活性。

研究结果

1. 光敏剂的合成与光物理性质

研究人员成功合成了三种结构各异的苯硼酸功能化锌(II)酞菁。其中，ZnPc 1和ZnPc 2分别通过相应的邻苯二甲腈前体缩合而成，而ZnPc 3则通过商业化的十六氟锌酞菁(ZnPcF₁₆)与4-巯基苯硼酸进行亲核取代反应制得。

光物理性质测试显示，这三种光敏剂在可见光区（600-800 nm）均有强吸收，符合光动力治疗对光穿透深度的要求。其中，ZnPc 2表现出最高的单线态氧量子产率(Φ_Δ= 0.33)，这意味着它在光照下产生杀伤性¹O₂的效率最高。而ZnPc 3虽然荧光量子产率(Φ_F)最高，但其¹O₂产率极低(Φ_Δ≥0.001)，这可能是由于分子内聚集或氟原子的强吸电子效应抑制了其光物理过程。

2. 光动力灭活(PDI)效果

在无KI辅助的情况下，三种光敏剂的抗菌活性差异显著：

• •
  ZnPc 1：在5 μM和10 μM浓度下，经过60分钟光照，分别使细菌数量减少了约4个对数单位和近7个对数单位，表现出中等强度的抗菌活性。
• •
  ZnPc 2：表现最为出色。在5 μM浓度下，光照45分钟即可将细菌完全灭活（达到检测限）；在10 μM浓度下，仅需30分钟即可达到同样效果，显示出强大的内在抗菌能力。
• •
  ZnPc 3：在相同条件下，未表现出明显的抗菌活性，这与其极低的¹O₂产率相符。

3. KI的协同增效作用

当加入100 mM的KI后，所有光敏剂的抗菌效果均得到显著提升，呈现出强大的协同效应：

• •
  ZnPc 1 + KI：在5 μM和10 μM浓度下，均能在30分钟内将细菌完全灭活，效果远超其单独使用。
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  ZnPc 2 + KI：效果最为惊人，在两种浓度下，仅需15分钟光照即可将细菌完全灭活，杀菌速度最快。
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  ZnPc 3 + KI：原本无活性的ZnPc 3，在KI的辅助下“起死回生”，在60分钟光照后也能实现细菌的完全灭活。

研究结论与意义

本研究成功设计并合成了三种新型苯硼酸功能化锌(II)酞菁光敏剂，并系统评估了其光动力抗菌活性。研究结论如下：

1. 1.
   结构决定活性：光敏剂的分子结构对其抗菌活性具有决定性影响。八取代的ZnPc 2因其较高的¹O₂产率和可能更好的细菌靶向性，成为三者中活性最强的光敏剂。
2. 2.
   KI的协同效应：碘化钾(KI)作为一种高效的化学增强剂，能显著提升所有光敏剂的杀菌效果，甚至能使原本无活性的ZnPc 3恢复抗菌能力。这种协同作用极大地拓宽了光敏剂的应用范围。
3. 3.
   ZnPc 2是最优候选：综合来看，ZnPc 2无论是在单独使用还是与KI联用时，都表现出最优异的抗菌性能，是未来开发抗耐药菌光动力疗法中最具潜力的候选分子。

这项研究的意义重大。它不仅提供了一种高效、低毒、不易产生耐药性的抗金黄色葡萄球菌新策略，还通过“光敏剂+增效剂”的组合拳，为解决抗生素耐药性这一全球性难题提供了新的思路和工具。未来，这种基于苯硼酸靶向和KI协同增效的光动力疗法，有望在临床感染治疗、医疗器械消毒以及食品安全等领域发挥重要作用。