一种苯基-BODIPY衍生物与小胶质细胞之间的协同光动力抗菌作用

《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》：Synergistic photodynamic antimicrobial activity of a phenyl-BODIPY derivative with microglial cells

　　

摘要

随着抗菌素耐药性危机的日益严重，迫切需要开发能够绕过传统抗生素局限性的创新治疗策略。光动力疗法（PDT）提供了一种有前景的非侵入性替代方案，但单一模式的PDT通常需要高剂量的活性氧（ROS），这可能危及生物安全性。本文报道了一种协同抗菌策略，将合理设计的基于硼二吡咯甲烯（BODIPY）的光敏剂与BV-2小胶质细胞结合使用，实现了“1 + 1 > 2”的抗菌效果提升。合成了一个在中位苯位点上取代的BODIPY衍生物PhBDP，该衍生物在光照下能高效生成单线态氧（1??），对革兰氏阴性菌大肠杆菌（Escherichia coli）和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）具有强效的光动力活性，同时具有良好的暗毒性。值得注意的是，当与BV-2小胶质细胞结合使用时，PhBDP表现出显著的协同抗菌效果，在乙醇中对抗大肠杆菌的最大协同率为148％，在二甲基亚砜（DMSO）中对抗这两种细菌的协同率至少为116％。这种协同效应源于PhBDP介导的光动力杀伤作用与活化小胶质细胞的免疫调节活性之间的互补作用。我们的发现表明PhBDP是一种有前景的光敏剂，可用于协同光动力抗菌治疗，并强调了将BODIPY衍生物与宿主免疫细胞结合的潜力，这是一种在最小化脱靶效应的同时对抗细菌感染的多功能平台。

引言

细菌感染的日益增长，加上抗菌素耐药性的迅速蔓延，对全球公共卫生构成了严峻挑战[1]、[2]、[3]。传统抗生素效力的下降凸显了寻求能够绕过现有耐药机制的创新治疗策略的迫切需求[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。光动力疗法（PDT）作为一种有前景的非侵入性方法，因其高时空选择性、广谱活性、低全身毒性和低诱导耐药性的潜力而备受关注[9]、[10]。PDT或抗菌光动力疗法（aPDT）通过光敏剂（PS）、特定光源和分子氧的协同作用发挥作用[11]。光敏剂在光激发下通过能量或电子转移生成活性氧（ROS），这些ROS会对细菌的关键成分（包括细胞膜、蛋白质和核酸）造成氧化损伤，最终导致微生物失活[12]、[13]、[14]。

在众多光敏剂中，硼二吡咯甲烯（BODIPY）衍生物因其出色的光物理性质（如高摩尔吸收系数、可调的光物理特性和优异的化学稳定性）而备受关注[15]、[16]、[17]、[18]。BODIPY核心的易于功能化进一步使其能够被合理设计成具有靶向性和高效性的光敏剂[19]、[20]。然而，仅依赖PDT往往需要高剂量的ROS，这可能会无意中引发炎症反应或损害邻近的健康组织[21]、[22]、[23]。此外，ROS的短扩散距离和短暂寿命可能限制其在复杂生物环境中的治疗效果。因此，开发结合互补作用机制的协同抗菌策略已成为提高抗菌效果并减轻潜在副作用的重点[24]。

在此背景下，中枢神经系统中的常驻免疫细胞——小胶质细胞，成为一个有趣的协作靶点。除了在维持神经稳态中的作用外，小胶质细胞还是神经炎症的关键调节者，并在激活后表现出强大的杀菌活性[25]、[26]。利用光动力效应与小胶质细胞免疫反应之间的相互作用，可以实现“1 + 1 > 2”的协同效应，即直接的光杀伤作用得到宿主免疫调节的增强[27]、[28]。

本文报道了一种在中位苯位点上取代的BODIPY衍生物PhBDP的合成及其协同抗菌效果评估。在meso位置引入苯环扩展了π共轭系统，显著增强了光敏剂生成单线态氧（1?2）的能力。我们系统评估了PhBDP对革兰氏阴性菌大肠杆菌（Escherichia coli）和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的光动力抗菌活性。此外，我们还研究了将PhBDP介导的光动力作用与BV-2小胶质细胞结合所实现的协同抗菌效果，旨在建立一个结合直接光杀伤和宿主免疫调节的复合平台。这项研究为基于BODIPY的光敏剂在先进协同抗菌应用中的发展提供了新的视角。

章节摘要

材料

除非另有说明，所有试剂和溶剂均为市售产品，使用前无需进一步纯化。苯甲醛、2,4-二甲基吡咯、二氯甲烷、三氟乙酸（TFA）、四氯对苯醌、三氟化硼乙醚合物（BF?·OEt?）、硫酸钠、正己烷、乙酸乙酯、三乙胺（TEA）、乙醇（EtOH）和二甲基亚砜（DMSO）均购自Sigma-Aldrich Chemical Co。大豆蛋白胨肉汤、琼脂糖粉末、酵母提取物粉末和钠也用于实验。

合成与表征

PhBDP的合成路线如图1所示。该化合物通过TFA催化的苯甲醛与2,4-二甲基吡咯缩合生成二吡咯甲烯中间体，随后在四氯对苯醌的作用下氧化，并在三乙胺的存在下与BF?·OEt?形成复合物。PhBDP的结构通过1H NMR光谱得到确认。PhBDP在乙醇（EtOH）和二甲基亚砜（DMSO）中的紫外-可见光吸收和荧光发射光谱也进行了测定。

结论

总结来说，我们合成了一种在中位苯位点上取代的BODIPY衍生物PhBDP，它对革兰氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌均表现出高效的光动力抗菌活性，并具有良好的生物相容性。值得注意的是，当PhBDP在与BV-2小胶质细胞结合时，在生物相容浓度范围内表现出协同抗菌效果。使用乙醇作为溶剂时，PhBDP的最大协同率为148％。

CRediT作者贡献声明

刘博：撰写 – 原初稿撰写、可视化、研究、概念化。李健：撰写 – 审稿与编辑、监督、形式分析。顾明敏：撰写 – 审稿与编辑、验证、概念化。杨楠：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、项目管理工作。郎茂然：撰写 – 审稿与编辑、形式分析、数据管理。韩亚丽：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、研究支持。寇波：撰写 – 审稿与编辑、可视化、研究支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的支持：中国国家自然科学基金（项目编号：51803068）、江苏省青龙计划、江苏省先进结构材料与应用技术重点实验室开放基金（项目编号：ASMA202506）、南京工业大学引进人才科研启动基金（项目编号：YKJ202506）、江苏省卫生健康委员会研究项目（项目编号：M2022082）。

刘博 | 李健 | 顾明敏 | 杨楠 | 姓茂然 | 韩亚丽 | 库波 | 楼平 | 丁文正 | 林文海 | 朱永青 | 吴强 | 曲泉南京工业大学材料科学与工程学院、医工创新研究所、江苏省先进结构材料与应用技术重点实验室，中国江苏省南京市江宁科学园洪泾大道1号，邮编211167