靶向耐药微生物的高效抗菌氯代铟(III)酞菁敏化剂：理化性质、光生物验证及密度泛函理论见解

《Pharmaceutics》：Potent Antimicrobial Chloroindium(III) Phthalocyanine Sensitizer Targeting Drug-Resistant Microbes: Physicochemical, Photobiological Validation and DFT Insights

　　

研究人员评估了带有4-磺酰基苯氧基的氯代铟(III)酞菁配合物（InPc）的敏化性能。研究人员评估了其在光照下形成单线态氧的能力，并计算单线态氧量子产额ΦΔ为0.82 ± 0.04。在敏化剂超声暴露下（1 MHz，3 W，40%占空比），观察到显著的1,3-二苯基异苯并呋喃分解。此外，该大环化合物被判定为中等至高等光稳定性和声稳定性的敏化剂。密度泛函理论（DFT）研究支持了实验结果，表明InPc是一种良好的光化学剂。从全局反应参数分析表明，InPc在溶液相中易于与富电子物种（如各种自由基）相互作用，并且也应能与亲电物种相互作用。结论显示，研究的InPc表现出高效的光动力抗菌活性，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）达到>4 log10的微生物生长减少，对氟康唑耐药白色念珠菌（Candida albicans）达到4.08 ± 0.29 log10（剂量为100 μM和50 J/cm2）。有趣的是，所研究的光敏剂对产超广谱β-内酰胺酶的 Escherichia coli 无活性。

该研究发表于《Pharmaceutics》。目前抗菌药物耐药性已成为全球健康威胁，传统抗生素对细菌及真菌感染日益失效，临床末期候选药物有限，亟需非传统方法如抗菌光动力疗法（aPDT）及声动力疗法（SDT）。光动力疗法核心依赖光敏剂（PS）在特定波长光激活下产生活性氧（ROS）诱导氧化应激致死微生物，理想光敏剂需具备高单线态氧量子产额、强治疗窗口吸收、光稳定性及低暗毒性。酞菁（Pc）类因近红外强吸收、高消光系数及化学稳定性成为最具前景的光敏剂之一，其中铟酞菁因闭壳层抗磁性阳离子特性增强ROS生成能力与稳定性备受关注。然而，水溶性磺化铟(III)酞菁作为敏化剂在声化学与光化学应用中的性质尚未见报道，且阴离子磺化基团虽提升水溶性并防聚集，其在抗多重耐药菌中的潜力需进一步验证。因此，研究人员开展了对带有4-磺酰基苯氧基的非周边取代氯代铟(III)酞菁（InPc）的理化、光生物及理论计算综合研究，旨在评价其作为新型光敏化与声敏化剂的潜力。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：通过分光光度法测定光降解量子产额及以1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）为猝灭剂间接测定单线态氧生成量子产额（Φ_Δ）；在1 MHz、3 W、40%占空比超声参数下评估声稳定性及超声诱导DPBF分解；以耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、产超广谱β-内酰胺酶大肠杆菌（ESBL+ E. coli）及氟康唑耐药白色念珠菌（C. albicans）为微生物模型，在10–100 μM光敏剂浓度及50–100 J/cm²辐照量下评估光动力抗菌效力；采用Gaussian 16程序包在B3LYP/[In:Lanl2dz;C,H,N,O,S,Cl:6-31G*]水平进行密度泛函理论（DFT）与含时密度泛函理论（TDDFT）计算，结合IEF-PCM溶剂模型分析四种异构体几何结构、前线分子轨道（MO）、分子静电势（MEP）及全局反应参数（GRP）。

3.1. 光化学与声化学性质

研究人员发现InPc在DMF中呈现典型酞菁吸收带，Soret带300–450 nm，Q带600–750 nm，Q带最大摩尔吸光系数log₁₀ε = 4.56（690 nm）。因纯水中易形成光失活H型聚集体，光学测量均在DMF单体态下进行。光降解量子产额Φ_P达10^?4量级，属中等至高光稳定性；单线态氧量子产额Φ_Δ高达0.82 ± 0.04，优于参照锌(II)酞菁（ZnPc）。超声暴露下InPc呈一级动力学分解，半衰期t_0.5约31分钟，具中等声稳定性；超声诱导DPBF分解半衰期t_0.5DPBF为3.7 ± 0.3分钟，显示高效ROS生成能力，归因于In-Cl轴向基团无空间位阻使宏环易接触ROS。

3.2. 光生物学评价

暗毒性实验显示InPc在各菌株中log₁₀减少低于0.5，无显著暗毒性。在100 μM与100 J/cm²剂量下，对MRSA达>4 log₁₀减少，对氟康唑耐药C. albicans达4.08 ± 0.29 log₁₀减少；对ESBL+ E. coli几乎无活性。研究人员认为革兰阳性菌MRSA单层膜利于阴离子磺酸基InPc渗透，且其NorA外排泵对阳离子选择性高，忽略阴离子PS；而革兰阴性菌E. coli的AcrAB-TolC复合物虽可转运大分子，但InPc缺乏正电荷致膜静电结合弱，活性受限。真菌C. albicans在低浓度无活性亦符合阴离子大环与真菌细胞亲和低的已知特征。

3.3. DFT研究

DFT优化得到四种磺酰基苯氧基取向不同的异构体，在隐式水与DMF中异构体4（一上三下）与异构体2（四上）能量差仅0.18 kcal/mol，可共存并易通过基团旋转适应环境。所有异构体HOMO-LUMO能隙约2.08 eV，TDDFT计算Q带波长690.34 nm（DMF）与实验712 nm吻合。In离子显著正电荷（1.89e），Cl负电荷（?0.65e），磺酸基氧负电荷大，分子偶极矩4–16 D不等，强化与水及极性生物分子的偶极-偶极及氢键作用。前线轨道均定域于Pc核，取代基与In-Cl无贡献。全局反应参数显示IP约5.49 eV、EA约3.41 eV，具较高电子接受倾向（ω⁺ ≈ 2.80 eV）与更强电子供给倾向（ω^? ≈ 7.25 eV），表明InPc在溶液中易与富电子自由基及亲电氧物种作用，可作自由基抑制剂。

讨论部分指出，InPc高Φ_Δ源于闭壳层氯代铟(III)阳离子自旋轨道耦合及非周边吸电子磺酰基增强效应；中等光/声稳定性由大半径In³⁺致平面畸变与溶剂作用共同决定。阴离子磺酸基兼顾水溶性与抗聚集，却影响对革兰阴性菌与真菌的亲和性。DFT证实异构体柔性适应环境与实验光谱一致，MEP与GRP阐明其极性相互作用与氧化还原活性。结论部分表明，非周边4-磺酰基苯氧基铟(III)酞菁（InPc）具高单线态氧产额（Φ_Δ = 0.82 ± 0.04）、中等光/声稳定性及超声诱导ROS能力；DFT揭示多异构体共存、Pc核主导光电性质、强极性相互作用与双向电子反应活性；在aPDT中对MRSA与氟康唑耐药C. albicans分别实现>4 log₁₀与4.08 ± 0.29 log₁₀杀灭，对ESBL+ E. coli无活性，为耐药微生物非传统疗法提供潜在敏化剂依据。