氨基吡嗪鎓功能化锌(II)酞菁作为抗金黄色葡萄球菌的光敏剂

《Journal of Photochemistry and Photobiology》：Aminopyrazinium-Functionalized Zinc(II) Phthalocyanine as Photosensitizer Against Staphylococcus aureus

　　

合成了四取代的氨基吡嗪和氨基吡嗪鎓锌(II)酞菁（ZnPcs 1, 1a）并对其进行了表征。在白光照射下，ZnPc 1a通过Type I机制高效产生活性氧（reactive oxygen species, ROS）。使用ZnPc 1a在5.0和10.0 μM浓度下、白光照射（100 mW cm-2）条件下对金黄色葡萄球菌（S. aureus）进行光灭活（photodynamic inactivation, PDI）。ZnPc 1a在S. aureus中表现出高效的PDI效率，在15分钟照射内实现超过8 Log CFU/mL的活力降低。ZnPc 1a可被视为用于抗菌PDI应用的强效光敏剂。

研究背景与意义

抗生素耐药性的持续蔓延已成为全球公共卫生领域最严峻的威胁之一。据全球健康报告显示，2019年约有170万人死于抗生素耐药菌感染，若缺乏有效应对措施，预计到2050年每年死亡人数将高达1000万。2018年至2023年间，抗生素耐药发生率增长超过40%，反映出耐药菌株的加速进化和传播。传统抗生素疗效的不断下降，迫切需要开发能够克服微生物耐药机制的新型高效治疗策略。光动力灭活（photodynamic inactivation, PDI）作为一种新兴的抗菌策略，通过光敏剂（photosensitizer, PS）、光照射和分子氧的协同作用产生活性氧（reactive oxygen species, ROS），对生物结构造成氧化损伤，具有广谱抗菌、不易产生耐药性等优势，成为传统抗生素的有力替代方案。

酞菁（phthalocyanines, Pcs）因其在治疗窗口内的强吸收以及可通过外围取代调节电子性质，成为极具潜力的光敏剂。然而，酞菁在水性介质中溶解度低的问题严重限制了其生物利用度和实际应用。将杂环取代基引入酞菁结构可调节其光物理行为和生物活性，同时提高溶解度。氨基吡嗪衍生物已被证实具有优良的抗菌活性，但其本身缺乏光动力性质。将氨基吡嗪基团外围引入酞菁核心，有望实现靶向亲和力与ROS生成能力的协同增效。进一步通过季铵化将氨基吡嗪转化为带正电荷的氨基吡嗪鎓取代基，可增强与革兰氏阳性菌细胞壁负电荷组分（如磷壁酸）的静电相互作用，促进细胞结合并提高PDI效率。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA）作为重要的临床病原菌，其生物膜形成能力和多重耐药性对公共卫生构成重大挑战。基于上述背景，研究人员设计并合成了新型四取代氨基吡嗪和氨基吡嗪鎓锌(II)酞菁（ZnPcs 1和1a），系统评估阳离子型氨基吡嗪鎓外围结构对光物理性质和生物性能的增强作用，旨在开发一种高溶解度、静电驱动的光敏剂，实现对MRSA等耐药临床分离株的快速有效光灭活。

关键技术与方法

研究人员采用微波辅助合成技术制备目标化合物。首先以4-氟邻苯二甲腈和氨基吡嗪为原料，在碳酸铯存在下于无水DMF中反应合成中间体4-(吡嗪-2-基氨基)邻苯二甲腈（Pht 1），产率60%。随后在微波反应体系中，以正戊醇为溶剂，加入醋酸锌和DBU催化环化反应合成ZnPc 1，产率90%。ZnPc 1a通过ZnPc 1与过量硫酸二甲酯在DMF中反应进行季铵化获得，产率53%。化合物结构经¹H NMR和高分辨质谱（HRMS）表征确认。光物理性质通过紫外-可见吸收光谱、荧光光谱和单线态氧量子产率测定进行评估，以ZnPcF₁₆为参比标准。

研究结果

合成与表征：通过微波辅助合成成功制备了四取代氨基吡嗪锌(II)酞菁（ZnPc 1）及其季铵化衍生物氨基吡嗪鎓锌(II)酞菁（ZnPc 1a），产率分别为90%和53%。¹H NMR和HRMS分析确认了目标化合物的成功合成。ZnPc 1的HRMS显示m/z 994.13013 [M+2Na+1e^-]⁺，ZnPc 1a显示m/z 1128.31421 [M+4H+11e^-]⁺，与理论分子量一致。

光物理性质：紫外-可见吸收光谱显示，ZnPc 1在DMF中的最大吸收波长为359、640和702 nm，ZnPc 1a为368、624和694 nm。荧光量子产率测定表明，ZnPc 1的Φ_F为0.08，ZnPc 1a的Φ_F为0.05。单线态氧量子产率测定显示，ZnPc 1的Φ_Δ为0.009，ZnPc 1a的Φ_Δ为0.008。值得注意的是，尽管两种化合物的单线态氧量子产率较低，ZnPc 1a在白光照射下通过Type I机制高效产生ROS，包括超氧阴离子自由基（O₂^•?）、羟基自由基（OH^•）和过氧化氢（H₂O₂），表明其ROS生成主要依赖Type I途径而非Type II途径。

抗菌光灭活研究：在5.0和10.0 μM浓度下，使用白光照射（100 mW cm^-2）对金黄色葡萄球菌进行光灭活实验。结果显示，ZnPc 1a在15分钟照射内实现了超过8 Log CFU/mL的细菌活力降低，表现出极高的PDI效率。这种高效的抗菌效果归因于阳离子氨基吡嗪鎓取代基与细菌细胞壁负电荷组分的静电相互作用，促进了光敏剂在细菌表面的富集，使得短寿命ROS能够在紧邻关键细胞靶标的位置产生，从而最大化氧化损伤效应。

讨论与结论

研究结果表明，将氨基吡嗪鎓阳离子基团引入锌(II)酞菁外围结构，成功构建了一种兼具高水溶性和高效抗菌PDI活性的新型光敏剂。ZnPc 1a通过Type I机制产生活性氧，避免了传统酞菁光敏剂对氧气浓度的高度依赖，在低氧环境下仍能保持高效的抗菌活性。阳离子取代基的引入不仅改善了化合物的水溶性，还通过静电相互作用增强了与革兰氏阳性菌的结合能力，实现了快速高效的细菌灭活。该研究为开发新型抗菌光敏剂提供了重要的分子设计策略，ZnPc 1a可作为治疗MRSA等耐药菌感染的潜在候选光敏剂，具有重要的临床应用前景。