细菌感染是全球公共卫生面临的重大威胁，每年导致数百万人死亡。然而，抗生素的滥用和过度使用导致了抗菌素耐药性（AMR）的加剧，使得细菌感染的治疗变得愈发困难。更严峻的是，细菌生物膜——一种被蛋白质和多糖胞外基质包裹的微生物群落——进一步加剧了治疗困境，临床上往往需要增加抗生素剂量或重复给药。但传统抗生素不仅疗效有限，还容易诱导细菌产生耐药性。因此，开发新型抗菌策略和药物已成为当务之急。
在此背景下，抗菌光动力疗法（aPDT）作为一种极具前景的治疗策略，因其非侵入性、全身毒性低和不易诱导耐药性等固有优势而受到越来越多的关注。在适当波长光照射下，光敏剂（PS）吸收光能，随后产生细胞毒性的活性氧（ROS）。这些ROS在照射区域内对细菌必需的细胞成分（如脂质、蛋白质和核酸）造成不可逆的氧化损伤，从而快速、广谱地灭活病原菌，并显著降低耐药性发展的风险。此外，aPDT在对抗生物膜相关感染方面也显示出巨大潜力，因为产生的ROS可以穿透致密的生物膜基质并造成广泛损伤。
然而，许多传统光敏剂常受到聚集导致淬灭（ACQ）效应的影响，即在聚集状态下发生荧光淬灭和ROS生成能力降低，从而严重损害其治疗效果。值得注意的是，具有聚集诱导发射（AIE）特性的光敏剂（AIE PSs）已成为克服传统局限性的有前景策略。这些AIE光敏剂利用聚集态下受限的分子内运动（RIM）来放大荧光强度和ROS生成效率。这种固有的“聚集开启”机制，协同增强光动力输出，使得AIE PSs特别适用于需要局部高浓度的应用，如对抗细菌和生物膜相关感染。
尽管合成AIE PSs取得了显著进展，但天然产物（NPs）及其衍生的生物源AIE光敏剂（BioAIE-PSs）构成了一个具有巨大潜力的新兴前沿领域。天然产物天生具有优异的生物相容性、天然可生物降解性，并且通常具有固有的药理活性。然而，现有纯天然BioAIE-PSs的固定结构和复杂提取过程严重限制了其性能优化。因此，利用天然产物的固有优势，通过化学修饰开发具有天然产物结构骨架的新型BioAIE-PSs，已成为克服纯天然BioAIE-PSs局限性的关键策略。
有趣的是，许多缺乏AIE特性的天然产物代表了一个更丰富的宝库，包含了大量具有优异生物相容性、固有抗菌活性和结构多样性的天然分子。引人注目的是，许多这些极具潜力的分子恰恰表现出ACQ的光物理现象。尽管ACQ效应限制了它们在聚集态下的发光效率和ROS生成，从而限制了它们作为高效PS的直接应用，但这些分子的核心骨架和固有生物活性为设计新型BioAIE-PSs提供了非常有价值的起点。
在这项发表于《Materials Today Bio》的研究中，研究人员基于PDT的治疗前景和天然产物的独特优势，合理设计并开发了一种BioAIE-PS。白叶藤碱（CRY）是一种天然存在的吲哚喹啉生物碱，分离自非洲药用植物Cryptolepis sanguinolenta的根部，具有固有的抗菌生物活性。然而，作为一种ACQ分子，其低ROS生成能力阻碍了其作为高效光敏剂的应用。为此，研究人员将经典的AIE活性三苯胺（TPA）结构与CRY整合，构建了一种给体-受体（D-A）型BioAIE-PS（TPA-CRY）。这种方法不仅赋予了CRY强大的AIE特性，同时显著提高了其ROS生产效率。
为开展研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：有机合成与分子表征（包括核磁共振波谱和高分辨质谱确认TPA-CRY结构）、光物理性质分析（紫外-可见吸收光谱和光致发光光谱评估AIE特性及ROS生成能力）、理论计算（密度泛函理论DFT分析电子结构和ROS产生机制）、体外抗菌活性评估（最小抑菌浓度MIC测定、时间杀菌曲线、抗生物膜及持留菌实验）、作用机制研究（膜电位/通透性检测、细菌成像、ROS检测）、细胞相容性评价（溶血实验、细胞毒性试验）以及体内疗效验证（小鼠MRSA伤口感染模型，结合组织学分析和炎症因子检测）。
2. 结果与讨论
2.1. CRY和TPA-CRY的分子表征
研究人员设计并合成了以CRY为核心受体单元、TPA为强给体单元的D-A型有机小分子TPA-CRY。光物理性质表征表明，与CRY相比，TPA-CRY在400-550 nm波长范围内的吸收峰发生明显红移。在DMSO/甲苯混合溶剂体系中，随着不良溶剂甲苯比例的增加，TPA-CRY的荧光发射显著增强，表明其具有明显的AIE性质。TPA-CRY在DMSO中的荧光量子产率（QY）仅为0.3%，而在固态下其QY显著增强至13.8%。相比之下，CRY在氯仿溶液中的QY（15.9%）高于固态（3.7%），表现出ACQ效应。动态光散射测量显示，TPA-CRY和CRY在PBS中均能形成聚集体，平均直径分别为167.8 nm和289.9 nm。
2.2. CRY和TPA-CRY的光动力特性
为了研究TPA-CRY和CRY的光敏化能力，研究人员使用了多种ROS探针评估ROS的生成。在白光照射下，含有TPA-CRY的溶液中DCFH（总ROS指示剂）的荧光强度增强了104.4倍，显著高于商业光敏剂玫瑰红（RB）和二氢卟酚e6（Ce6），而CRY溶液仅增强10.2倍。使用ABDA（单线态氧1O2探针）检测发现，TPA-CRY能有效生成1O2。此外，使用DHR123（超氧阴离子O2−•探针）和HPF（羟基自由基•OH探针）证实TPA-CRY还能有效触发I型ROS（O2−•和•OH）的生成，且在缺氧条件下仍能产生活性氧。电子自旋共振（ESR）实验直接证实了TPA-CRY在光照下能产生1O2、O2−•和•OH。理论计算表明，TPA-CRY的HOMO（最高占据分子轨道）和LUMO（最低未占分子轨道）空间分离程度更高，单重态-三重态能隙（ΔEST）更小，有利于系间窜越（ISC），从而促进ROS生成。
2.3. CRY和TPA-CRY的抗菌活性
体外光动力抗菌性能评估显示，低浓度（1 μM）的TPA-CRY在白光照射下即可消灭超过99%的金黄色葡萄球菌（S. aureus）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）。TPA-CRY与CRY或TPA的物理混合物则无显著抗菌活性，表明其优异性能源于工程化的分子结构。TPA-CRY对S. aureus的最小抑菌浓度（MIC）在黑暗条件下为8 μM，光照下降低至2 μM，而CRY的MIC在光照前后均为32 μM。时间杀菌曲线显示，光照下的TPA-CRY可在1小时内完全清除S. aureus。值得注意的是，连续传代20天后，TPA-CRY对S. aureus的MIC仅增加4倍，而诺氟沙星（Nor）的MIC增加了256倍，表明TPA-CRY不易诱导细菌耐药性。TPA-CRY对革兰氏阴性菌大肠杆菌（E. coli）的抗菌效果相对较弱，这与其复杂的细胞外膜结构有关。
2.4. TPA-CRY的抗菌机制
机制研究表明，TPA-CRY以浓度依赖性方式引起S. aureus膜去极化和膜通透性增加，并导致细胞内核酸泄漏。通过添加外源性细菌膜成分（心磷脂CL和磷脂酰甘油PG）可显著减弱TPA-CRY的抗菌活性，表明其靶向细菌膜成分CL和PG。扫描电子显微镜（SEM）观察发现，光照下的TPA-CRY处理导致S. aureus膜严重破碎。此外，TPA-CRY能在细菌内诱导浓度依赖性的ROS积累，而在人脐静脉内皮细胞（HUVEC）中则未检测到明显的ROS增加，显示了其良好的选择性。
2.5. TPA-CRY的荧光成像
zeta电位测量和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）成像显示，TPA-CRY与S. aureus的结合亲和力强于E. coli，并能诱导S. aureus发生聚集。TPA-CRY与细菌结合后，由于分子内运动受限，荧光强度显著增强（AIE效应），且其荧光信号与细胞核染料Hoechst 33342的信号高度共定位。
2.6. TPA-CRY的抗生物膜和抗持留菌特性
TPA-CRY对S. aureus生物膜表现出强大的破坏作用。CLSM和SEM成像显示，光照下的TPA-CRY处理能显著减少生物膜厚度和细菌存活量，杀菌率超过99.9%。使用DCFH-DA探针证实TPA-CRY能渗透到生物膜内部并有效产生ROS。更重要的是，TPA-CRY对利福平诱导的S. aureus持留菌也具有强大的杀灭作用，效果显著优于万古霉素（Van）。
2.7. TPA-CRY的细胞生物相容性
TPA-CRY表现出优异的生物相容性。即使在高达256 μM的浓度下，其对哺乳动物红细胞的溶血率仍低于3%。CCK-8实验表明TPA-CRY对HeLa和HUVEC细胞毒性极低。CLSM成像显示，有效抗菌浓度（5 μM）的TPA-CRY与HUVEC细胞相互作用较弱，细胞内荧光信号微弱。
2.8. TPA-CRY的体内抗菌功效
在小鼠MRSA皮肤感染模型中，TPA-CRY光照治疗组表现出最快的伤口愈合速度（第7天伤口闭合率达75%）和体重恢复。与PBS对照组相比，治疗组伤口处细菌负荷显著降低，炎症细胞浸润明显减轻，胶原纤维沉积增加。皮肤组织匀浆中炎症因子白细胞介素-6（IL-6）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的水平也显著下降。
3. 结论
本研究通过分子工程学设计，以天然产物CRY为核心受体单元，TPA为强给体单元，成功设计合成了D-A型BioAIE-PS TPA-CRY。有趣的是，CRY仅产生弱的I型ROS，而TPA-CRY能同时产生增强的I型和II型ROS。这种机制转变驱动了抗菌效能的显著放大，使TPA-CRY在光照条件下能够以低浓度（1 μM）有效杀灭超过99%的S. aureus和MRSA。此外，TPA-CRY能有效破坏生物膜并清除持留菌。机制研究表明，TPA-CRY通过破坏细菌膜完整性和光激活ROS诱导氧化损伤来发挥杀菌作用。至关重要的是，TPA-CRY表现出优异的生物相容性，并能加速小鼠伤口感染模型中的细菌清除，促进伤口愈合。这项工作凸显了将ACQ型天然产物结构修饰转化为BioAIE-PS用于抗菌应用的潜力，推进了基于BioAIE-PS的光动力疗法的发展。
讨论与意义
该研究的成功之处在于巧妙地将天然产物的生物活性优势与AIE材料的光物理特性相结合。通过对固有ACQ特性的天然抗菌分子CRY进行合理的结构修饰，不仅克服了其作为光敏剂的关键缺陷（ACQ效应和弱ROS生成），还赋予了其AIE特性，实现了ROS生成效率的质的飞跃。TPA-CRY能够产生兼具I型和II型的ROS，这对于克服实体瘤或生物膜内部常存在的缺氧微环境尤为重要，因为I型ROS的生成对氧气依赖较低。其对细菌生物膜和持留菌的强大杀伤能力，解决了传统抗生素疗法面临的重大挑战。优异的靶向细菌特性（对革兰氏阳性菌）和低细胞毒性则为其临床应用安全性提供了保障。体内实验证实了其有效的治疗潜力。该策略为从丰富的天然产物库中开发新型、高效、低毒的抗菌光敏剂提供了普适性思路，对于应对日益严峻的抗菌素耐药性危机具有重要意义。
