１卷 第５期 第３０１３年９月 ２影像科学与光化学
ＩｍａｉｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＰｈｏｔｏｃｈｅｍｉｓｔｒ ｇｇｙ Ｖｏｌ．３１ Ｎｏ．５
，Ｓｅｔ．２０１３ ｐ檭檭殐檭檭檭檭檭殐
檭檭殐檭檭檭檭檭殐综 述
光动力抗菌光敏剂的研究进展
雷万华，王雪松（）中国科学院理化技术研究所光化学转换与功能材料重点实验室，北京１００１９０
摘 要：光动力抗菌化学疗法是一种结合光敏剂分子和可见光产生的活性氧物种杀灭病原微生物的抗感染治疗方法．活性氧物种能够与致病菌中的多种生物活性分子反应，这一特性使得微生物不易对该方法产生耐药性，这也是该方法本文重点介绍了近年来光动力抗菌化学疗法领域近年来备受关注的主要原因．
包括卟啉类衍生物、共轭聚合物新型光敏剂药物的研究进展，ＢＯＤＩＰＹ化合物、和钌多吡啶配合物．
关键词：光动力抗菌化学疗法；光敏剂；抗生素耐药
：／ｄｏｉ．ｉｓｓｎ．１６７４１０．７５１７０４７５．２０１３．０５．３２１－ｊ
（）文章编号：１６７４０４７５２０１３０５０３２１１４Ｏ６４ 文献标识码：Ａ－－－ 中图分类号：
病原微生物种类多样并且变异迅速，使得抗菌疗法一直面临着巨大的挑战．虽然抗生素对众多病原微生物感染有明确的治疗效果，但在抗生素与病原微生物的博弈中，抗生素已不再具有压倒性优势，以前容易对抗的许多病原微生物都出现了耐药性，致使感染导致的发病率不断增加．虽然人们还在竭尽全力开发新的抗生素，但其研发速度远远落后于病原微生物的变异速度，更严峻的是耐药性问题丝毫没有得到解决，反而越来越，出现了对数种抗生素都有耐药性的“超级细菌”引起了全世界的警觉甚至恐慌．因严重，
开发新型不易产生耐药性的抗菌药物和抗菌方法已经迫在眉睫．此，
，，光动力抗菌化学疗法（是结合光敏ＰｈｏｔｏｄｎａｍｉｃＡｎｔｉｍｉｃｒｏｂｉａｌＣｈｅｍｏｔｈｅｒａＰＡＣＴ） ｙｐｙ剂分子和可见光产生的活性氧物种对病原微生物进行灭活的一种抗菌方法，其作用机制
１］
，相似［早在一百多年前人们就观与癌症的光动力疗法（ＰｈｏｔｏｄｎａｍｉｃＴｈｅｒａＰＤＴ）． ｙｐｙ
病毒等微生物的灭活现象．然而在过去的一百多年中，光动力研究主要察到光照对细菌、
集中在对癌症等相关疾病的治疗，并发展出手术、化疗和放疗之外肿瘤临床治疗的第四——光动力疗法．种疗法—相比之下，ＰＡＣＴ的研究和应用却因上世纪中叶抗生素的发
；修回日期：收稿日期：２０１３０７１６２０１３０８０８．－－－－，：作者简介：雷万华（男，主要从事光动力疗法相关领域的基础研究；王雪松，通讯联系人，１９８３Ｅ－ｍａｉｌｘｓｗａｎ－）ｇ
ａｉｌ．ｉｃ．ａｃ．ｃｎ．＠ｍｐ
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现而逐渐被遗忘，没有得到很好的发展．目前ＰＡＣＴ在临床上主要应用于血液制品的消
２］特别是对病毒的灭活［此外，在口腔科、骨科、皮肤感染等难治性的局部感染性疾病毒，．
的治疗中Ｐ被认为是特别适合治疗口腔内细菌感染和真菌感ＡＣＴ也发挥着突出的作用，
３］染的新方法［治疗过程中光的施用仅适用于治疗局部感．ＰＡＣＴ的一个应用局限在于，
染，对全身性感染来说光在体内的传送存在很大难度．然而，ＰＡＣＴ若能有效地替代抗生素用于治疗局部感染，就可以将抗生素重点用于治疗全身性的危重感染，这既能抑制病原体对这些抗生素产生耐药性，也能降低病人使用这类抗生素带来的昂贵治疗费用．此组织、细胞等的氧化损外，ＰＡＣＴ主要依赖于光敏剂产生的活性氧物种对周围各种分子、伤，活性氧分子极高的氧化性使其没有特异性的靶目标，因而微生物不易产生对ＰＡＣＴ
４］的耐药性［随着新型光敏剂的开发和光纤技术的进步，目前Ｐ．ＡＣＴ的研究和应用取得
了一定的进展，已经成为针对细菌、真菌和病毒感染特别是耐药菌感染最有前途的新的治疗方式之一．
１］
：））光动力杀菌在分子水平存在两种作用机制［反应和Ｉ反Ｉ型（ＴｅＩＩ型（ＴｅＩＩ ｙｐｙｐ
应．光敏剂分子在吸光之后从基态首先跃迁到短寿命的单重激发态，然后通过系间窜越到达寿命较长的三重激发态．三重激发态的光敏剂分子直接与底物发生抽氢反应或电子转移反应，生成自由基或自由基离子，这些自由基再和生物分子以及氧气分子反应生成这一过程称为Ｉ型机制，也称自由基机制．三重激发态的光敏剂分子还可以与氧化产物，
１
，生成单重态氧（高反应性的１氧气发生能量转移作用，ＯＯ２）２迅速与邻近的生物分子反
应并造成损伤，这一过程称为Ｉ也称单重态氧机制．Ｉ型机制，Ｉ型机制主要发生在细菌的细胞膜，比如与不饱和磷脂分子发生抽氢反应，再进一步与氧气反应后生成脂质过氧化
５］
物，脂质过氧化反应导致细胞膜结构完整性破坏，离子通透性增加［．ＩＩ型机制则可以与６］细菌的其它靶分子作用，包括一些氨基脂、多肽、酶和受体等［通常情况下，．ＩＩ型机制被
认为是光动力氧化杀伤细菌的主要途径，因而光敏剂分子的单重态氧量子产率是影响其光动力抗菌作用的重要因素．
在近几十年的Ｐ包括卟啉类、酞菁类和酚噻嗪类等在内的多种光敏剂ＡＣＴ研究中，表现出对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌很好的抗菌光动力活性．研究发现，大多数带负电荷和不带电荷的卟啉光敏剂只对革兰氏阳性菌有杀伤作用，而对革兰氏阴性菌的作用效果却十分不理想，两种细菌对光动力治疗敏感性的不同是由它们的结构差异造成
１］的［革兰氏阳性菌的外膜由多层疏松多孔的的肽聚糖组成，小分子化合物及一些多糖、．
肽等生物分子能穿透这层膜进入细菌内部．相比之下，革兰氏阴性菌的肽聚糖层比较薄，，但在其细胞壁外还有一层由带有负电荷的脂多糖（和脂蛋白等ｌｉｏｏｌｓａｃｃｈａｒｉｄｅＬＰＳ）ｐｐｙ组成的致密结构，这层外膜是非常有效的通透性屏障，使得革兰氏阴性菌对ＰＡＣＴ十分解决这一问题主要有以下两种方法：一是增加革兰氏阴性菌外膜的通透性，比如不敏感．
用含有多个正电荷的多粘菌素Ｂ（或者金属离子络合剂ＥｏｌｍｘｉｎＢ）ＤＴＡ等来破坏外 ｐｙｙ
７］
；膜的稳定结构，使其通透性增加［二是利用带正电荷的光敏剂与带负电荷的脂多糖间
的静电相互作用来增强与革兰氏阴性菌的结合能力，进而提高其对Ｐ目ＡＣＴ的敏感性．前研究最为广泛的用于杀伤革兰氏阴性菌的光敏剂当属卟啉类光敏剂，对卟啉的结构修
第５期雷万华等：光动力抗菌光敏剂的研究进展
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）饰也千变万化，包括利用带正电荷的烷基链、多聚赖氨酸、糖类、抗菌多肽（如ａｉｄａｅｃｉｎｓｐ以及抗生素（万古霉素）等分子来进行结构修饰，以增强光敏剂与细菌的结合能力，进而
８］
提高光敏剂的光动力抗菌活性［此外，传统的吩噻嗪类（染料，如亚甲．ｈｅｎｔｈｉａｚｉｎｉｕｍ）ｐ
）、）基兰（甲苯胺蓝（等阳离子光敏剂，与革兰氏阴性菌具有ｍｅｔｈｌｅｎｅｂｌｕｅｔｏｌｕｉｄｉｎｅｂｌｕｅ ｙ在创伤及口腔感染的动物实验和体内试验中表现出了很高的光动力抗菌良好的亲和力，
９］
近年来，随着Ｐ对Ｐ活性［．ＡＣＴ受到越来越多的关注，ＡＣＴ光敏剂的开发和研究发展迅
速，出现了一些具有很好光动力抗菌活性的新型光敏剂，本文重点介绍几种卟啉类和非卟啉类光敏剂在ＰＡＣＴ中的研究进展．
１ 卟啉类光敏剂
除了对卟啉骨架结构的修饰外，利用一些高分子聚合物、生物大分子及有机／无机纳米材料作为载体是近年来卟啉类光敏剂在光动力抗菌研究中的一个热点．
１０］王树等［设计合成了一种带负电荷的水溶性聚噻吩化合物Ｐ将其与带正电荷ＴＰ，
的卟啉分子Ｔ图１）用４ＰＰＮ通过静电相互作用形成复合物（．００—８００ｎｍ的白光照射，具有光捕获作用的Ｐ从而大大提高ＴＴＰ高分子将能量有效地传递给ＴＰＰＮ，ＰＰＮ产生／）并且，带净正电荷的Ｐ和单重态氧的效率．ＴＰＴＰＰＮ复合物体系能与大肠杆菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）芽孢杆菌（的外膜很好地结合，从而使该体系对这两种细菌的光动力杀伤更Ｂ．ｓｕｂｔｉｌｉｓ为有效．
图１ 具有光动力抗菌活性的聚噻吩－卟啉复合物体系的结构及作用原理
／ＳｃｈｅｍａｔｉｃＡｎｔｉｂａｃｔｅｒｉａｌＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＰＴＰＴＰＰＮＣｏｍｌｅｘａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆＰＴＰａｎｄＴＰＰＮ ｐ
１
、报道了一种表面共价键合酞菁类光敏剂（红色）表面修饰氨基（蓝Ｃｏｌａ等１ＰＣ，
、色）内部孔道装载荧光染料（绿色）的硅铝酸盐纳晶体系（图２）此种硅铝酸盐纳ＤＸＰ，．
［］
内部多孔）粒径约５表面修饰的氨基在生理条件下为质子化状米晶体（Ｌ型沸石，０ｎｍ，态，使纳晶表面带大量正电荷，能够靶向结合在带负电荷的细菌表面，光激发下纳晶表而纳晶内部的荧光染料则同时起到面的光敏剂分子可对细菌进行有效的光动力灭活，
））对细菌识别成像的作用．此体系对耐药性大肠杆菌（及淋病奈瑟菌（Ｅ．ｃｏｌｉＮ．ｏｎｏｒｒｈｏｅａｅｇ２４ ３影 像 科 学 与 光 化 学第３１卷
均显示出极佳的光动力抗菌活性，是一种集定位成像及光灭活能力于一体的多功能光敏药物．
图２ 靶向定位、标记及光动力杀伤耐药菌的纳米体系
，，Ｔｈｅｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｕｓｅｄｔｏｔａｒｅｔｌａｂｅｌａｎｄｈｏｔｏｉｎａｃｔｉｖａｔｅａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｒｅｓｉｓｔａｎｔｂａｃｔｅｒｉａ － ｇｐ
［２］
此外，将卟啉光敏剂共价键和在带正电荷的ＦＣａｖａｌｅｉｒｏ等１ｅＳｉＯ３Ｏ４＠２核壳纳米颗
），粒的表面（图３这种负载卟啉分子的磁性纳米颗粒在水溶液中具有很好的稳定性，并且
图３ 光动力杀伤耐药菌的磁性纳米颗粒
ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＣａｔｉｏｎｉｃＮａｎｏｍａｎｅｔＰｏｒｈｒｉｎＨｂｒｉｄｓｆｏｒｔｈｅＰｈｏｔｏｉｎａｃｔｉｖａｔｉｏｎｏｆＭｉｃｒｏｏｒａｎｉｓｍｓ － ｇｐｙｙｇ
）、）对于革兰氏阴性菌大肠杆菌（革兰氏阳性菌粪肠球菌（以及ＴＥ．ｃｏｌｉＥ．ａｅｃａｌｉｓ４噬ｆ菌体病毒都具有很好的光动力杀伤活性，这也是利用磁性纳米颗粒作为卟啉光敏剂载体
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应用于ＰＡＣＴ的首次报道．
１３］
（）王雪松等［利用细胞色素ｃ这一天然蛋白质分子作为卟啉光敏剂的ｃｔｏｃｈｒｏｍｅｃ ｙ
载体（图４）细胞色素ｃ含有１在生理ｐ提高了其．９个赖氨酸残基，Ｈ条件下带净正电荷，
图４ 去铁细胞色素ｃ的结构示意图及其光动力抗菌过程
ＳｃｈｅｍａｔｉｃｒｅｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＣｔｃａｎｄｔｈｅｉｒａｎｔｉｂａｃｔｅｒｉａｌａｃｔｉｖｉｔｏｒｈｒｉｎ ｐｙｙｐｐｙ
）分子结构中的血红素（对革兰氏阴性菌Ｅ．细胞色素ｃ通过ｈｅｍｅｃｏｌｉ外膜的结合能力．，简单的脱铁处理后得到去铁细胞色素ｃ使其结构中卟啉的单重态氧产生能力被激活，从而实现对Ｅ．ｃｏｌｉ有效的光动力灭活．
２ ＢＯＤＩＰＹ类光敏剂
具有良好的溶解性、光热稳定性、强的可见光和近红外光吸ＢＯＤＩＰＹ染料结构简单，
高的荧光量子产率，广泛应用于生物标记及成像、化学传感器、发光材料等领收能力、
１４］
域［．ＢＯＤＩＰＹ染料在近红外波段的强吸收特性十分利于其在光动力疗法领域中的应
用，但是它们系间窜越效率很低，抑制了其敏化产生单重态氧的能力．通过溴或碘等原子的引入，利用重原子效应有效提高系间窜越效率和单重态氧量子产率，使得ＢＯＤＩＰＹ类
１５］光敏剂在光动力抗癌领域有了很好的应用前景［相比之下，．ＢＯＤＩＰＹ类光敏剂应用于
主要有以下几方面的原因：一是ＢＰＡＣＴ的研究报道却很少，ＯＤＩＰＹ类染料荧光普遍很
不利于高效地产生单重态氧；二是Ｂ在水中容易聚集，不利强，ＯＤＩＰＹ类染料亲脂性强，于与细菌外膜结合或穿透进入细菌．但是Ｂ可通过结构优化改善ＯＤＩＰＹ染料易于修饰，其物理化学和药物性质，以符合ＰＡＣＴ对光敏剂药物的要求．
［６］
设计合成了两个水溶性的Ｂ如ＯＤＩＰＹ类染料，ＢＯＤＩＰＹ３和ＢＯＤＩＰＹ４，Ｂａｎｆｉ等１
图５所示．它们的最大吸收波长在５油水分配系数ｌ５０ｎｍ左右，ｏＰ值分别为－１．９６和ｇ
）单重态氧量子产率分别为０．在对革兰氏阴性菌大肠杆菌（－１．００，１９５和０．０８．Ｅ．ｃｏｌｉ）和革兰氏阳性菌木糖葡萄球菌（的光灭活实验中，Ｓ．ｘｌｏｓｕｓＢＯＤＩＰＹ３和ＢＯＤＩＰＹ４表 ｙ２／现出很好的光动力活性，当光剂量为２时，０．７ＪｃｍＢＯＤＩＰＹ３对Ｅ．ｃｏｌｉ和Ｓ．ｘｌｏｓｕｓ ｙ，ＭＢ的最低杀菌浓度（杀菌率９分别为１．ｍｉｎｉｍａｌｂａｃｔｅｒｉｃｉｄａｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎＣ，９．９９％）７
／／ｍｏｌＬ和０．７μｍｏｌＬ；ＢＯＤＩＰＹ４对Ｅ．ｃｏｌｉ和Ｓ．ｘｌｏｓｕｓ的最低杀菌浓度分别为６．６ ｙμ
／／可以看出，阳离子型的ＢｍｏｌＬ和１．６μｍｏｌＬ．ＯＤＩＰＹ类染料很有潜力成为一类有效μ
的新型ＰＡＣＴ光敏剂．