血红素修饰碳点用于细菌感染的特异性成像和光动力治疗

　　第一作者：Ke Cheng
　　通讯作者：孙山，林恒伟
　　通讯单位：江南大学
　　研究速览
　　近期，江南大学林恒伟教授团队孙山副教授在Small上发表了血红素修饰碳点对细菌感染的特异性化学发光成像和增强光动力治疗的研究工作。抗菌光动力疗法（aPDT）是一种很有前途的细菌性传染病抗生素替代策略，具有广谱抗菌活性，诱导细菌耐药性的风险很低。然而，aPDT的临床应用仍然受到传统光敏剂的疏水性引起的光动力活性不足和细菌感染的缺氧微环境的阻碍。为了解决这些问题，本文开发了一种有前途的策略，使用血红素修饰的碳点（H-CDs）实现细菌感染的特异性化学发光（CL）成像和增强的PDT。H-CDs容易制备，并表现出良好的水溶性、增强的光动力活性和独特的过氧化物酶模拟能力。与游离CDs相比，由于电子-空穴分离效率的提高，H-CDs的光动力效率显著增强。此外，H-CDs的过氧化物酶催化性能不仅能够通过细菌感染微环境响应CL成像进行感染识别，而且还能够通过缓解缺氧的自给氧气aPDT增强细菌灭活效果。最后，H-CDs增强的aPDT效率在体内脓肿和感染伤口模型中都得到了验证。这项工作可能为细菌感染的选择性成像指导治疗提供一个有效的抗菌平台。
　　要点分析
　　要点一： 本研究设计和合成了血红素修饰的CDs（命名为H-CDs），其具有增强的光动力活性、O2自供给能力和化学发光（CL）成像引导的细菌感染识别能力。
　　要点二： H-CDs具有优异水溶性，从而克服了传统光敏剂的分散问题和ACQ效应。由于电子-空穴分离效率的提高，H-CDs的本征光动力活性明显提高。基于H-CDs的过氧化物酶催化活性实现氧自供给aPDT。基于H-CDs的发光系统可以提供选择性和实时的CL成像，这将摆脱激发光穿透深度和背景噪声的限制。H-CDs有望用于精确的细菌感染成像和增强aPDT高效灭活细菌。
　　图文导读
　　图1. a）H-CDs的TEM图像。b）FTIR光谱，c）ζ-电位，d）紫外-可见吸收光谱，以及e）CD和H-CD的FL发射光谱。f）添加CDs和H-CDs后，525nm处SOSG的FL强度作为激光照射时间的函数。g）瞬态光电流响应光谱，h）EIS光谱，以及i）CDs和H-CDs的能带图。
　　图2. a）H-CDs触发CL成像和O2增强的1O2产生的示意图。b）在不同浓度的H-CDs存在下H2O2的降解曲线。c）H-CDs和d）10分钟反应过程中H2O2浓度依赖性O2产生曲线。e）在H2O2存在下H-CDs催化的L012的CL光谱。f）H2O2浓度依赖的CL强度变化和相应的CL图像。g）H-CDs浓度依赖性CL强度变化和相应的CL图像。h）h-CDs催化的L012的CL强度作为时间和时间分辨CL图像的函数。i）通过记录525nm处的SOSG探针强度来检测H-CDs和CDs在660nm激光照射的低氧充氮气条件下的光动力学功效。
　　图3. a）用不同浓度的H-CDs处理的金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌在激光照射或不照射的情况下的菌落照片，以及b–e）相应的抗菌效率统计图。f）H-CDs对革兰氏阳性菌选择性灭活机制的示意图。g）金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的活/死FL染色图像和SEM图像。h）金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的CLSM图像。用H-CDs孵育的金黄色葡萄球菌的相应3D荧光图像。
　　图4. a）使用H-CDs对金黄色葡萄球菌引起的脓肿进行成像的示意图。b）模型建立后第1天和第3天局部注射不含和含L012的H-CDs后小鼠的体内FL和CL图像以及相应的定量结果。c）模型建立后第3天连续注射H-CDs和L012后小鼠的体内CL图像和相应的定量结果。
　　图5. a）脓肿模型的构建和治疗程序的示意图。b）在各种治疗后的观察期内定期拍摄的代表性金黄色葡萄球菌感染小鼠的照片，以及第13天从金黄色葡萄菌感染小鼠的病变组织中的菌落计数和相应菌落照片。c） 第1、7和13天不同治疗的模拟脓肿区域，以及d）相应的统计脓肿缩小率。e）由菌落计数结果决定的各种处理的抗菌效率。f）治疗后第13天从不同治疗组收集的皮肤组织的H&E和Masson染色图像。
　　图6.  a）细菌侵入伤口感染模型和治疗程序的示意图。b）具有金黄色葡萄球菌感染伤口的代表性小鼠在不同时间点经过各种治疗后的照片，以及第11天从伤口组织计数的金黄色葡萄菌菌落的相应照片。c）随着时间的推移对不同治疗的感染伤口区域的追踪，以及d）相应的伤口愈合率。e）由菌落计数结果决定的各种处理的抗菌效率。f）在治疗后第11天从不同治疗组收集的伤口组织的H&E和Masson染色图像。
　　结论
　　本研究通过将血红素偶联到富含氨基的CDs表面，设计并制造了一种新型aPDT纳米平台（即H-CDs）。H-CDs表现出独特的细菌感染微环境激活的CL成像和有效的细菌灭活，以加速脓肿恢复和伤口愈合。这样的设计将通过提供增强和自供O2的光动力效应来解决aPDT中的一些关键瓶颈。值得注意的是，由于e–h分离效率的提高，在CDs表面结合血红素后，光动力活性显著增强，这为通过简单的改性过程来增强CDs固有的光激活1O2生成能力提供了一种可能的方法。H-CDs的特异性CL成像行为在脓肿模型中得到了验证，其优越的杀菌效果在皮下脓肿和感染伤口模型中得到进一步证实，全身毒性可忽略不计。内在增强的光敏活性、优越的氧气自供给能力和特异的CL成像能力使H-CDs从其他抗菌CDs中脱颖而出。这项研究可能会促进无抗生素抗菌策略的发展，并实现实时成像引导的aPDT，这可能用于临床应用。
　　全文链接： https://doi.org/10.1002/smll.202207868.
　　参考文献： Ke Cheng, Henggang Wang, Shan Sun,* Mingyu Wu, Hongzhe Shen, Ke Chen,
　　Zhiyuan Zhang, Si Li, and Hengwei Lin*.Specific Chemiluminescence Imaging and Enhanced
　　Photodynamic Therapy of Bacterial Infections by Hemin-Modified Carbon Dots. Small .2023.
　　作者及团队介绍：
　　江南大学林恒伟教授、孙山副教授为论文的共同通讯作者。论文共同第一作者是江南大学化学与材料工程学院博士研究生程克和王恒刚。
　　林恒伟 ，男，博士，江南大学教授，博士生导师。2012年入选中国科学院＂百人计划＂。2019年调入江南大学化学与材料工程学院。主持多项国家自然科学基金、浙江省杰出青年基金等项目。近年来申请国家发明专利20余项，以第一作者或通讯作者在Advanced Materials、 Angewandte Chemie、Journal of the American Chemical Society等期刊上发表SCI论文60余篇（其中SCI高被引论文7篇），被引用5000余次，h指数30。担任多个著名学术期刊审稿人(Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Angewandte Chemie、ACS Nano等)。目前主要研究方向包括：1. 光学功能材料（主要包括碳基发光材料、稀土长余辉材料、手性光学材料等）、2. 食品安全、疾病诊疗、抗菌新材料与新方法、3. 吸波与X-射线探测材料等。
　　孙山 ，女，工学博士，江南大学副教授，硕士生导师。2019年于中国科学院大学获得博士学位。2019年4月至2021年6月于中国科学院宁波材料技术与工程研究所慈溪生物医学工程研究所从事博士后研究工作。主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金面上资助、中国科学院特别研究助理资助等项目。近年来以第一及共同通讯作者身份在Angewandte Chemie、Advanced Materials、Small、Analytical Chemistry等期刊发表论文十余篇，主持国家自然科学基金青年基金、中国科学院特别研究助理资助项目、中国博士后科学面上基金等项目。主要研究方向包括：1. 荧光纳米材料的开发及性能调控、2. 光学传感器的构建及其在食品、环境、生物标记物检测中的应用、3.基于荧光材料复合体系的设计及其在感染诊断及智能抗菌中的应用。