近几十年来，由于抗生素的滥用，耐药性细菌感染已经成为一个重大的公共卫生问题。光动力抗菌疗法（aPDT）作为一种高效、广谱的抗菌策略受到了广泛的关注，其主要通过光介导产生的活性氧（ROS）来杀灭细菌，降低产生耐药性的风险。目前，传统光敏剂受限于疏水性和聚集诱导猝灭效应（ACQ），以及细菌感染微环境中乏氧等问题。此外，对细菌感染进行特异性识别、成像和病程监控也是临床亟需解决的重大问题。因此，开发具有良好水溶性、自供氧增强aPDT效应，同时实现特异性感染识别、成像的新型抗菌制剂是至关重要的。
江南大学林恒伟课题组报道了血红素（hemin）修饰的碳点（H-CDs），可以同时实现对细菌感染部位的特异性化学发光（CL）成像和增强的aPDT抗菌效果。通过简单的一步偶联法制备的新型碳点H-CDs具有以下优点：（1）优异的水溶性（＞10 mg/mL），抗ACQ效应；（2）与未修饰的CDs相比，H-CDs由于电子-空穴分离效率的提高，其光动力效应显著增强；（3）血红素的修饰赋予了H-CDs良好的类过氧化物酶活性，一方面可以催化发光底物提供特异性的化学发光成像；另一方面可以催化分解感染性微环境中过表达的H2O2，实现O2自供给增强的aPDT。（4）H-CDs展现出增强的aPDT效应，在体内脓肿和伤口感染模型中得到了验证，并具有良好的生物相容性。综上所述，本研究基于H-CDs构建了可用于感染成像指导下增强aPDT的新型抗菌平台。
【图1】H-CDs的制备示意图及其在细菌感染的特异性CL成像和增强aPDT
通过简单的酰胺缩合反应，将血红素（hemin）修饰到CDs表面，制备出H-CDs。通过TEM、FT-IR、Zeta电位、紫外吸收、荧光发射和电化学等表征手段，系统地验证了H-CDs的成功制备，并证实其具有良好的水溶性、近红外波段的吸收特性、深红光波段的荧光发射特性和增强的光动力效应。（图2a-i）
【图2】CDs和H-CDs的相关表征
图3a所示，首先H-CDs催化H2O2生成O2，一方面可以激活L012产生化学发光，另一方面实现O2自供给增强的aPDT。图3c和d所示，H-CDs和H2O2浓度的升高都能促进O2的生成。图3e-h所示，对H-CDs诱导的催化发光行为进行了系统表征，证明了其具有良好的H2O2响应性化学发光成像性能，同时降低背景干扰和组织穿透深度的影响，更利于对细菌感染部位的检测和成像。如图3i所示，证明H-CDs具有克服细菌感染微环境缺氧限制，表现出O2自供给增强光动力的性能。
【图3】 H-CDs的催化化学发光性能及O2自供给增强光动力性能
使用典型的革兰氏阳性(S. aureus和MRSA)和革兰氏阴性(E. coli和P. aeruginosa)细菌进行抗菌试验。如图4a-e所示，当H-CDs浓度提高到300µg mL−1时，加入激光照射，H-CDs对各类细菌均表现出优异的杀菌效果，抗菌效率接近100%。图4f通过对比分析细菌膜结构，阐述了H-CDs对革兰氏阳性细菌表现出选择性杀灭的可能因素。图4g，h通过SEM、CLSM观测到H-CDs对S. aureus和E. coli形态和膜完整性的影响。
【图4】 H-CDs的体外抗菌作用和机制
如图5a，构建脓肿感染的成像模型。如图5b和c所示，进行局部注射H-CDs后，在FL成像模式中，脓肿和正常组织区域均显示明亮的荧光；但是在CL成像模式中，只有脓肿区域展示出响应性的持续化学发光行为，实现了对细菌感染部位的特异性成像和识别。
【图5】 H-CDs对细菌感染部位的特异性成像和识别
如图6a，构建S. aureus的脓肿感染模型。图6b-f所示，通过对比小鼠脓肿的照片、相应的脓肿恢复率、体内抗菌效率和组织学分析染色，H-CDs+激光治疗组表现出优异的抗菌治疗效果。
【图6】 H-CDs在脓肿模型中的抗菌治疗
如图7a，构建S. aureus感染伤口模型，进一步评价H-CDs的体内抗菌效果。图7b-f所示，通过对比小鼠的伤口照片、相应的伤口愈合率、体内抗菌效率和组织学分析染色，H-CDs+激光治疗组表现出优异的抗菌治疗效果。
【图7】 H-CDs在感染伤口模型中的抗菌治疗
结论：
H-CDs具有增强的光敏活性、优越的氧气自供给能力和特异性的CL成像性能，在活体实验中表现出快速的脓肿恢复和伤口愈合能力。通过在CDs表面修饰血红素，提高H-CDs的e-h分离效率，显著增强其光动力活性，这为增强CDs本征光动力提供了一种新策略。本文致力于实时成像引导的增强aPDT研究，将促进无抗生素抗菌策略的发展，在临床应用领域具有广阔的应用前景。
致谢：
上述研究获得国家自然科学基金资助项目（52173126和32101142），中央高校基本科研业务费专项资金（JUSRP122019），江苏省研究生研究与实践创新计划(KYCX22-2322)。
论文信息：
Specific Chemiluminescence Imaging and Enhanced Photodynamic Therapy of Bacterial Infections by Hemin-Modified Carbon Dots
Ke Cheng, Henggang Wang, Shan Sun,* Mingyu Wu, Hongzhe Shen, Ke Chen,
Zhiyuan Zhang, Si Li, and Hengwei Lin*
Small
DOI: 10.1002/smll.202207868
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202207868
