基于分子設(shè)計(jì)和烷基鏈工程展示無活細(xì)胞侵染性的抗菌診療材料

01 引言

由于細(xì)菌多重耐藥性的不斷發(fā)展，抗菌治療逐漸進(jìn)入了后抗生素時(shí)代。為此而開發(fā)多樣化的新型精準(zhǔn)抗菌手段是應(yīng)對不斷進(jìn)化的致病菌威脅的一個(gè)重要手段。但令人遺憾的是，目前所報(bào)道的諸多抗菌診療材料在侵襲有害細(xì)菌的同時(shí)，對哺乳動(dòng)物活細(xì)胞也具有不可忽略的細(xì)胞侵染性，這不僅降低了疾病診斷的可靠性，也帶來潛在的生物安全危害和臨床不確定性。因此，在保持高效抗菌能力的同時(shí)，降低甚至消除抗菌診療材料對哺乳動(dòng)物活細(xì)胞的侵染性是實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)、安全抗菌的一項(xiàng)基礎(chǔ)而艱巨的任務(wù)。

02 成果簡介

該工作設(shè)計(jì)合成了一種具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）性質(zhì)的陽離子氧化膦哚衍生物，同時(shí)通過烷基鏈工程精細(xì)調(diào)控分子的疏水性，進(jìn)而影響分子的生物親和性偏好和生物毒性。經(jīng)烷基鏈工程優(yōu)化，該工作獲得了一種針對革蘭氏陽性菌的理想抗菌診療材料（PyBu-PIO），實(shí)現(xiàn)了安全、高效的非細(xì)胞侵染性的精準(zhǔn)抗菌診療。PyBu-PIO對活細(xì)胞不存在明顯的侵染性和細(xì)胞毒性，而在細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)遭破壞的死細(xì)胞中則表現(xiàn)出明亮的熒光，說明完整的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)是阻止PyBu-PIO侵染活細(xì)胞的關(guān)鍵條件；同時(shí)PyBu-PIO可以特異性與表面富集負(fù)電荷的革蘭氏陽性菌（包括多重耐藥株）結(jié)合，作用于細(xì)菌表面結(jié)構(gòu)并抑制其生長，而對革蘭氏陰性菌幾乎沒有影響。將PyBu-PIO應(yīng)用于多重耐藥的金黃色葡萄球菌感染的小鼠皮膚創(chuàng)面模型中，成功地實(shí)現(xiàn)了特異性熒光成像，同時(shí)有效促進(jìn)了傷口的愈合。

圖1. 文章思路示意圖

03 圖文導(dǎo)讀

在理論計(jì)算方面，該工作以PyBu-PIO為例，分別在單分子氣態(tài)和聚集狀態(tài)對其進(jìn)行理論模擬，以討論其AIE機(jī)理。無論在單分子氣態(tài)和聚集狀態(tài)下，PyBu-PIO在S1優(yōu)化構(gòu)型下的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）主要分布在氧化膦哚α位的三苯胺上，而最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）則分布在氧化膦哚及其β位的吡啶上，呈現(xiàn)明顯的給受體電荷分離，說明PyBu-PIO的光物理性質(zhì)是由分子間電荷轉(zhuǎn)移（ICT）決定。根據(jù)電荷分離情況可以發(fā)現(xiàn)，氧化膦哚與三苯胺之間的扭轉(zhuǎn)角（α角）可以影響電子給受體部分的電荷分離情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，聚集狀態(tài)下的α角（36.5o）明顯小于單分子氣態(tài)下的α角（46.8o），這將削弱聚集狀態(tài)下的電荷分離程度，有利于加快輻射躍遷過程。相應(yīng)地，經(jīng)MOMAP軟件計(jì)算得到的PyBu-PIO在單分子氣態(tài)和聚集狀態(tài)下的kr分別為5.9×105 s-1和3.1×107 s-1，說明了聚集狀態(tài)下PyBu-PIO的輻射躍遷過程得到增強(qiáng)。此外，通過對PyBu-PIO的S0和S1優(yōu)化構(gòu)型進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，PyBu-PIO在單分子氣態(tài)下S0和S1優(yōu)化構(gòu)型具有較大的形變，RMSD為0.629 ?，Ere為3136 cm-1；而聚集狀態(tài)下只發(fā)生了較小的變化，RMSD值較小，為0.012 ?，Er值較低，為2344 cm-1。通過投影至振動(dòng)頻率的Ere可以發(fā)現(xiàn)，相比于單分子氣態(tài)，PyBu-PIO聚集狀態(tài)下的低頻模式顯著減少，且與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的二面角Ere比例顯著下降，說明PyBu-PIO的分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在聚集狀態(tài)下受到了周圍分子的限制。相應(yīng)地，經(jīng)MOMAP軟件計(jì)算得到的PyBu-PIO在單分子氣態(tài)和聚集狀態(tài)下的kIC分別為5.1×1011 s-1和2.3×109 s-1，說明了聚集狀態(tài)下PyBu-PIO的內(nèi)轉(zhuǎn)換過程得到有效的抑制，也就是說，來自周圍分子的空間位阻限制了PyBu-PIO在聚集狀態(tài)下的激發(fā)態(tài)弛豫，阻礙了相應(yīng)的內(nèi)轉(zhuǎn)換過程造成的非輻射能量消耗?？偟膩碚f，PyBu-PIO符合經(jīng)典的分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)受限（RIM）機(jī)制，聚集狀態(tài)下，分子的輻射躍遷增強(qiáng)、非輻射躍遷減弱，從而表現(xiàn)出典型的AIE性質(zhì)。以上理論計(jì)算部分由鴻之微提供計(jì)算機(jī)時(shí)支持，同時(shí)使用了鴻之微自有軟件MOMAP完成。

圖2. 理論計(jì)算結(jié)果

04 小結(jié)

這項(xiàng)工作該工作成果通過分子設(shè)計(jì)和烷基鏈工程展示了一個(gè)成功的案例，并且開發(fā)了一種高效、精準(zhǔn)、安全的無活細(xì)胞侵染性的抗菌診療材料，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了在抗菌診療材料設(shè)計(jì)中，應(yīng)將分子對哺乳動(dòng)物活細(xì)胞的侵染性看為一項(xiàng)重要評價(jià)指標(biāo)并予以考量，為推動(dòng)抗菌診療材料領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要的啟示。