不依赖氧的抗菌光灭活III型光化学机制 [复制链接]

Antibiotics(Basel).年2月；9（2）：53。

在线发表于年1月31日doi:10./antibiotics

PMCID：PMC

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不依赖氧的抗菌光灭活：III型光化学机制？

MichaelRHamblin1,2,3,*和HeidiAbrahamse3

共分四次分享，本文为第一篇

摘要

自年代的早期工作以来，光动力作用需要存在足够的环境氧气，这是不言而喻的。I型光化学途径涉及电子转移反应，导致产生活性氧（超氧化物、过氧化氢和羟基自由基），而II型途径涉及从PS（光敏剂）三重态的能量转移，导致产生活性氧。单线态氧。本综述的目的是强调不依赖氧的光灭活导致病原菌杀死的可能性，这可能被称为“III型光化学途径”。补骨脂素可以被紫外线A(UVA)光激活，产生DNA单加合物和链间交联，从而杀死细菌，实际上在没有氧气的情况下可能更有效。四环素可以作为光激活抗生素，通过氧依赖和氧依赖途径的混合物发挥作用。同样，共价加合物可以在细菌核糖体中形成。通过添加几种不同的无机盐可以加强抗菌光动力灭活，在碘化钾和叠氮化钠的情况下，可以在没有氧气的情况下实现细菌杀灭。所提出的机制涉及产生反应性无机自由基的光诱导电子转移。这些新方法可能有助于治疗厌氧菌感染或缺氧组织感染。四环素可以作为光激活抗生素，通过氧依赖和氧依赖途径的混合物发挥作用。同样，共价加合物可以在细菌核糖体中形成。通过添加几种不同的无机盐可以加强抗菌光动力灭活，在碘化钾和叠氮化钠的情况下，可以在没有氧气的情况下实现细菌杀灭。所提出的机制涉及产生反应性无机自由基的光诱导电子转移。这些新方法可能有助于治疗厌氧菌感染或缺氧组织感染。四环素可以作为光激活抗生素，通过氧依赖和氧依赖途径的混合物发挥作用。同样，共价加合物可以在细菌核糖体中形成。通过添加几种不同的无机盐可以加强抗菌光动力灭活，在碘化钾和叠氮化钠的情况下，可以在没有氧气的情况下实现细菌杀灭。所提出的机制涉及产生反应性无机自由基的光诱导电子转移。这些新方法可能有助于治疗厌氧菌感染或缺氧组织感染。通过添加几种不同的无机盐可以加强抗菌光动力灭活，在碘化钾和叠氮化钠的情况下，可以在没有氧气的情况下实现细菌杀灭。所提出的机制涉及产生反应性无机自由基的光诱导电子转移。这些新方法可能有助于治疗厌氧菌感染或缺氧组织感染。通过添加几种不同的无机盐可以加强抗菌光动力灭活，在碘化钾和叠氮化钠的情况下，可以在没有氧气的情况下实现细菌杀灭。所提出的机制涉及产生反应性无机自由基的光诱导电子转移。这些新方法可能有助于治疗厌氧菌感染或缺氧组织感染。

关键词：抗菌光动力灭活，不依赖氧的光灭活，细菌，补骨脂素，四环素，碘化钾，叠氮化钠

一、简介

病原菌和其他微生物对抗生素耐药性的不断发展导致了“抗生素时代结束”的预测[1]。人们担心我们可能会回到这样一个时代，当感染开始时，即使是轻微的伤害也可能证明是致命的，并最终导致败血症。奥尼尔报告[2]如果不采取任何措施阻止抗生素耐药性的蔓延，其预测到年将有3亿人额外死亡和万亿美元的损失，这引起了广泛的恐慌。因此，全世界都在努力寻找替代的抗菌技术，这些技术将杀死多重耐药微生物物种，并且不会导致耐药性本身的发展。这种新的抗菌方法的主要候选者之一是抗菌光动力灭活（aPDI）。

2.抗菌光动力灭活

光动力疗法是在多年前发现的，当时在德国慕尼黑的OscarRaab（HermannvonTappeiner的学生）意外观察到在荧光染料、吖啶橙和光同时存在的情况下杀死了一种称为滴虫的微生物由雷暴中的闪电传送[3]。几年后，他们发现环境氧气的存在也是发生杀伤反应所必需的，并创造了“光动力”一词来描述它[4]。多年来，这种效应主要作为一种称为“光动力疗法”（PDT）的癌症治疗方法进行研究[5]。研究了几种用于PDT的光敏剂(PS)，包括血卟啉衍生物或Photofrin，这是美国布法罗罗斯威尔公园的ThomasJDougherty倡导的[6]。大约在年代，PDT开始作为一种抗菌技术进行研究，当时人们发现以前被认为对PDT有抗药性的革兰氏阴性菌[7,8]可以通过使用带阳离子电荷的PS[9]或对程序[10,11]的其他修改。

从那时起，已有大量研究抗菌光动力灭活(aPDI)的出版物，该术语通常优于aPDT，用于微生物细胞或病*的体外杀伤研究。基于各种基本骨架的aPDI的大量PS已被描述，包括卟啉、二氢卟酚、菌绿素、酞菁、吩噻嗪、呫吨、BODIPY和富勒烯，仅举几例[12]。近年来，人们一直在努力提高aPDI的有效性，这些方法包括将PS与阳离子聚合物共轭[13]、使用复杂的基于纳米颗粒的方法[14]，以及通过添加无机盐来增强微生物杀灭能力[15]]。

在各种不同的细菌和真菌感染实验动物模型[16]、临床兽医实践[17]以及牙科[18]和慢性伤口[19]的人体临床试验中，抗菌PDT已被证明是一项成功的技术]。

3.I型和II型光化学机制

ChristopherFoote是最早区分PDT中涉及的两种光化学机制的人之一，称为I型和II型[20]。最近的一篇综述详细阐述了这两种途径[21]。当PS吸收一个光子时，HOMO（最高占据分子轨道）中的电子被激发到LUMO（最低激发分子轨道）中，最初产生第一个激发单重态(1PS*)。1PS*通常具有非常短的寿命（几纳秒），因为它会通过辐射（荧光）或非辐射衰变途径（内部转换）迅速损失能量。然而，1的一部分PS*分子可以经历系统间交叉过程，包括最外层电子自旋翻转到激发的三重态(3PS*)。图1显示了说明这些机制的Jablonski图。3PS*的寿命(μsec)比1PS*长得多，这使其能够存活足够长的时间以进行物理或化学反应。电子选择规则允许三重态和其他三重态之间的相互作用，而三重态和单重态之间的相互作用是自旋禁止的。在其自然基态中以电子三重态形式存在的少数分子之一是分子氧(3O2)。这意味着环境氧气能够容易地与三重态PS反应。可能发生的一个重要反应是称为II型的物理能量转移过程，它产生基态单线态PS分子1PS0,和激发态单线态氧分子1O2*。单线态氧是一种反应性氧化剂，通常可以加成双键（烯型加成）或跨芳环加成以形成内过氧化物。单线态氧的寿命很短，因为它可以通过碰撞物理淬灭，或通过与周围分子反应化学淬灭。单线态氧在亲脂环境中的寿命比在水环境中长得多。

图1

雅布隆斯基图。说明产生超氧化物、过氧化氢和羟基自由基的I型电子转移途径和产生单线态氧的II型能量转移途径。

另一方面，3PS*也可以在电子供体的存在下进行电子转移反应（称为I型途径）以产生PS自由基阴离子PS-?。具有较低氧化还原电位（处于基态）的PS分子更有可能接受电子。然后PS-?可以与基态氧发生电子转移反应，产生超氧自由基阴离子O2-?。然后可以进行第二次超氧化物的1电子还原以产生过氧化氢(H2O2)，然后进行第三次1电子还原以产生羟基自由基(HO?）。此外，涉及Fe(II)物种的Fenton化学也可能增加H2O?产生的量。这三种不同的活性氧(ROS)(O2-?,H2O2,HO?)统称为I型ROS。

尽管在aPDI过程中产生的所有四种不同的ROS（1O2*、O2-?、H2O2、HO?）已被证明可以杀死微生物细胞，但1O2*和HO?是最强大的杀微生物剂，但由于它们的反应性很强，因此它们的扩散距离很短，因此只能杀死非常靠近它们产生的地方的病原体。出于这个原因，PS与细菌细胞的结合，并穿透细胞外壁到达质膜或细胞质，是一个重要的优势。具有阳离子电荷和不对称结构的相对较小的PS分子是最有效的广谱微生物杀灭分子[22,23]。

4.缺氧和厌氧组织环境中的感染

一些致病菌是专性需氧菌（铜绿假单胞菌、脑膜炎奈瑟菌、结核分枝杆菌），而另一些是专性厌氧菌（梭菌属、普氏菌属、牙龈卟啉单胞菌、痤疮丙酸杆菌）。然而，大多数病原菌被归类为兼性厌氧菌。细菌在大气水平(21%v/v)至0.5%之间的O2浓度下进行有氧呼吸。在0.5%和0.1%之间，过程转变为厌氧呼吸，而低于0.1%O2v/v，发酵过程发生[24]。厌氧菌感染发生在肠道、口腔、头部和颈部区域，以及位于身体不同部位的各种脓肿。因为中性粒细胞杀死细菌是宿主防御的一个重要方面，而且由于中性粒细胞需要足够的氧气才能有效地发挥这一作用，因此细菌感染更容易发生在缺氧组织中。许多感染也会出现在受损或受伤的组织中，因为外部环境的保护屏障已被破坏，并且在受伤的组织中，血液供应中断会限制氧气的供应，并限制全身施用的抗生素的使用。结果表明，伤口组织氧张力可预测术后患者手术部位感染的风险[25]。高压氧疗法已被用作治疗多种不同感染的方法，但其机制尚不完全清楚[26]。

5.III型光化学机理

人们经常说，高氧分压会促进II型光化学机制，而较低的pO2值会促进I型光化学机制[27,28]，尽管这种说法的确凿证据有些难以捉摸。然而，很明显，对于绝大多数PS和实验条件，足够的氧气浓度对于最佳光动力作用至关重要。尽管术语“光动力学”的使用根据定义暗示了氧气的参与，但我们想建议微生物物种的不依赖氧气的光灭活应该称为“III型光化学途径”。