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年1月在ScienceTranslationalMedicine发表了题为“Bacteria-SpecificPhototoxicReactionsTriggeredbyBlueLightandPhytochemicalCarvacrol”的论文。该论文开发了一种全新、安全、高效、不易诱导细菌耐药的超广谱杀菌技术,提出了具备细菌特异性的蓝光光毒性化学级联反应杀菌机制,旨在提供一种可用于临床治疗耐药菌感染,同时可替代抗生素的杀菌方案。论文通讯作者是上海交通大医院、上海市伤骨科研究所的崔文国教授,主要从事临床感染治疗的相关研究。

抗生素耐药性(Antimicrobialresistance,AMR)已成为全球公共健康领域所面临的一项重大挑战。世界卫生组织及世界银行联合发布公告:各国政府若不采取措施,到年AMR将导致每年万人丧生,直接经济损失达万亿美元,对人类危害性将超过癌症。因此,开发新的抗菌技术,寻找可替代抗生素的治疗方案是遏制AMR发展并实现更好临床治疗的重要方向。

nm蓝光(Bluelight,BL)可激发细菌内源光敏剂(Photosensitizer,PS)的能量转移及电子传递,产生ROS,进而引发细菌死亡。该过程需要细菌内源性物质参与,所以具备优越的细菌靶向性和安全性。但是,由于内源性物质数量限制,ROS的产生率较小,所以蓝光的细菌破坏作用非常一般。因此,本文寻找了一种具备BL催化PS协同作用的香芹酚(Ca),该物质可以放大蓝光对于细菌的光毒性,并具备细菌靶向性,进而开发出一种基于蓝光光化学反应的特异性杀菌技术。该技术对于MRSA造成的小鼠皮肤三度烧伤急性感染和生物膜感染模型有极其优越的治愈作用。

本文选用了Ca与BL进行协同杀菌。Ca可以进入细菌内部,被BL激发的ROS氧化,产生具有蓝光光敏特性及光毒性的百里香醌(Thymoquinone,TQ)和百里香氢醌(Thymohydroquinone,THQ)。TQ和THQ可继续响应相同蓝光波段,并利用氧气生成大量H2O2。大量的H2O2继续发生蓝光光解产生?OH,诱导细菌DNA氧化损伤及膜脂质层破坏,最终导致细菌死亡。

该过程在Ca与细菌内源性PS的相互作用下,于细菌内部产生了氧化自循环反应,在大量生成ROS杀菌物质的同时避免了对正常哺乳类动物细胞的杀伤作用,具备优秀的细菌靶向性和生物安全性。

1)BL与Ca的协同杀菌效果(Figure1):研究团队建立了BL和天然有机小分子化合物协同抗菌高通量筛选平台,发现BL+Ca为最佳杀菌组合。进一步调查发现,该组合(BL+Ca)不仅可快速消灭多重耐药的革兰氏阳性菌MRSA、革兰氏阴性菌绿脓杆菌和鲍曼不动杆菌的浮游菌形态,而且对成熟期生物膜和休眠期持留菌均具有相同的杀菌效果。进而使用亚致死剂量的BL+Ca连续钝化、收集、培养代表性菌株,20代内其钝化能力未发生变化,表明BL+Ca未诱导细菌产生耐药性。

2)小鼠烧伤和皮肤伤口感染模型的治疗(Figure2):为验证BL+Ca体内治疗潜力,且实现实时追踪治疗效果,该团队利用多重耐药、自发生物荧光菌株鲍曼不动杆菌,并分别建立小鼠皮肤三度烧伤急性感染模型和生物膜感染模型,以评估治疗效果。研究发现,BL+Ca联合使用12min,可完全治愈小鼠烧伤急性感染;使用20min,可显著性降低小鼠烧伤生物膜感染中细菌负载量(p<0.)。此外,还分别建立了多重耐药MRSA造成的小鼠皮肤三度烧伤急性感染和生物膜感染模型,同样证明该技术亦可快速治愈MRSA引起的小鼠皮肤烧伤感染。绿脓杆菌是临床脓毒症患者最常见的致病菌之一,团队进一步建立了绿脓杆菌引起的小鼠重度皮肤创伤脓毒症感染模型。发现经BL+Ca及时治疗的小鼠可有效预防脓毒症发生,并挽救所有小鼠免于多脏器感染死亡。

3)BL+Ca光毒性的细菌特异性(Figure3):研究团队调查了该技术的细菌靶向性及安全性。利用各种ROS拮抗剂及荧光探针,确定?OH是导致细菌死亡的最主要诱因;惊喜发现?OH仅在细菌体内产生,在哺乳动物细胞内不产生。还发现BL+Ca在细菌和细胞共培养体系中可选择性钝化细菌,对哺乳动物细胞无影响,证明具有优越的安全性。动物感染模型安全性评价发现,BL+Ca在消灭细菌的同时,有效地促进了创伤的快速愈合。继而利用SPME-GC-TOF-MS和UPLC-VION-IMS-QTOF-MS/MS技术,发现香荆芥酚可在外源原卟啉或细菌、细菌碱性裂解液存在下,经蓝光照射后产生新产物TQ和THQ,而在成纤维细胞、成骨细胞及其裂解物条件下不产生TQ和THQ,证明该光化学反应具有细菌特异性。利用荧光光谱仪证明了TQ和THQ是具有光敏特性及光毒性的化合物,可响应相同波段蓝光产生H2O2。

总结来说,研究团队开发的基于细菌特异性蓝光光毒性化学级联反应机制的全新杀菌技术,不仅对耐药的“ESKAPE”医院获得性感染的治疗具有重要临床意义,而且也为解决其它重大耐药致病菌感染,如克拉霉素耐药的幽门螺杆菌引起的胃部感染,碳青霉烯耐药的大肠杆菌造成的尿路感染,以及头孢、氟喹诺酮耐药的奈瑟氏淋球菌导致的生殖系统感染等提供了全新的治疗策略和理论依据。

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