香豆素衍生物介导的光动力抗耐药菌效果

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240233

摘要/Abstract

摘要：

蓝光（Blue light，BL）介导的光动力疗法（PDT）不仅能有效杀死耐药细菌，还能减少对深层组织的损伤，为耐药细菌感染的治疗提供了契机。但是，用于光动力杀菌治疗的蓝光光敏剂十分有限，亟需大力开发新型蓝光光敏剂来抵抗日益严重的细菌耐药问题。香豆素类化合物具备抗炎、抗菌和抗癌等多种生物学活性，同时具有良好的光敏性和稳定性。本文研究了香豆素衍生物CDOCA作为蓝光光敏剂对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的光动力杀菌作用。结果表明，32 μg/mL CDOCA在蓝光（445 nm，0.5 W/cm²）照射5 min后可以完全抑制浮游细菌活力。而且，48 μg/mL CDOCA联合蓝光（0.5 W/cm²，6 min）能够彻底清除生物膜中的MRSA，同时降解生物膜。更重要的是，CDOCA（1 mg/kg）和BL（0.5 W/cm²，6 min）联合处理8 d可有效清除小鼠皮肤伤口上的生物膜，降低炎症反应，促进伤口愈合。本研究提供的CDOCA介导的光动力学治疗方法有望用于抗药细菌的感染治疗。

关键词: 耐药细菌, 光动力疗法, 香豆素衍生物, 生物膜, 蓝光

Abstract:

Blue light （BL） mediated photodynamic therapy （PDT） can not only effectively kill drug-resistant bacteria， but also reduce the damage to deep tissues， providing a new opportunity for the treatment of drug-resistant bacterial infections. However， the blue light photosensitizers used in PDT against bacteria are very limited， and it is urgent to develop new blue light photosensitizers to overcome the growing problem of drug resistance of bacteria. Coumarin derivatives exhibit many biological activities， such as anti-inflammatory， antibiosis and anti-tumor， as well as good photosensitivity and stability. Herein， the bactericidal effects of coumarin derivative CDOCA-mediated PDT against methicillin-resistant Staphylococcus aureus （MRSA） were studied. The results showed that 32 μg/mL CDOCA irradiated with blue light （445 nm， 0.5 W/cm²） for 5 min could completely inhibit the vitality of planktic bacteria. Moreover， CDOCA （48 μg/mL） combined with blue light （0.5 W/cm²， 6 min） could fully eliminate MRSA wrapped in biofilm and degrade biofilm. More importantly， the combined treatment of CDOCA （1 mg/kg） and BL （0.5 W/cm²， 6 min） for 8 days effectively eradicated the biofilm on the skin wounds of mice， reduced inflammation and promoted wound healing. CDOCA-mediated PDT provided in this study is expected to be used in the treatments of drug-resistant bacterial infections.

Key words: Drug-resistant bacterium, Photodynamic therapy, Coumarin derivative, Biofilm, Blue light

中图分类号:

O643.1

秦洪双, 陈书晗, 韩旭炜, 郭艳祥, 闵薷楠, 刘涛, 赵传奇. 香豆素衍生物介导的光动力抗耐药菌效果[J]. 应用化学, 2024, 41(11): 1639-1647.

Hong-Shuang QIN, Shu-Han CHEN, Xu-Wei HAN, Yan-Xiang GUO, Ru-Nan MIN, Tao LIU, Chuan-Qi ZHAO. Effects of Photodynamic Therapy Mediated by Coumarin Derivative Against Drug-Resistant Bacteria[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2024, 41(11): 1639-1647.

图/表 5

图1 CDOCA的合成方法

Fig.1 Synthesis method of CDOCA

图2 CDOCA的结构式（A）、紫外-可见吸收光谱（B）及CDOCA+BL处理后活/死细菌（MRSA）染色图（C），比例尺=20 μm

Fig.2 Chemical structure （A） and UV-Vis spectrum （B） of CDOCA， as well as live/dead stain images of MRSA treated with CDOCA+BL （C）， scale bar=20 μm

图3 CDOCA与蓝光处理后MRSA的膜电位（A）、ATP（B）及ROS（C）水平

Fig.3 Membrane potentials （A）， ATP levels （B） and ROS production （C） in MRSA treated with CDOCA+BL

图4 CDOCA+BL处理后生物膜中MRSA量化图（A）、生物膜量化图（B）、生物膜结晶紫染色图像（比例尺=100 μm）（C）及生物膜立体图像（D）

Fig.4 Quantification of MRSA in biofilms （A）， quantization of biofilms （B）， microscopic images of biofilms stained by crystal violet （scale bar=100 μm）（C） and 3D confocal images of biofilms （D） treated with CDOCA+BL

图5 小鼠伤口生物膜清除实验步骤示意图（A）； CDOCA+BL处理后小鼠伤口照片（比例尺=1 mm）（B）、伤口组织中存活细菌数（比例尺=20 mm）（C、D）、皮肤伤口组织H&E染色图像（比例尺=50 μm）（E）

Fig.5 Schematic illustration of the experimental procedure for eliminating biofilms from infected mice （A）； Digital photographs of the wounds on mice （scale bar=1 mm）（B）， number of the surviving bacteria in the wound tissues （scale bar=20 mm）（C， D） and micrographs of skin wound tissues with H&E staining （scale bar=50 μm）（E） after treatments of CDOCA+BL

参考文献 42

1	THEURETZBACHER U， GOTTWALT S， BEYER P， et al. Analysis of the clinical antibacterial and antituberculosis pipeline［J］. Lancet Infect Dis， 2019， 19（2）： e40-e50.
2	HANNA N， TAMHANKAR A J， STÅLSBY LUNDBORG C. Antibiotic concentrations and antibiotic resistance in aquatic environments of the WHO Western Pacific and South-East Asia regions： a systematic review and probabilistic environmental hazard assessment［J］. Lancet Planet Health， 2023， 7（1）： e45-e54.
3	PIEWNGAM P， KHONGTHONG S， ROEKNGAM N， et al. Probiotic for pathogen-specific Staphylococcus aureus decolonisation in Thailand： a phase 2， double-blind， randomised， placebo-controlled trial［J］. Lancet Microbe， 2023， 4（2）： e75-e83.
4	BASSETTI M， MAGNÈ F， GIACOBBE D R， et al. New antibiotics for Gram-negative pneumonia‍［J］. Eur Respir Rev， 2022， 31（166）： 220119.
5	DEO S， TURTON K L， KAINTH T， et al. Strategies for improving antimicrobial peptide production［J］. Biotechnol Adv， 2022， 59： 107968.
6	UPADHAYAY A， LING J， PAL D， et al. Resistance-proof antimicrobial drug discovery to combat global antimicrobial resistance threat［J］. Drug Resist Updat， 2023， 66：100890.
7	AYOBAMI O， BRINKWIRTH S， ECKMANNS T， et al. Antibiotic resistance in hospital-acquired ESKAPE-E infections in low- and lower-middle-income countries： a systematic review and meta-analysis［J］. Emerg Microbes Infect， 2022， 11（1）： 443-451.
8	BURKE A， DI FILIPPO M， SPICCIO S， et al. Antimicrobial evaluation of new pyrazoles， indazoles and pyrazolines prepared in continuous flow mode［J］. Int J Mol Sci， 2023， 24（6）： 5319.
9	LEE A S， DE LENCASTRE H， GARAU J， et al. Methicillin-resistant Staphylococcus aureus［J］. Nat Rev Dis Primers， 2018， 4： 18033.
10	SUN Y， QIN H， YAN Z， et al. Combating biofilm associated infection in vivo： integration of quorum sensing inhibition and photodynamic treatment based on multidrug delivered hollow carbon nitride sphere［J］. Adv Funct Mater， 2019， 29（14）： 1808222.
11	BUZZÁ H H， ALVES F， TOMÉ A J B， et al. Porphyrin nanoemulsion for antimicrobial photodynamic therapy： effective delivery to inactivate biofilm-related infections［J］. Proc Natl Acad Sci USA， 2022， 119（46）： e2216239119.
12	CUI T， WU S， SUN Y， et al. Self-propelled active photothermal nanoswimmer for deep-layered elimination of biofilm in vivo［J］. Nano Lett， 2020， 20（10）： 7350-7358.
13	赵凯超，赵旭，严秀平. pH可逆激活型不对称菁光敏剂的光动力杀菌活性［J］. 应用化学， 2020， 37（6）： 620-626.
	ZHAO K C， ZHAO X， YAN X P. pH reversibly activated asymmetric cyanine photosensitizer for photodynamic antibacterial［J］. Chin J Appl Chem， 2020， 37（6）： 620-626.
14	WANG Z， WU A， CHENG W， et al. Adoptive macrophage directed photodynamic therapy of multidrug-resistant bacterial infection［J］. Nat Commun， 2023， 14（1）： 7251.
15	TANINAKA A， KUROKAWA H， KAMIYANAGI M， et al. Polphylipoprotein-induced autophagy mechanism with high performance in photodynamic therapy［J］. Commun Biol， 2023， 6（1）： 1212.
16	ZHU W， LI Y， GUO S， et al. Stereoisomeric engineering of aggregation-induced emission photosensitizers towards fungal killing［J］. Nat Commun， 2022， 13（1）： 7046.
17	VATANSEVER F， DE MELO W C， AVCI P， et al. Antimicrobial strategies centered around reactive oxygen species-bactericidal antibiotics， photodynamic therapy， and beyond［J］. FEMS Microbiol Rev， 2013， 37（6）： 955-989.
18	ZIEGELHOFFER E C， DONOHUE T J. Bacterial responses to photo-oxidative stress［J］. Nat Rev Microbiol， 2009， 7（12）： 856-863.
19	HALSTEAD F D， THWAITE J E， BURT R， et al. Antibacterial activity of blue light against nosocomial wound pathogens growing planktonically and as mature biofilms［J］. Appl Environ Microbiol， 2016， 82（13）： 4006-4016.
20	ZHANG Y， ZHU Y， GUPTA A， et al. Antimicrobial blue light therapy for multidrug-resistant Acinetobacter baumannii infection in a mouse burn model： implications for prophylaxis and treatment of combat-related wound infections［J］. J Infect Dis， 2014， 209（12）： 1963-1971.
21	LU M， WANG S， WANG T， et al. Bacteria-specific phototoxic reactions triggered by blue light and phytochemical carvacrol［J］. Sci Transl Med， 2021， 13（575）： eaba3571.
22	AHMED I， FANG Y， LU M， et al. Recent patents on light-based anti-infective approaches［J］. Recent Pat Antiinfect Drug Discov， 2018， 13（1）： 70-88.
23	SARKER M A R， AHN Y H. Photodynamic inactivation of multidrug-resistant bacteria in wastewater effluent using green phytochemicals as a natural photosensitizer［J］. Environ Pollut， 2022， 311： 120015.
24	SCHREINER M， BÄUMLER W， ECKL D B， et al. Photodynamic inactivation of bacteria to decolonize meticillin-resistant Staphylococcus aureus from human skin［J］. Br J Dermatol， 2018， 179（6）： 1358-1367.
25	MCDONALD R， MACGREGOR S J， ANDERSON J G， et al. Effect of 405-nm high-intensity narrow-spectrum light on fibroblast-populated collagen lattices： an in vitro model of wound healing［J］. J Biomed Opt， 2011， 16（4）： 048003.
26	KLEINPENNING M M， SMITS T， FRUNT M H， et al. Clinical and histological effects of blue light on normal skin［J］. Photodermatol Photoimmunol Photomed， 2010， 26（1）： 16-21.
27	WANG Y C， WANG Y， WANG Y G， et al. Antimicrobial blue light inactivation of pathogenic microbes： state of the art［J］. Drug Resist Updat， 2017， 33/34/35： 1-22.
28	丰翠，闵曼，谢蓉蓉，等. 香豆素基Schiff碱类化合物的合成及抗氧化性能［J］. 应用化学， 2018， 35（5）： 538-543.
	FENG C， MIN M， XIE R R， et al. Synthesis and antioxidant activity of coumarin schiff base derivatives［J］. Chin J Appl Chem， 2018， 35（5）： 538-543.
29	WITAICENIS A， DE OLIVEIRA E C S， TANIMOTO A， et al. 4-Methylesculetin， a coumarin derivative， ameliorates dextran sulfate sodium-induced intestinal inflammation［J］. Chem Biol Interact， 2018， 280： 59-63.
30	XU J， LI H， WANG X， et al. Discovery of coumarin derivatives as potent and selective cyclin-dependent kinase 9 （CDK9） inhibitors with high antitumour activity［J］. Eur J Med Chem， 2020， 200： 112424.
31	POTAPENKO A. Mechanisms of photodynamic effects of furocoumarins‍［J］. J Photochem Photobiol B， 1991， 9（1）： 1-33.
32	LAKE B G. Coumarin metabolism， toxicity and carcinogenicity： relevance for human risk assessment‍［J］. Food Chem Toxicol， 1999， 37（4）： 423-453.
33	FELTER S P， VASSALLO J D， CARLTON B D， et al. A safety assessment of coumarin taking into account species-specificity of toxicokinetics［J］. Food Chem Toxicol， 2006， 44（4）： 462-475.
34	ORTEGA-FORTE E， ROVIRA A， GANDIOSO A， et al. COUPY coumarins as novel mitochondria-targeted photodynamic therapy anticancer agents［J］. J Med Chem， 2021， 64（23）： 17209-17220.
35	ORTEGA-FORTE E， ROVIRA A， LÓPEZ-CORRALES M， et al. A near-infrared light-activatable Ru（‍Ⅱ‍）-coumarin photosensitizer active under hypoxic conditions［J］. Chem Sci， 2023， 14（26）： 7170-7184.
36	DEBNATH T， MAITY P， LOBO H， et al. Extensive reduction in back electron transfer in twisted intramolecular charge-transfer （TICT） coumarin-dye-sensitized TiO₂ nanoparticles/film： a femtosecond transient absorption study［J］. Chemistry， 2014， 20（12）： 3510-3519.
37	DEBNATH T， DANA J， MAITY P， et al. Restriction of molecular twisting on a gold nanoparticle surface［J］. Chemistry， 2015， 21（15）： 5704-5708.
38	QIN H， CUI T， LIU Z， et al. Engineering amyloid aggregation as a new way to eliminate cancer stem cells by the disruption of iron homeostasis［J］. Nano Lett， 2021， 21（17）： 7379-7387.
39	TURSI S A， PULIGEDDA R D， SZABO P， et al. Salmonella typhimurium biofilm disruption by a human antibody that binds a pan-amyloid epitope on curli［J］. Nat Commun， 2020， 11（1）： 1007.
40	BORDON Y. Bacteria form unique biofilms to kill immune cells［J］. Nat Rev Immunol， 2023， 23（8）： 474.
41	MAREE M， THI NGUYEN L T， OHNIWA R L， et al. Natural transformation allows transfer of SCCmec-mediated methicillin resistance in Staphylococcus aureus biofilms［J］. Nat Commun， 2022， 13（1）： 2477.
42	CAO F， ZHANG L， WANG H， et al. Defect-rich adhesive nanozymes as efficient antibiotics for enhanced bacterial inhibition［J］. Angew Chem Int Ed Engl， 2019， 58（45）： 16236-16242.

[1]	张润, 战宏梅, 赵晨阳, 程延祥, 秦川江. 含氟膦氧衍生物修饰的纯蓝光钙钛矿发光二极管[J]. 应用化学, 2024, 41(6): 830-838.
[2]	赵尉晨, 齐曼霖, 周菁, 董彪, 王林. 穿越生物屏障的微纳米马达研究进展[J]. 应用化学, 2024, 41(10): 1409-1424.
[3]	王睿哲, 胡广齐, 叶炜浩, 胡超凡, 庄健乐, 雷炳富, 李唯, 刘应亮. 一种高紫外-短波蓝光屏蔽的油溶性碳点的水热制备及其应用[J]. 应用化学, 2023, 40(1): 59-68.
[4]	李伟佳, 马志方, 辛志荣, 石强. 二维层状钴铁双氢氧化物用于癌症协同光治疗[J]. 应用化学, 2020, 37(6): 627-634.
[5]	谭育慧,刘艺,陈绍鹏,王长峰,唐云志. 2-(1H-1,2,4-三唑-3-基)吡啶Mn^Ⅱ配合物的合成、结构及荧光性质[J]. 应用化学, 2018, 35(10): 1249-1255.
[6]	武烈,姜秀娥. 石墨烯材料与模拟生物膜界面相互作用的研究进展[J]. 应用化学, 2016, 33(12): 1343-1354.
[7]	崔荣朕, 唐艳茹, 马玉芹, 杨秀云, 耿丽华, 李云辉. 蓝色有机电致发光材料及器件的研究进展[J]. 应用化学, 2015, 32(8): 855-872.
[8]	陈影声, 陈震, 卢才英, 郑曦, 陈晓, 陈日耀. 纳米碳纤维固载TiO₂[J]. 应用化学, 2010, 27(10): 1188-1191.
[9]	丁国华, 荆淑萍, 田禾. 4-羟基香豆素衍生物的荧光性能[J]. 应用化学, 2005, 22(5): 551-553.
[10]	徐礼玲, 赵立群, 张锡琴, 周刚, 陈江山, 程延祥, 耿延候, 马东阁, 王利祥. 新型蒽衍生物蓝光材料的合成及其光电性能[J]. 应用化学, 2005, 22(1): 114-116.
[11]	李鱼, 郑娜, 董德明, 杨帆, 花修艺, 金钦汉. 镉在自然水体生物膜生长过程中的积累[J]. 应用化学, 2004, 21(1): 28-31.
[12]	董德明, 李鱼, 花修艺, 张菁菁, 邱立民. 铁、锰氧化物在自然水体生物膜上的分布[J]. 应用化学, 2002, 19(9): 902-904.