Nano Today：光子晶体慢光子效应助力光动力抗生物膜治疗

抗生素耐药性（AMR）正日益成为全球公共健康与发展的一大挑战。细菌生物膜的形成是导致AMR问题加剧的关键因素之一。生物膜是由静态的微生物群落构成，附着在医疗器械表面或受损的组织上，并通过自身分泌的细胞外基质（ECM）形成保护层。在生物膜中的细菌，其抗生素耐药性增强了10至1000倍。因此，破坏生物膜对于缓解AMR的恶化和降低难以根治的细菌感染具有至关重要的意义。

近年来，针对生物膜的控制与根除，人们提出了许多创新策略，旨在避免传统方法中高剂量抗生素的使用及其带来的副作用。光动力疗法（PDT）作为其中的一种，受到了越来越多的关注。该方法通过使用光敏剂产生大量有杀菌能力的活性氧物种（ROS），对细菌的脂质、DNA和蛋白质造成致命的氧化损伤。但是，近期研究表明，如果ROS的剂量不足，不仅不能有效对抗生物膜，还可能激活多重抗生素抗性调控因子，如MarA和SoxS，进而加剧AMR问题。因此，为了确保光动力疗法在抗击生物膜方面的效果，常常需要使用高浓度的光敏剂和强光照射，但这样又不可避免地增加了对活体组织的潜在毒性风险。为了解决这一问题，迫切需要开发一种新型光动力抗生物膜系统，在保证高效的ROS产生的前提下，降低光敏剂剂量和光强度，以平衡光动力疗效和生物安全性。高效的光吸收是光敏剂产生ROS的关键，增强光敏剂的光吸收能力，能够在不改变光强度的前提下，优化PDT效果，是一条可行且前景广阔的途径。光子晶体（PCs）作为一种具有独特光子带隙（PBG）的周期性结构材料，能够有效地控制光子的传播。当光子位于PBG时，其传播被禁止；位于PBG带边时，光子的群速度会显著下降，形成驻波。这种慢光子效应延长了光子与吸光介质的相互作用时间，从而提升了光吸收效率。利用PCs的慢光子效应增强光能的利用，在提高荧光量子产率、光合效率和光催化效率等方面已经取得了显著成效。

近日，顾忠泽教授（点击查看介绍）及其团队在Nano Today 杂志上发表了一项创新性研究，利用光子晶体的慢光子效应降低光敏剂用量和光照强度，同时提高了PDT对生物膜的治疗效果。研究中，选用了美国食品药品监督管理局（FDA）批准的光敏剂二氢卟吩E6（Ce6），并将其通过共价键连接到聚乙二醇（PEG）上，形成Ce6-PEG-AC复合物。利用PEGDA为单体，Ce6-PEG-AC作为添加剂，以及二氧化硅纳米粒子作为模板，制备了具有反蛋白石结构的光子晶体水凝胶（IOPC）。这种结构不仅提高了水凝胶的比表面积，增强了光捕获效率，还利于发生慢光子效应。通过将Ce6共价键连接到水凝胶基质上，有效规避了传统物理混合方法中光敏剂泄露的安全风险。通过精细调节二氧化硅纳米粒子的粒径和含量，作者制备了光子带隙位于648 nm和680 nm的IOPC，分别匹配Ce6吸收峰的红边和蓝边。由此产生的慢光子效应显著提升了Ce6的光捕获能力，在低剂量Ce6（纳摩尔级别）和低光照强度（3 mW cm^-2）条件下，ROS产量实现了3.7倍的增加。体外实验结果显示，IOPC的慢光子效应显著增强了Ce6在光动力治疗抗生物膜中的疗效，其杀菌效率提高了375%。进一步的体内实验也证明了慢光子效应能加速PDT中小鼠感染生物膜伤口的愈合。本项研究证实了慢光子效应能显著增强PDT在对抗细菌生物膜治疗中的应用潜力，验证了其作为一种安全且有效策略的可行性。

图1. 反蛋白石光子晶体水凝胶的制备及其增强Ce6光动力抗生物膜疗效的示意图。

东南大学博士后周鑫、北京科技大学副教授张鹏博和东南大学博士后丁海波为本文的第一作者，顾忠泽教授为通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Enhanced antibiofilm photodynamic therapy: Leveraging the slow photon effect for maximized efficacy with minimal photosensitizer and light doses

Xin Zhou, Pengbo Zhang, Haibo Ding, Hao Wang, Zhongze Gu

Nano Today, 2024, 56, 102225, DOI: 10.1016/j.nantod.2024.102225

导师介绍

顾忠泽

https://www.x-mol.com/university/faculty/45903