近日，西北工业大学黄维院士、胡文博教授课题组在抗菌光敏化机制研究方面取得了突破性进展。研究成果以“Zwitterionic Photosensitizer-Assembled Nanocluster Produces Efficient Photogenerated Radicals via Autoionization for Superior Antibacterial Photodynamic Therapy”为题，发表在高水平学术期刊Advanced Materials上。

抗生素的滥用已引发多重耐药菌株的全球性蔓延，严重威胁公共卫生安全。与传统抗生素治疗相比，抗菌光动力治疗（aPDT）作为一种非抗生素依赖的新型治疗策略，具有广谱抗菌性且不易引发耐药性等优势，引起了广泛关注。在光动力治疗中，光敏剂发挥着关键核心作用，其通过光敏化过程将能量或电子转移至周围底物，诱导产生活性氧物种（ROS），实现病原菌的高效灭杀。根据活性氧生成途径的不同，光敏剂可分为I型和II型。目前，临床应用主要集中于II型光敏剂，其通过能量转移机制与氧气反应，生成具有强氧化性的单线态氧（¹O₂）；而I型光敏剂则通过电子转移与周围生物分子或氧等底物反应，产生羟基自由基（•OH）、超氧阴离子（O₂⁻•）等具有更强氧化性的活性氧物种。I型光敏剂对氧气浓度的依赖性明显低于II型光敏剂，这使得I型光敏剂在局部缺氧的病理环境（如细菌感染区域）中展现出更优的治疗效果和应用潜力。然而，现有I型光敏剂体系通常较为复杂，且光诱导电子转移效率较低，需引入额外电子供体或受体以提升该过程的效率，这显著增加了其临床转化的难度与挑战。

图1 自组装的光敏剂纳米团簇及其抗菌光敏化机制示意图

针对上述问题，本论文研制了一种双离子型小分子光敏剂C3TH，能够自组装形成光敏剂纳米团簇，该团簇通过自电离机制显著提升光诱导电子转移效率，产生大量活性氧，实现高效抗菌光动力治疗（图1）。实验和理论计算表明，C3TH在生理环境下通过分子间非共价作用（静电吸引与范德华力结合）自组装，形成十字交叉构型堆积的纳米团簇（图2）。这种纳米团簇通过协同机制显著提升光诱导电子转移效率：i）缩短分子间距（d <4 Å），促进分子间光诱导电子转移；ii）抑制分子间电子-振动耦合，减少非辐射能量耗散（如热耗散），使光子能量更倾向于通过自电离路径释放。在自电离机制下，C3TH纳米团簇生成了具有高氧化还原性的光敏剂阳离子和阴离子自由基，随后这些自由基与水和氧气发生级联光氧化还原反应，产生大量的•OH和O₂⁻•（图3）。基于上述性质，即使在8 μg mL-1的超低剂量下，C3TH纳米团簇对革兰氏阳性细菌的抗菌率仍可达到97.6%，其抗菌效果相当于同剂量抗生素万古霉素的8.8倍。

图2 自组装光敏剂团簇分子动力学模拟及光物理性质表征

图3 光敏剂团簇的自电离表征及光敏化机制

本论文提出并证明了一种全新的分子间电子转移动力学模型，发现同一光敏剂分子兼具电子供体与受体功能，通过分子间自电离作用实现了自给自足的电子循环，摆脱了对外源性电子供/受体的依赖。这一机制实现了从“电子供/受体依赖”到“分子自主”模式的转变，为光敏剂设计提供了全新的理论框架与指导思路。同时，本论文中通过飞秒超快光谱与光谱电化学技术的联用，深入揭示了电子转移机制，为相关领域的实验研究与理论解析提供了重要参考。

柔性电子研究院硕士研究生何平、博士研究生贾明轩和杨琳芳为本文共同第一作者，通讯作者为西北工业大学胡文博教授。这一工作得到了国家自然科学基金面上项目、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202418978

来源：西北工业大学