湖南师范大学Angew：离子编程原位J-聚集体克服浓度依赖性实现糖尿病细菌感染按需光治疗

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背景介绍

J-聚集体因其增强的吸收、红移和光稳定性而在光治疗领域备受关注，但传统J-聚集体通常需要高染料浓度或纳米载体才能形成，这一浓度依赖性严重制约了其生物医学应用。高浓度探针的系统性给药存在脱靶毒性和非特异性信号风险；纳米载体预组装策略则面临代谢毒性、解聚导致性能不稳定等问题。此外，传统J-聚集体无法响应病理微环境，使其难以实现疾病靶向的激活式成像和治疗。细菌表面富含多价阴离子（革兰氏阳性菌的磷壁酸、革兰氏阴性菌的脂多糖、生物膜中的胞外DNA和酸性多糖），这为开发响应高浓度负电荷的J-聚集体提供了天然契机。

研究思路

针对上述挑战，湖南师范大学化学化工学院刘红文教授、徐俐教授与上海交通大学医学院附属新华医院李哲教授团队合作，基于DLVO理论和Schulze-Hardy规则（CCC ∝ 1/z⁶），提出了一种基于长程静电相互作用构建高价离子编程J-聚集体的策略。团队通过在阴离子五甲川菁（ACy5）的meso位引入带正电或负电的基团，调控其在离子环境中的堆叠偏好，获得了对高价反离子（z≥2）响应而发生急剧J-聚集的探针ACy5-Py-3Py。得益于静电相互作用的长程特性，ACy5-Py-3Py在浓度低至0.25 μM时即可形成稳定的J-聚集体，突破了传统J-聚集体的浓度依赖瓶颈。利用细菌膜富含多价阴离子的特点，ACy5-Py-3Py在细菌表面实现了原位J-聚集，所得聚集体展现出强大的光治疗活性，在糖尿病小鼠MRSA感染伤口模型中疗效优于万古霉素。相关内容以 Ion-Programmed In Situ J-Aggregates Overcome Concentration-Dependence for On-Demand Phototherapy of Diabetic Bacterial Infections 发表在 Angewandte Chemie International Edition！

图片解析

图1. 离子激活J-聚集体探针筛选： (A) 获得理想J-聚集体探针的结构优化步骤。(B-J) 5 μM ACy5、ACy5-Py、ACy5-Py-Me、ACy5-Py-Pr、ACy5-Py-SO₃⁻、ACy5-Py-3Py、ACy5-Py-5Py、ACy5-Py-7Py和Cy5-Py-3Py与200 μM NaCl、NaNO₃、AcONa、Na₂C₂O₄、Na₂CO₃、Na₂SO₄、Na₂CrO₄和Na₃PO₄共孵育后的吸收光谱。双吡啶盐衍生物（ACy5-Py-3Py、-5Py、-7Py，净电荷+1）在加入高价阴离子后显示从720 nm到约880 nm的吸收红移，表明J-聚集体形成。(K-M) 5 μM ACy5-Py-SO₃⁻（K）、ACy5-Py-3Py（L）和Cy5-Py-3Py（M）与200 μM NaCl、KCl、NH₄Cl、CaCl₂、MgCl₂和ZnCl₂共孵育后的吸收测试。ACy5-Py-SO₃⁻（净电荷-1）对二价阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺）响应形成J-聚集体。(N) 不同探针对不同离子的J-聚集效果柱状分析，A_J-aggre./mono.为加入不同盐后J-聚集体峰吸光度与单体峰吸光度之比。n=3。

图2. ACy5-Py-3Py J-聚集体的光物理性质： (A) 5 μM ACy5-Py-3Py在纯水和含200 μM Na₃PO₄的PBS中的吸收光谱，J-聚集体在886 nm处出现新吸收峰（约160 nm红移）。(B) J-聚集体在886 nm处的吸收增强约3.4倍。(C) Na₃PO₄滴定实验显示ACy5-Py-3Py对PO₄³⁻的检测限为3.7 nM。(D) 不同浓度Na₃PO₄下886/720 nm吸收比变化。(E) 荧光光谱显示J-聚集导致荧光几乎完全淬灭。(F-G) 其他二价和三价阴离子（SO₄²⁻、CO₃²⁻、CrO₄²⁻）同样诱导J-聚集，高价阴离子的聚集倾向遵循电荷数顺序（Cl⁻ < SO₄²⁻ < PO₄³⁻）。(H) 光稳定性测试：J-聚集体在连续860 nm照射30 min后保留>95%吸收，ICG在10 min内损失约95%。(I) 加入200 μM PO₄³⁻后886 nm吸收在数秒内上升，约10 min达到平台。(J) 传统FD-1080 J-聚集体仅在FD-1080/DMPC高比例（1:10）时形成，1:200时不聚集。(K) ACy5-Py-3Py在0.25-5 μM浓度范围内吸收峰基本不变，证明浓度无关的自组装。(L) 预形成J-聚集体稀释16倍后吸收不变，进一步证实抗浓度稀释特性。

图3. ACy5-Py-3Py J-聚集体的理论计算与EDS表征： (A-C) Cl⁻、SO₄²⁻和PO₄³⁻存在下ACy5-Py-3Py在水中的MD模拟。单价的Cl⁻使染料保持分散，二价SO₄²⁻促进明显聚集，三价PO₄³⁻诱导广泛J-聚集。(D-F) Cl⁻、SO₄²⁻和PO₄³⁻存在下ACy5-Py-3Py的J-聚集体数量分布。(G) Cl⁻、SO₄²⁻和PO₄³⁻存在下J-聚集体数量总结（n=1000, ****p<0.0001）。(H) ACy5-Py-3Py两个J-二聚体结构的顶视图和侧视图，显示头-尾滑移几何结构，分子间距离3.63 Å，滑移角θ=27.0°（θ<54.7°有利于红移J带）。(I) 

Na₃PO₄诱导ACy5-Py-3Py J-聚集体的EDS图像，比例尺100 nm。(J) 不同元素的详细能量-强度分布，N/P信号共定位证实+1单体与PO₄³⁻的静电吸引。

图4. ACy5-Py-3Py在细菌膜上的原位J-聚集： (A) 示意图。(B) 5 μM ICG、ACy5-Py-3Py和J-聚集体加入MRSA 10 min后的吸收测试，ACy5-Py-3Py+MRSA在约880 nm处出现新峰（J-聚集体特征）。(C) 光声测试显示ACy5-Py-3Py+MRSA在880 nm处PA信号急剧上升，PA₈₈₀/PA₇₂₀比值为5.1倍。(D) 5 μM ICG、ACy5-Py-3Py和J-聚集体加入E. coli 10 min后的吸收测试，同样观察到J-聚集特征峰。(E) E. coli的PA测试显示相似增强趋势。(F-G) MRSA（F）和E. coli（G）的Bio-TEM图像，与10 μM预组装J-聚集体和10 μM ACy5-Py-3Py孵育10 min后，ACy5-Py-3Py组细菌膜上清晰可见J-聚集体（比例尺：1 μm）。

图5. PDT/PTT性质与抗菌评价： (A) 不同浓度J-聚集体在860 nm激光（0.5 W/cm²）下的升温曲线。(B) 不同激光功率下的升温曲线（10 μM J-聚集体）。(C) 单体和J-聚集体的冷却曲线及拟合线。(D) ICG、单体和J-聚集体的光热循环（0.5 W/cm²，10 min照射，10 min冷却，3个循环）。(E) 光热图像。(F-H) DCFH、DHR-123和SOSG检测ROS、超氧阴离子和单线态氧的产生（[PSS]=2 μM, 0.2 W/cm²）。(I) ACy5-Py-3Py介导细菌杀灭示意图。(J-K) MRSA（J）和E. coli（K）与不同探针孵育10 min并照射5 min（750/860 nm激光，0.5 W/cm²）前后的光热图像。(L) 对应(J-K)的DCFH基ROS产生。(M-P) J-聚集体和单体在750/860 nm激光（0.2 W/cm²，15 min）下对MRSA（M,N）和E. coli（O,P）的治疗效果，IC₅₀值：MRSA中J-聚集体4.16 μM vs 单体13.82 μM；E. coli中J-聚集体7.83 μM vs 单体13.89 μM。

图6. 糖尿病小鼠MRSA感染伤口的原位PDT/PTT治疗： (A) 示意图：STZ诱导的糖尿病小鼠感染MRSA后喷洒20 μM ACy5-Py-3Py单体，在细菌表面形成原位J-聚集体。(B) 不同组小鼠的光热图像（n=5，激光750/808/860 nm，500 mW/cm²，15 min）。(C) (B)中温度曲线，原位J-聚集体+860 nm激光组（V组）升温最高。(D) 不同处理后小鼠伤口随时间恢复照片（红色圆圈直径6 mm）。(E) 第10天伤口区域激光散斑成像，V组灌注信号最弱（蓝色），表明炎症最少、血管正常。(F) 第4天细菌采样后的菌落培养。(G) (F)的细菌计数，V组和万古霉素组（VIII组）细菌完全清除。(H) (D)的伤口面积变化。(I) 伤口区域血流灌注随时间变化曲线（n=5, *p<0.1, **p<0.01, ***p<0.001, ****p<0.0001）。

图7. 糖尿病小鼠光治疗后的病理研究： (A) 炎症和免疫检测时间点示意。(B-D) IL-6、IL-1β和TNF-α炎症因子含量变化，V组在10天时降至最低。(E-G) CD206（M2巨噬细胞）、CD31（血管）和iNOS（M1巨噬细胞）免疫荧光染色结果，V组三种信号均最低，表明伤口在第14天前已完全愈合。(H) 第14天伤口组织的H&E、Masson和免疫组化染色（比例尺：250 μm）。V组（原位J-聚集体+860 nm激光）显示完整上皮、有序胶原组织、正常血管结构且CD31/CD206/iNOS信号最低；万古霉素组（VIII组）细菌清除但仍有血管过度增生；未治疗组和预组装组伤口愈合差、炎症持续。

结论

该研究基于DLVO理论建立了长程静电相互作用介导的J-聚集体构建策略，突破了传统J-聚集体对高浓度的依赖瓶颈。其核心创新包括：在ACy5的meso位引入双吡啶盐（ACy5-Py-3Py，净电荷+1）或磺酸基（ACy5-Py-SO₃⁻，净电荷-1），实现对高价反离子（z≥2）的选择性响应，高价阴离子（PO₄³⁻、SO₄²⁻）诱导ACy5-Py-3Py形成J-聚集体（吸收峰从720 nm红移至886 nm，增强3.4倍），高价阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺）诱导ACy5-Py-SO₃⁻形成J-聚集体，聚集倾向遵循电荷数顺序（Cl⁻<SO₄²⁻<PO₄³⁻；Na⁺<Mg²⁺）；长程静电相互作用使ACy5-Py-3Py在浓度低至0.25 μM时即可形成稳定J-聚集体（传统体系需高浓度或纳米载体），预形成J-聚集体稀释16倍后吸收不变，证明其抗浓度稀释特性；ACy5-Py-3Py在细菌表面（MRSA和E. coli）原位形成J-聚集体，PA₈₈₀/PA₇₂₀比值达5.1倍，Bio-TEM直接观察到细菌膜上的J-聚集体；J-聚集体的光热转换效率达40.5%（单体17.5%），总ROS增强3.3倍（O₂⁻增强30.6倍），抗菌IC₅₀在MRSA中为4.16 μM、E. coli中为7.83 μM；在STZ诱导的糖尿病MRSA感染伤口模型中，原位J-聚集体+860 nm激光组疗效优于万古霉素（细菌完全清除、愈合最快、疤痕最少），炎症因子（IL-6、IL-1β、TNF-α）降至最低，巨噬细胞从M1向M2极化，健康伤口对照无损伤。该静电驱动J-聚集体策略为细菌感染按需光诊疗提供了全新范式。