光敏剂的结构与性质

生命科学与工程学院实验报告目录0前言理想光敏剂的结构特征和光敏性质1抗菌光敏剂的分类及应用2实验部分2.1实验一2.2实验二3展望0前言光动力疗法( photodynamic therapy，PDT) 是利用光敏剂( photosensitizer，PS) 在异常组织选择性聚集，在分子氧的参与下，由特定波长的光激发产生活性氧( reactive oxygen species，ＲOS) ，并发生一系列光化学反应，对异常组织进行选择性杀伤的一种疾病诊疗新技术。

由于抗生素的滥用，耐药微生物菌株数目正以惊人的速度增加，特别是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 ( methicillin-resistant Staphylococcus aureus， MＲSA) ，耐万古霉素粪肠球菌( vancomycin-resistant enterococci，VＲE) ，耐多药分枝杆菌和真菌等［1］。

因此，探索新的抗微生物治疗方法迫在眉睫。

光动力抗菌化学疗法( photodynamic antimicrobial chemotherapy，PACT) 作用机制与 PDT 相似，可用于灭活微生物，并已成为当前微生物耐药情况下一种可选择的抗病原微生物新方法。

光动力抗菌化学疗法机制尚不明确。

目前认为光敏剂的光动力杀伤作用主要包括 I 型和Ⅱ型两种机制: I 型机制是指光敏剂的三重态氧与底物发生电子转移，产生自由基或自由基离子，进而对细菌产生氧化损伤和杀灭作用。

Ⅱ型机制是指光敏剂的三重态氧与基态分子氧发生能量传递产生单重态氧，这些单重态氧与邻近生物分子发生反应以造成损伤。

一般认为 PACT 作用于微生物是多靶点，但主要是破坏细胞的外部结构，从而破坏细胞的新陈代谢。

PS 不像传统抗生素需要到达微生物细胞特定部位、与相应的结构粘附、结合及发生化学反应，因此，微生物通过阻断或减少吸收、增加代谢及药物排泄而产生抵抗的概率很低［2，3］。

理想 PS 属性包括: ( 1) 化学组分单一、结构明确且性质稳定; ( 2) 在光照时具有强的光毒性，对机体无副作用，安全; ( 3) 可以快速从皮肤和黏膜清除; ( 4) 单态氧及其它活性氧物质产量高; ( 5) 较长波长的光激发; ( 6) 合成工艺简单、价格低廉; ( 7) 水中、注射液中和血液替代品中具有高溶解性。

理想光敏剂的结构特征和光敏性质单线态氧在细胞质中的扩散范围局限于45nm 之内，所以光线的组织穿透深度对光动力治疗是非常重要的因素，组织的增加和吸收波长的减少都将影响光的吸收和分散。

组织吸收成分包括核酸、氨基酸、血红蛋白和黑色素等，对于核酸和氨基酸，它们的吸收波长通常在 250 ～ 300nm 之间，所以它们对于波长大于 600nm 的光的吸收作用很小。

大多数组织的吸收本质是由血红蛋白控制的，而血红蛋白的最强吸收峰出现在波长小于620nm 处［2］。

随着波长从620nm 增加至 800nm，这些吸收峰的增长很弱。

其他的内源性发色基是黑色素，它是由酪氨酸分子凝结而成的聚合物，并在 400 ～ 700nm 区间均有吸收，但对较长波长的吸收相对减少。

以上所有因素提供一个事实，小于 550nm 波长的光穿透力很低，而在 550 ～630nm 穿透力则成倍增长，当达到 700 ～800nm 后，对组织的穿透能力大幅度提升。

然而，波长大于 800nm 的结果却不能令人满意。

如果吸收波长太长( 大于 800nm) 则难于满足形成1O2 的能量要求，意味着光子没有足够的能量使处于三线态的光敏剂将基态氧分子激发到单线态。

而且，当波长增加时，化合物对光的稳定性通常也会减弱。

因此，理想的光敏剂应该在 660 ～800nm 之间( 即“治疗窗口”) 有强吸收。

由于 660 ～800nm 的光提供了最佳的组织穿透强度以及充分的能量来形成单线态氧，发展具有这一范围波长吸收的光敏剂是光动力疗法中的研究重点。

波长较长的光可增加穿透深度，这是发展具有这种吸收波长光敏剂的主要原因，萘酞菁( 776nm) 和细菌叶绿素( 780nm) 的最大吸收波长都在治疗窗口内。

然而，光敏剂本身的光吸收可以限制组织光穿透，这种现象被称为光敏剂的“自屏蔽”。

如果光敏剂对治疗波长的光具有非常强烈的吸收则其自屏蔽现象尤其明显。

许多光敏剂在暴露于光时容易发生称之为光漂白的光破坏过程，而不同化学结构的光敏剂具有变化多端的光漂白率。

所以，PDT 中应用的光敏剂应该足够稳定以避免诸如光漂白的降解过程［3］。

优秀的光敏剂分子应该具有良好的水脂溶性; 具有两亲性的药物分子有利于药物透过细胞膜。

光毒性高而暗毒性低的光敏剂也是保证正常组织免受损伤的一个方面，可提高 PDT 治疗的选择性。

PDT 之所以优于其他肿瘤治疗方法，一个重要原因就在于所用光敏药物在无光照时具有低水平的暗毒性，而在对靶组织进行选择性光照时，靶组织内的光敏剂被激活而选择性地作用于靶组织。

PDT 光敏剂在患者体内的药代动力学消除应该迅速，以缩短治疗后避光保护的时间和避免长时间的皮肤光敏性。

它们应该对红外或远红外区的光具有强烈吸收，以使 PDT 的治疗作用可以到达尽可能深的部位，而且所使用的光不会导致正常组织光敏化。

1抗菌光敏剂的分类及应用1.1卟啉类化合物卟啉类化合物具有相对较高的活性氧产量，是常用的 PS 之一，但它持续 4-6 周左右的暗毒性作用限制了它的广泛应用。

因此，近年来研究者们一直致力于开发更理想的卟啉类PS。

5-氨基酮戊酸 ( ALA) 作为一个典型的卟啉类 PS，本身不具备光化学反应特性，但可生物合成原卟啉 IX( PpIX) 的前体。

PpIX 能迅速从身体清除，所以暗毒性作用时间减少。

研究发现 ALA 介导 PACT 具有广谱的抗微生物效应［4］，因此 ALA 介导的 PACT 广泛应用于皮肤病治疗，如细菌、真菌及病毒感染等。

但所有有核细胞都能够利用 ALA 合成 PpIX，因而与其他PS 相比，它的选择性低; 另ALA 介导PACT 光照时疼痛感强烈。

其他光敏剂，像带阳离子卟啉化合物可以作为广谱抗菌 PS，对耐甲氧西林金黄色葡萄菌、表皮葡萄球菌和大肠杆菌具有良好的杀伤效果。

光敏素 ( photofrin) 介导 PACT 能杀灭 MＲSA 感染关节炎小鼠模型的 MＲSA［5］。

Photogem 介导的 PACT 能杀灭热带念珠菌和都林柏菌［6］。

除了这两种真菌以外，有报道称 Photogem 介导的 PACT 还能完全杀灭口腔中白念珠菌、克鲁斯氏念珠菌和光滑念珠菌［7］。

1.2细菌叶绿素衍生物细菌叶绿素衍生物激发光波长为 700 ～900 nm，可以作为PDT 和 PACT 的光敏剂。

细菌叶绿素衍生物介导 PACT 对真菌、革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌均有一定效果，包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌［8］。

1.3酞菁及衍生物酞菁及其衍生物的激发波长为 670 ～ 780 nm。

金属离子修饰酞菁类化合物后具有活性氧产率高、持续时间长等特点，它介导的 PACT 对金黄色葡萄球菌有杀灭作用，且未发现金黄色葡萄球菌对 PACT 抵抗［9］。

金属离子修饰酞菁类化合物介导 PACT 也能有效处理局部感染 MＲSA 小鼠模型的 MＲSA［10］。

还有研究指出锌修饰酞菁类后介导的 PACT 能够有效杀灭革兰氏阴性大肠杆菌。

1.4天然光敏剂及衍生物天然光敏剂及其衍生物具有高效低毒的特点，因此备受青睐。

目前主要有 4 大类: 姜黄素类、核黄素类，醌类化合物和补骨脂素类。

1．4．1 姜黄素类姜黄素具有广泛的药理、毒理作用，在医学多个领域均有应用，包括抗癌、抗炎和抗感染。

姜黄素介导 PACT 副作用小，抗菌效果良好，因此临床应用潜力强。

它被455 nm LED 激发且能在30 min 内杀灭念珠菌［11］; 在蓝色LED( λ = 420 ± 20 nm) 设备照射 4 min 后可以杀灭变形链球菌［12］。

在体外实验中姜黄素介导 PACT 能够杀死龋齿中的细菌［13］。

1．4．2 核黄素核黄素有两个光吸收峰，分别在紫外光区 360 nm 和蓝光区 440 nm。

当核黄素被蓝光激发时能杀死金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌［14］，主要应用于浅表感染治疗。

1．4．3 醌类化合物醌类光敏剂是带有扩展π-电子系统的化合物，在光和氧的作用下呈现细胞毒性。

醌类化合物具有良好的光敏性质，可被红外光激发( 激发波长为 540 ～610 nm) ，单线氧产率高。

金丝桃素( hypercin) 是中性的疏水性化合物，一直作为一种抗癌 PS 进行研究较多。

金丝桃素经修饰增加其水溶性也可介导 PACT 杀灭革兰氏阳性金黄色葡萄球菌，但对革兰氏阴性大肠杆菌无明显作用［15］。

另外，醌类化合物中的竹红菌素( hypocrellin) 和竹红菌素 B( hypocrellin B) 作为 PS 其抗癌效果比抗菌效果好。

尾孢菌素( cercosporin) 尽管活性氧产率高，但是抗微生物作用弱。

1.4.4 补骨脂素补骨脂素类光学毒性机制主要包括两个方面:①核酸中鸟嘌呤核苷的羟基化，此反应通常以单线氧为中介;②与病毒的核酸形成复合物，从而使病毒失活。

补骨脂素类介导的 PACT 对病毒都有一定灭活作用［16］。

1.5亚甲蓝和吩噻嗪类化合物亚甲蓝( MB) 已经在临床上作为光敏剂( λmax = 660 nm) 使用。

MB 介导PACT 能杀灭口腔念珠菌病; 且 MB 介导 PACT 能增加念珠菌细胞膜的渗透性，进而增加其对抗生素的敏感性。

MB 介导PACT 还可杀灭耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，且副反应轻［17］。

甲苯胺蓝( TBO) 介导 PACT 对葡萄球菌有明显的杀伤作用［18］。

在体内研究中，TBO 介导 PACT 可明显杀灭创伤动物模型的创伤弧菌［19］。

新亚甲基蓝( NMB) 介导 PACT 治疗念珠菌感染小鼠以及多重耐药鲍曼不动杆菌感染的烧伤小鼠，结果显示均有一定治疗效果［20，21］。

1.6其他合成染料光敏剂四碘荧光素是一种已经批准作为食品色素的碘化氧杂蒽染料。

四碘荧光素易与细菌生物膜结合，在口腔科使用较多。

四碘荧光素介导PACT 比光敏素( photofrin) 、亚甲蓝( MB) 对变异链球菌更有效。

四碘荧光素介导 PACT 处理口腔念珠菌感染可以显著减少粘附在上皮细胞的酵母菌和念珠菌，并且不损害正常组织［22］。

吲哚菁绿( ICG) 主要用作造影剂。

ICG 也可作为抗菌 PS，它能被 810 nm 二极管激光激发，它介导 PACT 能杀灭野生型和耐药株金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌［23］。

方酸菁及其衍生物在体外具有良好光动力性质。

近年来，方酸菁及其衍生物PDT 抗肿瘤方面研究较多。