CN112424314B - 一种用于监测和杀死多药耐药细菌的双功能聚集诱导发光材料 - Google Patents

一种用于监测和杀死多药耐药细菌的双功能聚集诱导发光材料 Download PDF

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Abstract

具有抗生素和聚集诱导发光(AIE)特性的抗生素化合物。化合物包含唑类抗生素单元如萘二甲酰亚胺三唑(NT)以及成像和活性氧(ROS)产生性能的AIE单元如三苯乙烯(TriPE)。本申请的化合物为一种具有药物和活性氧协同杀菌能力的有效新型AIEgen。本申请的唑类抗生素单元和AIE单元的组合不会对唑类的抗菌性能产生负面影响，同时，通过唑类的抗菌机制以及AIE单元暴露于光时产生的ROS两者来杀灭细菌。此外，本申请的化合物的内在成像能力使得它们能够用作成像工具以监测药物‑细菌相互作用。总的来说，本申请的化合物提供了多种功能，包括在成像、监测和细菌感染抑制，以用药物追踪和细菌杀伤。

Description

一种用于监测和杀死多药耐药细菌的双功能聚集诱导发光 材料
技术领域
本发明主题主要涉及用于治疗由细菌引起的伤口感染的抗菌剂，该抗菌剂还充当用于监测细菌感染和进一步探索相关抗菌机制的荧光剂。
背景技术
由于缺乏能够有效杀死多药耐药(MDR)细菌的生物相容性抗生素，因此，MDR细菌对公众健康构成了严重威胁。随着对现有抗生素的耐药性的出现，开发新型治疗剂已迫在眉睫。光动力治疗(PDT)是一种潜在的代替抗生素杀死细菌的策略。通常，PDT采用光敏剂
(PS)吸收光并产生单重激发态(S1)。S1态可以进一步将能量转移至三重激发态(T1)。随后，三重激发态产生破坏性的单线态氧(1O2)或其他活性氧簇(ROS)。PDT能够靶向细菌的外部和内部结构，而不需要PS进入细菌，PDT的灭菌机制与传统抗生素不同。因此，细菌几乎不能对PDT产生抗性。然而，迄今为止报道的大多数PS是疏水性的，因而当PS在生理亲水条件下与细菌相互作用时，倾向于形成聚集体。这种分子聚集会引起单重态的猝灭，从而猝灭荧光，也减少了ROS的产生，因而损害了成像和治疗的效果。与传统PS相比，具有聚集诱导发光特性的有机发光体(AIEgen)是一种在溶液中表现出微弱发射或无发射，但在聚集时表现出增强的发射的分子。AIEgen独特的聚集点亮荧光特性使得它们能够广泛应用于生物成像。更重要的是，发现一些AIEgen表现出聚集增强产生ROS的性质，表明它们能够应用于成像引导的PDT中。迄今为止，已经报道了几种用于成像或杀菌的AIEgen，然而，这些报道的AIEgen大多数是单功能的，而且没有系统地研究它们的抗菌能力。因此，关于是否可以将抗生素与PDT结合以产生强有力的新型超级抗生素来对抗细菌或甚至MDR细菌，仍然是一个悬而未知的问题。
因此，将光动力治疗与传统疗法相结合的抗生素化合物是令人向往的。
发明内容
本发明主题涉及具有抗生素和聚集诱导发光(AIE)特性的化合物。化合物包含唑类抗生素单元如萘酰亚胺三唑(NT)以及AIE单元如三苯乙烯(TriPE)。化合物作为一种具有产生ROS能力的有效AIEgen。本申请的唑类抗生素单元和AIE单元的组合不会对唑类的抗菌性能产生负面影响。因此，本申请的化合物通过唑类的抗菌机制以及AIE单元暴露于光时产生的ROS两者来杀灭细菌。此外，本申请的化合物的内在成像能力使得它们能够用作成像工具以监测药物-细菌的相互作用。总的来说，本申请的化合物提供了多种功能，包括成像、监测和细菌感染抑制，以用于临床实践中的综合诊断和治疗。
在一个实施方案中，化合物具有以下主链结构式：
在一些实施方案中，本申请的化合物用于治疗细菌感染，并作为成像剂以用于观察化合物与感染细菌之间的相互作用。
附图说明
现在将参照附图详细描述各种实施方案。
图1为化合物3的高分辨率质谱图。
图2为化合物2的质子核磁共振(H NMR)谱图。
图3为化合物2的碳磁共振(C NMR)谱图。
图4为化合物3的高分辨率质谱图。
图5为化合物1的H NMR谱图。
图6为化合物1的高分辨率质谱图。
图7为TriPE-NT的H NMR谱图。
图8为TriPE-NT的C NMR谱图。
图9为TriPE-NT的高分辨率质谱图。
图10为描述化合物2的单晶结构的图。
图11A为描述TriPE-NT的分子结构的图。
图11B为TriPE-NT水溶液的紫外-可见吸收光谱的图。
图11C为TriPE-NT在不同水分数(fw)的THF/水混合物中的PL光谱的图，其中浓度为10μM，并且激发波长：385nm。
图11D为在365nm紫外光照射下，相对PL(I/I0)强度相对于用于溶解TriPE-NT的THF/水混合物的组成的图，包括TriPE-NT在水分数为0％、80％和99％的THF/水混合物中的图。
图11E为由扫描电子显微镜(SEM)数据计算的TriPE-NT聚集体的尺寸分布的图。
图12A为TriPE-NT的纳米聚集体的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)图像。
图12B为图12A的方形区域的放大图像。
图13为TriPE-NT的发射最大值相对于四氢呋喃(THF)/水混合物的组成的图。
图14示出了TriPE-NT的优化的核心结构的图、以及示出了最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)的电子密度分布的核心结构的图。
图15A为二氯二氢荧光素(DCFH)的光致发光(PL)光谱的图，表明了在用385nm的激发波长、在不同时间周期的白光照射(4mW cm-2)之后由TriPE-NT(10μM)产生ROS。
图15B为385nm处的相对PL强度(I/I0)相对于辐射时间的图，包括大肠杆菌(E.coli)和MDR大肠杆菌的细菌存活率。
图15C至图15F为描述细菌的细菌存活率的图，将细菌与TriPE-NT(10μM)一起孵育10分钟，将细菌悬浮液(50μL)涂在琼脂板上，并用白光照射(4mW cm-2)分别处理0、2分钟和30分钟。图15C为大肠杆菌和MDR大肠杆菌的存活率相对于时间的图。图15D为肺炎克雷伯菌(K.pneumoniae)和MDR肺炎克雷伯菌的存活率相对于时间的图。图15E为表皮葡萄球菌(S.epidermidis)和MDR表皮葡萄球菌的存活率相对于时间的图。图15F为金黄色葡萄球菌(S.aureus)和MDR金黄色葡萄球菌的存活率相对于时间的图。
图16A至图16B为描述细菌的细菌存活率的图，将细菌与TriPE-NT(0、5μM、10μM)一起孵育0(S-0)和10分钟(S-10)，将细菌悬浮液(50μL)涂在琼脂平板上，并用白光照射(4mWcm-2)分别处理2分钟(I-2)、10分钟(I-10)和30分钟(I-30)。图16A为大肠杆菌的存活率相对于时间的图。图16B为表皮葡萄球菌的存活率相对于时间的图。
图17A至图17C为描述细菌的细菌存活率比较的图，将细菌与TriPE-NT(10μM)一起孵育10分钟，将细菌悬浮液(50μL)涂在琼脂平板上，并用白光照射(4mW cm-2)分别处理0、2分钟和30分钟(0.001<*P<0.05,#P<0.001)。图17A为比较大肠杆菌、MDR大肠杆菌、表皮葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌存活率相对于时间的图。图17B为比较肺炎克雷伯菌、MDR肺炎克雷伯菌、表皮葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌存活率相对于时间的图。图17C为比较肺炎克雷伯菌、MDR肺炎克雷伯菌、金黄色葡萄球菌和MDR金黄色葡萄球菌存活率相对于时间的图。
图18A至图18B为描述在黑暗条件下和在白光照射(4mW cm-2)下与0、2μM、5μM、10μM和20μM的不同浓度的TriPE-NT一起孵育2分钟和30分钟后，HAFs和HUVEC细胞存活率的图。图18A示出了在多种光照条件下，HAFs存活率相对于浓度的关系。图18B示出了在多种光照条件下，HUVEC存活率相对于浓度的关系。
图19A为示出大肠杆菌以及具有和没有大肠杆菌(109CFU mL-1)的TriPE-NT(10μM)的PL光谱的图，包括在365nm紫外光照射下拍摄的大肠杆菌、TriPE-NT、以及TriPE-NT和大肠杆菌混合物的图像。
图19B为示出表皮葡萄球菌以及具有和没有表皮葡萄球菌(109CFU mL-1)的TriPE-NT(10μM)的PL光谱的图，包括在365nm紫外光照射下拍摄的表皮葡萄球菌、TriPE-NT、以及TriPE-NT和表皮葡萄球菌混合物的图像。
图20示出了与10μM的TriPE-NT和FMTM4-64FX一起孵育10分钟的大肠杆菌(G-)和表皮葡萄球菌(G+)的明场图像和荧光图像。TriPE-NT：Ex，405nm，Em，500nm至560nm；FMTM4-64FX：Ex，543nm，Em，600nm至700nm。
图21A示出了与10μM的TriPE-NT和碘化丙啶(PI)一起孵育10分钟的大肠杆菌和表皮葡萄球菌的明场图像和荧光图像。TriPE-NT：Ex，405nm，Em，500nm至560nm；PI：Ex，514nm，Em，600nm至700nm。
图21B为大肠杆菌、MDR大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、MDR肺炎克雷伯菌、表皮葡萄球菌、MDR表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌和MDR金黄色葡萄球菌的染色百分比的图。
图21C为细菌与10μM的TriPE-NT或PI一起孵育10分钟后，由碘化丙锭(PI)染色的死亡细菌百分比的图。
图22示出了与10μM的TriPE-NT和碘化丙啶(PI)一起孵育10分钟的大肠杆菌、MDR大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、MDR肺炎克雷伯菌的明场图像和荧光图像。TriPE-NT：Ex＝405nm，Em＝500nm至560nm；PI：Ex＝514nm，Em＝600nm至700nm。标尺等于5μm。
图23示出了与10μM的TriPE-NT和碘化丙啶(PI)一起孵育10分钟的表皮葡萄球菌、MDR表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌和MDR金黄色葡萄球菌的明场图像和荧光图像，标尺等于5μm。TriPE-NT：Ex＝405nm，Em＝500nm至560nm；PI：Ex＝514nm，Em＝600nm至700nm。
图24A至图24E示出了用白光照射并由FE-SEM和FEHR-TEM得到的大肠杆菌、MDR大肠杆菌、表皮葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌的TriPE-NT诱导的形貌变化的图像，将未经处理的细菌作为对照。图24A示出了FE-SEM图像。图24B示出了FEHR-TEM图像，箭头指示被破坏的膜。图24C示出了大肠杆菌和表皮葡萄球菌的元素分析图。图24D为在来自由图24C中的矩形所标记的区域的经TriPE-NT处理的大肠杆菌的超薄切片上测得的元素曲线的图。图24E为在来自由图24C中的矩形所标记的区域的经TriPE-NT处理的表皮葡萄球菌的超薄切片上测得的元素曲线的图。
图25示出了未经光照射的、由TriPE-NT处理的大肠杆菌、MDR大肠杆菌、表皮葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌的形貌图像。
图26A至图26D示出了TriPE-NT在大鼠的细菌感染伤口的治疗中的体内评价。图26A说明了建立细菌感染大鼠的全层皮肤的创面模型的过程。图26B示出了在损伤后用TriPE-NT加白光照射(4mW cm-2)处理的伤口在不同的时间段的照片。图26C为损伤后第3天和第7天，经大肠杆菌和MDR大肠杆菌感染的伤口面积比例的图。图26D为损伤后第3天和第7天，经表皮葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌感染的伤口面积比例的图(每个实验至少重复5次)。
图27为损伤后第3天和第7天，经大肠杆菌、MDR大肠杆菌、表皮葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌感染的伤口面积比例的图(每个实验至少重复5次)。
图28示出了在损伤后第3天和第7天，使用或未使用TriPE-NT加白光照射处理的经大肠杆菌、MDR大肠杆菌、表皮葡萄球菌或MDR表皮葡萄球菌感染的伤口的切片组织的苏木精和伊红(HE)染色的图像。图像中的字母表示组织学切片中的特定细胞类型和结构。L：淋巴细胞；B：血管；F：成纤维细胞；S：鳞状上皮细胞；H：
毛囊。所有标尺等于100μm。
具体实施方式
定义
提供以下定义是为了理解本发明主题和构建所附专利权利要求。
应注意的是，如本说明书和所附权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物。
如本文所使用的，“试剂”是指可以用于治疗方案的化学或生物材料。试剂的实例包括DNA、RNA、SiRNA、药物或药品。
如本文所使用的术语“λex”是指激发波长。
如本文所使用的短语“聚集诱导发光”或“AIE”是指以无定形或结晶(固体)状态聚集时表现出显著增强的光发射而在稀溶液中表现出弱发射或几乎无发射的化合物所表现的现象。
如本文所使用的，“卤代”或“卤素”是指氟、氯、溴及碘。
如本文所使用的，“烷基”是指直链或支链的饱和烃基。烷基的实例包括甲基(Me)、乙基(Et)、丙基(例如正丙基及异丙基)、丁基(例如正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基)、戊基(例如正戊基、异戊基、戊基)、己基等。在各种实施方案中，烷基可具有1至40个碳原子(即C1-40烷基)，例如1至30个碳原子(即C1-30烷基)。在一些实施方案中，烷基可具有1至6个碳原子，并且可被称为“低级烷基”。低级烷基的实例包括甲基、乙基、丙基(例如正丙基及异丙基)及丁基(例如正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基)。在一些实施方案中，烷基可以如本文所述地被取代。烷基通常不被另一烷基、烯基或炔基取代。
术语“烷氧基”是指-O-烷基；“羟烷基”是指被羟基取代的烷基；“芳烷基”是指被芳基取代的烷基；“烷氧基烷基”是指被烷氧基取代的烷基；“烷基胺”是指被烷基取代的胺；“环烷基烷基”是指被环烷基取代的烷基；“二烷基胺”是指被两个烷基取代的胺；“烷基羰基”是指-C(O)-A*，其中A*为烷基；“烷氧羰基”是指-C(O)-OA*，其中A*为烷基；并且其中烷基如上所定义。烷氧基优选为O(C1-C6)烷基，并且包括甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基、戊氧基和己氧基。
如本文所使用的，“芳基”是指芳香族单环烃环体系或多环体系，其中，两个或更多个芳香族烃环稠合在一起(例如具有一个共用键)或至少一个芳香族单环烃环与一个或多个环烷基环和/或环杂烷基环稠合。芳基在其环体系中可具有6至24个碳原子(例如C6-24芳基)，其可包含多个稠合环。在一些实施方案中，多环芳基可具有8至24个碳原子。芳基的任一适合的环位置可共价连接于定义的化学结构。只具有一个或多个芳香族碳环的芳基的例子包括苯基、1-萘基(双环)、2-萘基(双环)、蒽基(三环)、菲基(三环)、并五苯基(五环)等。至少一个芳香族烃环与一个或多个环烷基环和/或环杂烷基环稠合的多环体系的例子包括环戊烷的苯衍生物(即茚基，其为5,6-双环烷基/芳香族环体系)、环己烷的苯衍生物(即四氢萘基，其为6,6-双环烷基/芳香族环体系)、咪唑啉的苯衍生物(即苯并咪唑啉基，其为5,6-双环环杂烷基/芳香族环体系)及吡喃的苯衍生物(即苯并吡喃基，其为6,6-双环环杂烷基/芳香族环体系)。芳基的其他例子包括苯并二恶烷基、苯并二氧基(benzodioxolyl)、苯并二氢吡喃基、吲哚啉基等。在一些实施方案中，芳基可以如本文所述地被取代。在一些实施方案中，芳基可具有一个或多个的卤素取代基，并可被称为“卤芳”基。卤芳基的定义中包括全卤芳基(Perhaloaryl)，即芳基中所有的氢原子皆被卤原子取代(例如–C6F5)。在某些实施方案中，芳基由另一芳基取代，并且可被称为双芳基。双芳基的各芳基可以如本文所述地被取代。
如本文所使用的，“杂芳基”是指含有至少一个选自氧(O)、氮(N)、硫(S)、硅(Si)及硒(Se)中的环杂原子的芳香族单环体系或环体系中存在的至少一个环为芳香族的并含有至少一个环杂原子的多环体系。多环杂芳基包括具有两个或更多个稠合在一起的杂芳环的多环杂芳基，以及具有至少一个稠合到一个或多个芳香族碳环、非芳香族碳环和/或非芳香族环杂烷基环的单环杂芳环的多环杂芳基。杂芳基作为整体可具有(例如)5至24个环原子，并含有1至5个环杂原子(即5至20元的杂芳基)。杂芳基可在任一杂原子或碳原子处连接至定义的化学结构，只要能得到稳定的结构即可。通常，杂芳基环不含有O-O、S-S或S-O键。然而，杂芳基中的一个或多个N或S原子可被氧化(例如吡啶N-氧化物、噻吩S-氧化物、噻吩S,S-二氧化物)。杂芳基的例子包括(例如)以下示出的5元或6元的单环及5至6双环体系：
其中T为O、S、NH、N-烷基、N-芳基、N-(芳烷基)(例如N-苯甲基)、SiH2、SiH(烷基)、Si(烷基)2、SiH(芳烷基)、Si(芳烷基)2或Si(烷基)(芳烷基)。这样的杂芳基环的例子包括吡咯基、呋喃基、噻吩基、吡啶基、嘧啶基、哒嗪基、吡嗪基、三唑基、四唑基、吡唑基、咪唑基、异噻唑基、噻唑基、噻二唑基、异恶唑基、恶唑基、恶二唑基、吲哚基、异吲哚基、苯并呋喃基、苯并噻吩基、喹啉基、2-甲基喹啉基、异喹啉基、喹喔啉基、喹唑啉基、苯并三唑基、苯并咪唑基、苯并噻唑基、苯并异噻唑基、苯并异恶唑基、苯并二唑基、苯并恶唑基、噌啉基、1H-吲唑基、2H-吲唑基、吲哚嗪基、异苯并呋喃基、萘啶基、酞嗪基、蝶啶基、嘌呤基、恶唑并吡啶基、噻唑并吡啶基、咪唑并吡啶基、呋喃并吡啶基、噻吩并吡啶基、吡啶并嘧啶基、吡啶并吡嗪基、吡啶并哒嗪基、噻吩并噻唑基、噻吩并恶唑基、噻吩并咪唑基等。另外，杂芳基的例子包括4,5,6,7-四氢吲哚基、四氢喹啉基、苯并噻吩并吡啶基、苯并呋喃并吡啶基等。在一些实施方案中，杂芳基可以如本文所述地被取代。
“活性氧簇(ROS)”连接部分是在暴露于活性氧簇时可以断裂的部分。
如本文所使用的，“光谱学”包括物质与辐射能量反应的任何方法。这包括但不限于显微术、荧光显微术、紫外/可见光谱测定法和流式细胞术。如本文所使用的“酶标仪”是指测定(例如)包含在微孔板中的样品的荧光、吸光度和发光的实验室仪器。
如本文所使用的，术语“孵育(incubation)”或者“孵育(incubating)”样品是指混合样品。或者，孵育是指混合并加热样品。“混合”可以包括通过扩散或通过搅动样品进行混合。
除非另外定义，否则本文所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所述主题所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在提供数值范围的情况中，例如浓度范围、百分比范围或比率范围，应当理解，除非上下文另有明确规定，否则在该范围的上限与下限之间的、到下限单位的十分之一的各中间值以及在所述范围内的任何其他所述值或中间值包含在所述主题内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括在较小范围中，并且此类实施方案也包括在所述主题内，受限于所述范围中的任何特定排除的极限值。在所述范围包括一个或两个极限值的情况中，排除那些所包括的极限值中的任一个或两个的范围也包括在所述主题中。
在整个申请中，各种实施方案的描述使用“包含”语言。然而，本领域技术人员将理解，在一些特定情况中，实施方案可以替代地使用语言“基本上由……组成”或“由……组成”进行描述。
为了更好地理解本教导并且决不限制本教导的范围，除非另外指出，否则在说明书和权利要求中使用的表示数量、百分比或比例的所有数字以及其他数值在所有情况下都应理解为由术语“约”进行修饰。因此，除非相反地指出，否则在以下说明书和所附权利要求书中阐述的数值参数为近似值，其可以根据寻求获得的所需性质而变化。至少，每个数值参数应该至少根据所报告的有效数字的数值并通过应用普通的舍入技术来进行解释。
抗菌化合物
在一些非限制性实施方案中，本申请的主题涉及具有抗生素AIE特性的某些抗生素化合物。因此，这些化合物能够染色和杀死革兰氏阳性菌和/或革兰氏阴性菌。
在一个实施方案中，本申请的化合物可具有以下主链结构式：
其中n为1至10的整数；各X可独立地为选自由F、Cl、Br和I组成的组中的卤素；各Y可独立地为氧和硫中的一种；抗衡离子Z-选自由下列组成的组：F-、Cl-、Br-、I-、At-、Ts-、PF6 -、BF4 -、SbF6 -、SbF5 -、CH3COO-、CF3COO-、CO3 2-、SO4 2-、SO3 2-、CF3SO2 -、TsO-、ClO4 -、(F3CSO2)N-和PO4 3-；R1和R2可独立地选自由下列组成的组：烷基、烷氧基、OH、NH2、被羟基取代的烷基和5、6或7元含氮不饱和杂芳基；以及R3可存在或不存在，其中当R3存在时，R3可选自由H、苯基和CN组成的组，而当R3不存在时，沿具有虚线的碳键存在双键。此外，本领域普通技术人员已知的其他合适的抗衡离子可进一步用于本文中的Z-抗衡离子。
在本申请的抗菌化合物的一些实施方案中，各X为氟。
在本申请的抗菌化合物的一些实施方案中，各Y为氧。
在本申请的抗菌化合物的一些实施方案中，R1为甲氧基。
在本申请的抗菌化合物的一些实施方案中，R2为甲氧基。
在本申请的抗菌化合物的一些实施方案中，Z-为Br-。
本申请的抗菌化合物的一个实施方案为：
在一些情况中，化合物可与药学上可接受的载体进行组合。例如，当打算局部施用时，可以使用局部载体。可将用于配制其他局部治疗组合物以施用至人的熟知载体与本申请的化合物一起使用。本领域技术人员熟知的这些组分的实例描述于新泽西州拉威市默克公司Budavari等人编辑的第十三版Merck Index(2001)；CTFA(化妆品、化妆用品和香料协会)国际化妆品成分词典和手册第十版(2004)；以及美国食品和药品管理局(FDA)药品评价和研究中心(CDER)管理局于1996年1月发布的“非活性成分指南”，将这些文献的全部内容通过引用并入本文。这些有用的药学上可接受的赋形剂、载体和稀释剂的实例包括纯净水、生理盐水、林格氏溶液、葡萄糖溶液、Hank氏溶液和DMSO，它们是优选用于本文的药学上可接受的赋形剂、载体和稀释剂。
这些其他非活性成分以及有效制剂和施用方法是本领域熟知的，并且描述于标准教科书中，例如1990年Pergamon出版公司出版的Goodman和Gillman的：ThePharmacological Bases of Therapeutics，第8版；以及1990年宾夕法尼亚州伊斯顿的Mack出版公司出版的Remington’s Pharmaceutical Sciences，第17版，将这两本书的全部内容通过引用并入本文。
本申请的主题的一些实施方案包括一种治疗患者的细菌感染的方法，包括：将本申请的抗菌化合物施用至患者的感染部位，并照射感染部位以由本申请的抗菌化合物产生活性氧簇。可用白光照射感染部位2分钟至30分钟范围内的持续时间。
本申请的主题的一些实施方案包括一种产生活性氧簇的方法，包括：将本申请的抗菌化合物施用于对象的一部分以及照射对象的该部分。可用白光照射对象的该部分2分钟至30分钟范围内的持续时间。
本申请的主题的一些实施方案包括一种使抗生素与细菌相互作用成像的方法，包括：将本申请的抗菌化合物施用于细菌感染；以及对细菌感染进行成像，以观察由本申请的抗菌化合物的聚集产生的荧光。
实施例
材料和表征
化合物4来自AIEgen生物技术有限公司。所有其他化学品和溶剂来自Sigma-Aldrich或Acros。使用钠作为干燥剂，通过蒸馏对四氢呋喃(THF)进行干燥。磷酸盐缓冲盐水(PBS)来自Sigma-Aldrich。碘化丙锭(PI)来自日本同仁化学。大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌来自ATCC。MDR大肠杆菌、MDR肺炎克雷伯菌、MDR表皮葡萄球菌和MDR金黄色葡萄球菌来自北京天坛医院(中国)，Milli-Q水来自Milli-Q纯化系统(Merck Millipore，德国)。NMR谱是在Bruker ARX 400NMR波谱仪上使用四甲基硅烷(TMS；δ＝0)作为内标进行测定。在以MALDI-TOF模式操作的Finnigan MAT TSQ 7000质谱仪系统上获得高分辨率质谱(HR-MS)。在Milton Roy Spectronic 3000阵列分光光度计上测定紫外-可见光谱。在ZetaPlus(Brookhaven仪器公司)上进行动态光散射(DLS)。在Perkin-Elmer分光荧光计LS 55上测定稳态光致发光(PL)光谱。
实施例1
合成
根据已知方法合成4,4'-二甲氧基三苯基乙烯-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧杂硼烷(化合物3)和6-溴-2-(4-溴丁基)-萘二酰亚胺。TriPE-NT的合成路线如以下方案S1所示：
根据已知方法合成化合物3和6-溴-2-(4-溴丁基)-萘酰亚胺。化合物3和6-溴-2-(4-溴丁基)-萘酰亚胺的Suzuki偶联以中等产率生成化合物2。化合物2与三唑之间的SN2反应有效地产生化合物1。最后，通过化合物1与1-(溴甲基)-2,4-二氟苯之间的SN2反应，容易地制备了TriPE-NT，产率为52％。通过核磁共振波谱(1H NMR、13C NMR)和高分辨率质谱(HRMS)充分表征了TriPE-NT和所有的中间产物，结果令人满意(图1至图9)。得到了中间体2的单晶，进一步确认了TriPE-NT的结构(图10)。
化合物2的合成
在氮气下，将化合物3(210mg，0.47mmol)、6-溴-2-(4-溴丁基)-萘二酰亚胺(150mg，0.36mmol)、Pd(PPh3)4(116mg，28％)和K2CO3(497mg，3.6mmol)溶于经蒸馏的THF(15mL)和脱氧H2O(6mL)的混合物中。然后将混合物在80℃搅拌48小时。冷却至室温后，将混合物用水洗涤两次，并用二氯甲烷萃取。蒸发溶剂后，使用氯仿作为洗脱剂，通过硅胶层析对粗产物进行纯化，并重结晶，得到140mg的2。产率：60％。1H NMR(400MHz,CDCl3,25℃),δ(ppm):8.61-8.58(m,2H),8.30-8.28(d,J＝8Hz,1H),7.70-7.65(m,2H),7.32-7.28(m,4H),7.23-7.19(m,4H),6.94-6.87(m,5H)4.25-4.22(m,2H),3.86(s,3H),3.83(s,3H),3.50-3.47(m,3H),2.03-1.91(m,4H).13C NMR(100MHz,CDCl3,25℃),δ(ppm):163.7,163.5,158.8,158.5,146.2,142.4,137.7,135.8,135.5,132.2,131.9,130.9,130.6,130.3,129.2,129.0,128.3,128.1,127.1,126.1,124.5,122.1,120.7,113.6,113.0,54.6,50.2,38.7,32.6,29.7,26.3.HRMS(MALDI-TOF):m/z:[M]+C38H32BrNO4,计算值645.1515；实测值645.1544。
化合物1的合成
将化合物2(65mg，0.1mmol)、1，2，4-三唑(10mg，0.14mmol)、K2CO3(21mg，0.15mmol)和TBAB(5mg)溶解在CH3CN(5mL)中，并在氮气下、在60℃搅拌。1小时后，沉淀出大量黄色粒状物，并进行收集。使用DCM/CH3OH＝4/1作为洗脱剂，通过硅胶层析对粗产物进行纯化，得到32mg的1。产率：50％。1H NMR(400MHz,CDCl3,25℃),δ(ppm):8.62-8.60(t,d＝4Hz,2H),8.32-8.30(d,J＝8Hz,1H),8.16(s,1H),7.94(s,1H),7.72-7.67(m,2H),7.33-7.30(m,4H),7.24-7.20(m,4H),6.94-6.88(m,5H)4.33-4.25(m,4H),3.87(s,3H),3.83(s,3H),3.50-3.47(m,3H),2.05-2.01(m,2H),1.82-1.79(m,2H).HRMS(MALDI-TOF):m/z:[M]+C40H34N4O4,计算值634.2580；实测值634.2538。
化合物TriPE-NT的合成
将溶解在CH3CN(5mL)中的化合物1(63mg，0.1mmol)和1-(溴甲基)-2,4-二氟苯(31mg，0.15mmol)在氮气下、在80℃、在CH3CN中搅拌5小时。将混合物冷却至室温，并在减压下除去溶剂。用醚和DCM将粗产物重结晶两次，得到36mg的TriPE-NT。产率：43％。1H NMR(400MHz,CDCl3,25℃),δ(ppm):11.65-11.55(t,d＝4Hz,2H),8.84-8.73(m,1H),8.51(br,2H),8.25-8.16(m,2H),7.63(br,2H),7.32-7.19(m,8H),6.93-6.88(m,7H)6.00(s,2H),4.65(s,2H),4.22-4.20(s,2H),3.85(s,6H),2.15(br,2H),1.86(br,2H).13C NMR(100MHz,CDCl3,25℃),δ(ppm):164.3,164.1,159.5,159.2,146.9,143.7,143.1,138.3,136.3,136.1,132.9,132.5,131.5,131.3,130.9,129.8,129.6,128.9,128.6,127.7,126.7,125.1,122.4,121.1,114.1,113.7,55.4,55.3,52.6,45.5,39.1,31.6,26.3,24.6,22.6.HRMS(MALDI-TOF):m/z:[M]+C47H39F2N4O4,计算值761.2934；实测值761.2951。
实施例2
TriPE-NT的表征
通过紫外-可见光谱和光致发光(PL)光谱研究了TriPE-NT的光学性质。TriPE-NT在324nm和385nm处表现出两个吸收峰，这应归因于π-π*转变和从TriPE部分到萘二酰亚胺(NDI)链段的分子内电荷转移(ICT)吸收。385nm波长的摩尔吸收率高达20000(图11B)，表明了TriPE-NT具有良好的共轭性和强的吸收。TriPE-NT在四氢呋喃(THF)中是不发光的，但在固体状态下明亮地发光，通过向其THF溶液中添加水来研究其AIE特性。随着水分数从0％提高至60％，TriPE-NT表现出较低的PL强度，但在约630nm处具有长的发射波长。然而，当水分数升至高于60％时，TriPE-NT的PL强度显著增强，并在水分数为90％时达到最大值，发射波长蓝移至约570nm，表明Trip-NT是具有扭曲的分子内电荷转移(TICT)特性的典型AIEgen(图11C)。TriPE-NT在不同水分数时的相对PL强度(I/I0)的图证明了TriPE-NT的AIE活性(图11D)。通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)表征TriPE-NT的聚集行为(图12A至图12B)。TriPE-NT的纳米聚集体在10μM的浓度下表现出良好的均匀性(图11e、图12)。在SEM下，纳米聚集体示出了优异的分散性和约15nm至40nm的尺寸(图11E)，这进一步证实了TriPE-NT的聚集体形成(图13)。为了获得对TriPE-NT的光物理性质的更多了解，用Gaussian 09包在DFT B3LYP/6-31G*水平上进行分子模拟。最高占据分子轨道(HOMO)的电子密度分布主要在分子的TriPE部分上离域，而最低未占据分子轨道(LUMO)的电子密度分布位于萘二甲酰亚胺基团上，这无疑证明了扭曲的分子内电荷转移(TICT)效应(图14)。
实施例3
TriPE-NT敏化的ROS产生
由于π-π堆积提高的非辐射衰减，诸如卟啉之类的传统PS通常在聚集状态下表现出减少ROS产生，这可以极大地猝灭最低单重态(S1)。在这种情况下，因为AIEgen的扭曲结构可以有效地避免π-π堆积引起的S1猝灭，所以作为PS的AIEgen可以在聚集状态下提供高的ROS产生效率。另一方面，已经证明具有TICT特性的AIEgen有效促进了1O2产生。随后通过使用市售可得的ROS指示剂二氯荧光素(DCFH)对ROS产生进行测试。如果存在ROS簇，DCFH的荧光将被点亮。如图15A所示，在白光照射下，DCFH在可见光区域的发射可以忽略不计。然而，在DCFH和TriPE-NT两者存在时用白光照射，DCFH在约530nm处表现出逐渐增加的荧光(图15B)，从而证实在白光照射下，TriPE-NT作为光敏剂可以产生ROS。
实施例4
光增强的细菌杀灭
通过传统平板计数法评价TriPE-NT对野生型和临床分离的MDR细菌的杀菌效果。首先，使用大肠杆菌和表皮葡萄球菌作为革兰氏阴性菌(G-)和革兰氏阳性菌(G+)的代表，以确定有效的杀菌浓度和照射时间。将细菌与TriPE-NT(0、5μM、10μM)一起孵育0和10分钟，将细菌悬浮液(50μL)涂在琼脂平板上，并用白光照射(4mW cm-2)分别处理2分钟、10分钟和30分钟(图16A至图16B)。在白光照射30分钟后，浓度为10μM的TriPE-NT(8.4μgmL-1)杀死了所有大肠杆菌，而在光照射2分钟后较低浓度的TriPE-NT(5μM，4.2μg mL-1)杀死了所有表皮葡萄球菌。因此，在下列实验中将10μM TriPE-NT以及光照射2分钟或30分钟设定为实验条件。
对于革兰氏阴性菌大肠杆菌、MDR大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、MDR肺炎克雷伯菌、以及革兰氏阳性菌表皮葡萄球菌、MDR表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌和MDR金黄色葡萄球菌，菌落计数示出了TriPE-NT具有强效的光增强抗菌活性(图15C至图15F)。在黑暗中，10μM(8.4μg mL-1)TriPE-NT杀死了几乎所有的MDR表皮葡萄球菌(图15E，0分钟)，而大肠杆菌、MDR大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、MDR肺炎克雷伯菌、金黄色葡萄球菌和MDR金黄色葡萄球菌的存活率分别为约6.8±0.6％、14.1±1.4％、59.9±6.5％、74.4±3.7％、8.9±1.1％和22.4±1.9％(图15C、图15D、图15F)。因此，TriPE-NT本身可以作为一种优越的抗生素发挥作用。在白光照射下(4mW cm-2，30分钟)，杀死了所有的大肠杆菌和超过96％的MDR大肠杆菌、90％的肺炎克雷伯菌、61％的MDR肺炎克雷伯菌、98％的金黄色葡萄球菌和97％的MDR金黄色葡萄球菌(图15C、图15D、图15F)，从而表明光照射可以进一步促进TriPE-NT的抗菌活性，甚至对MDR细菌也是如此。TriPE-NT试剂加光照射对抑制表皮葡萄球菌或MDR表皮葡萄球菌的有效性高于抑制大肠杆菌、MDR大肠杆菌、肺炎克雷伯菌或MDR肺炎克雷伯菌(图17A至图17B)。此外，金黄色葡萄球菌和MDR金黄色葡萄球菌对TriPE-NT加光照射的敏感性高于肺炎克雷伯菌或MDR肺炎克雷伯菌(图17C)。多粘菌素是治疗MDR革兰氏阴性菌感染的最后一道防线，通过比较发现，多粘菌素在最低抑制浓度(MIC)分别超过32μg mL-1或64μgmL-1时表现出对MDR大肠杆菌和MDR肺炎克雷伯菌的抗菌活性，参见下表1：
表1：MIC(μg mL-1)示出的抗菌活性。大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、表皮葡萄球菌和金黄色葡萄球菌是实验室敏感菌株。MDR大肠杆菌、MDR肺炎克雷伯菌、MDR金黄色葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌是临床MDR分离株。MIC是在所有三个平行实验中均未观察到细菌生长的最小浓度。青霉素(Pen)、庆大霉素(Gen)、多粘菌素(Pol)。
相比之下，如图15C至图15F所示，TriPE-NT在相对较低的浓度下不仅有效地抑制了革兰氏阴性菌，而且还有效地抑制革兰氏阳性菌，从而证实TriPE-NT比常规抗生素具有更优越的抗菌活性。
由于良好的抗菌药物应当具有仅杀死细菌的能力而对人或动物细胞没有毒性，因而对TriPE-NT的细胞毒性进行测试。用CCK-8试剂盒对TriPE-NT的生物相容性进行评价。在没有白光照射(4mW cm-2)的情况下，随着TriPE-NT(2μM、5μM、10μM和20μM)浓度的增加，HAFs和HUVEC细胞活力没有显著变化，并且随着照射时间的增加，没有观察到明显的细胞毒性(图18A至图18B)，从而证实TriPE-NT对哺乳动物细胞的高度安全性。
实施例5
细菌染色和成像
为了理解TriPE-NT是如何工作的，用TriPE-NT对细菌进行染色。大肠杆菌(G-)或表皮葡萄球菌(G+)的纯溶液在365nm紫外光照射下呈弱的蓝色，而纯的TriPE-NT(10μM)在相同的照射下为橙色。在与10μM TriPE-NT一起孵育10分钟后，含有大肠杆菌或表皮葡萄球菌的溶液在365nm紫外光照射下发出强烈的黄色荧光(图19A至图19B)。
为了直接观察TriPE-NT与细菌之间的相互作用，将细菌与TriPE-NT和FMTM4-64FX(脂膜染料)共孵育，并使用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)进行荧光成像。对于大多数大肠杆菌，TriPE-NT仅染色细胞膜(图20，I-IV)。相比之下，对于表皮葡萄球菌，探针点亮了几乎整个细菌，包括膜和胞浆(图20，V-VIII)。这种现象意味着与大肠杆菌相比，TriPE-NT可能更容易穿透进入表皮葡萄球菌，因为大肠杆菌包括额外的外膜。
为了指示TriPE-NT处理后细菌的状态，将细菌与市售染色死亡细菌的荧光试剂碘化丙锭(PI)和TriPE-NT同时孵育。由于TriPE-NT的AIE特性和水溶性，在成像视野中几乎没有背景荧光。在共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)下，发射明亮的橙色(TriPE-NT)或红色(PI)荧光的大肠杆菌和表皮葡萄球菌清晰可见(图21A至图21C、图22至图23)。发现TriPE-NT可以染色几乎所有的革兰氏阳性细菌(例如，96.2±5.6％表皮葡萄球菌、92.9±6.6％ MDR表皮葡萄球菌、86.1±1.9％金黄色葡萄球菌和80.9±1.7％ MDR金黄色葡萄球菌)(图21A至图21C、图23)，而不论这些细菌是活细菌还是死细菌(红色)。相比之下，TriPE-NT染色了相对较低百分比的革兰氏阴性菌(例如，88.1±9.8％大肠杆菌、84.3±12.7％ MDR大肠杆菌、47.9±7.7％肺炎克雷伯菌和35.8±4.9％ MDR肺炎克雷伯菌)(图21B、图22)。值得注意的是，几乎所有的表皮葡萄球菌(80.9±15.8％表皮葡萄球菌)都被TriPE-NT和PI共染色(图21A、图21C)，这与其他革兰氏阳性菌(74.8±11.4％ MDR表皮葡萄球菌、67.3±12.2％金黄色葡萄球菌和57.4±1.3％ MDR金黄色葡萄球菌)相似(图22、图21A、图21C)。相比之下，相对较低百分比的大肠杆菌(22.1±12.2％大肠杆菌)被TriPE-NT和PI共染色(图21A、图21C)，这也与其他革兰氏阴性菌相似(15.3±3.7％ MDR大肠杆菌、8.8±3.2％肺炎克雷伯菌和6.4±2.6％ MDR肺炎克雷伯菌)(图21A和图21C、图22)。这种差异的原因可能是由于革兰氏阴性菌的外膜，而革兰氏阳性菌则没有外膜。这些观察结果还说明革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌都易受TriPE-NT处理的影响，可能的原因是这些具有带负电荷的膜的细菌可以锚定、摄取和聚集带正电荷的探针，这限制了探针的分子内运动并引起探针的荧光发射。
实施例6
FE-SEM和FEHR-TEM
为了获得对TriPE-NT-细菌相互作用的更多了解，使用FE-SEM和场发射高分辨率透射电子显微镜(FEHR-TEM)对TriPE-NT处理下的细菌的形态变化进行可视化观察，选择大肠杆菌(G-)、MDR大肠杆菌(G-)和表皮葡萄球菌(G+)、MDR表皮葡萄球菌(G+)作为代表。在不进行TriPE-NT处理的情况下，四种细菌呈现规则的形状，具有清晰的边界和细胞壁(图24A)。在没有白光的情况下，用TriPE-NT处理的大肠杆菌或MDR大肠杆菌呈现明显粗糙的表面和受损的细胞壁(图25)，并且光照射进一步加剧了损伤，其中可以观察到细胞壁碎片(图24A)。对于表皮葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌，没有或有光照射(4mW cm-2，30分钟)的TriPE-NT处理引起细菌细胞壁褶皱(图24A、图25)。TriPE-NT处理的细菌的一部分表现出细胞壁破坏(箭头)和细菌表面上的许多粒状物质(图24B)。
实施例7
元素扫描分析
对细菌超薄切片(厚度60nm至70nm)进行元素扫描分析以验证TriPE-NT是否能进入细菌细胞。细菌通常由包括碳(C)、氮(N)和氧(O)的元素组成，而TriPE-NT分子由C、N、O和氟(F)元素组成。在本研究中，分析了经TriPE-NT处理的大肠杆菌和表皮葡萄球菌中F元素的分布。成像(图24C)和信号分析(图24D、图24E)证明大肠杆菌和表皮葡萄球菌都示出了由TriPE-NT贡献的F元素的信号。结果表明TriPE-NT可以附着在细胞壁上或进入细菌中。
实施例8
伤口感染模型的评价
为了进一步评价TriPE-NT的体内抗菌活性，测试TriPE-NT在大鼠细菌感染的伤口上的表现。在Wistar大鼠的背部皮肤上建立大肠杆菌、MDR大肠杆菌、表皮葡萄球菌或MDR表皮葡萄球菌感染的全层皮肤伤口(图26A)。在不同的时间点拍摄伤口愈合过程的宏观外观(图26B)。在损伤后第3天，所有伤口都没有呈现出明显的差异(图26C)。在第7天，用TriPE-NT加光照射(4mW cm-2，30分钟)处理的MDR大肠杆菌感染的伤口尺寸明显分别小于对照组的伤口尺寸，而用TriPE-NT试剂加光处理的大肠杆菌感染的伤口在损伤后第7天具有更明显的伤口尺寸的减小(图26C)。在损伤后第7天，用TriPE-NT试剂加光照射(4mW cm-2，30分钟)处理的MDR表皮葡萄球菌感染的伤口呈现出明显小于对照组的尺寸，而在损伤后第7天，用TriPE-NT试剂加光照射处理的表皮葡萄球菌感染的伤口呈现出更明显的伤口尺寸减小(图26D)。通过比较，在相同的TriPE-NT加光照射下，表皮葡萄球菌或MDR表皮葡萄球菌感染的伤口示出了比大肠杆菌或MDR大肠杆菌感染的伤口更快的愈合速度(图27)。结果与体外试验一致，即与大肠杆菌或MDR大肠杆菌相对，TriPE-NT试剂加光照射对表皮葡萄球菌或MDR表皮葡萄球菌的抑制更有效(图27)。
进行苏木精和伊红(HE)染色，以评价损伤后第3天和第7天的Wistar大鼠的大肠杆菌感染伤口、MDR大肠杆菌感染伤口、表皮葡萄球菌感染伤口和MDR表皮葡萄球菌感染伤口的切片组织的伤口愈合(图28)。在损伤后第3天，与用TriPE-NT加光照射处理的样品相比，未经TriPE-NT加光照射处理的大肠杆菌感染伤口、MDR大肠杆菌感染伤口、表皮葡萄球菌感染伤口和MDR表皮葡萄球菌感染伤口显示出更多的侵入淋巴细胞，这意味着TriPE-NT加光照射成功地减少了炎症反应。在损伤后第7天，用TriPE-NT加光照射处理的表皮葡萄球菌感染伤口或MDR表皮葡萄球菌感染伤口显示出成纤维细胞和新形成的鳞状上皮层的外观，这在对照组中几乎看不到。成纤维细胞可以分泌胶原蛋白，胶原蛋白加速了伤口重建，即TriPE-NT加光照射可以促进伤口愈合。在损伤后第7天，在表皮葡萄球菌感染的伤口中，用TriPE-NT加光照射处理的细菌感染伤口显示出毛囊的外观。体内实验证明TriPE-NT加光照射成功地抑制了细菌感染并促进了伤口愈合。
由此描述了本发明主题，显然可以以许多方式对本发明主题进行修改或改变。这些修改和改变不应被认为是脱离本发明主题的精神和范围，并且旨在将所有这些修改和改变包括在所附权利要求的范围内。

Claims (4)

1.一种能够染色并杀死革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗生素化合物，其具有聚集诱导发光特性，其中所述化合物为：
2.根据权利要求1所述的化合物在制备用于治疗MDR细菌感染疾病的抗菌剂中的应用，其中所述MDR细菌选自MDR大肠杆菌、MDR肺炎克雷伯菌、MDR表皮葡萄球菌和MDR金黄色葡萄球菌。
3.根据权利要求1所述的化合物在制备用于诊断和治疗细菌感染的药物中的应用。
4.根据权利要求1所述的化合物在制备用于治疗大鼠的被以下细菌感染的伤口的药物中的应用，所述细菌选自大肠杆菌、MDR大肠杆菌、表皮葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌。
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