光動(dòng)力療法在抑制細(xì)菌外排耐藥系統(tǒng)的作用

黃嬌 編譯，穆青 審校

(復(fù)旦大學(xué)藥學(xué)院，上海 201203)

光動(dòng)力療法(PhotodynamicTherapy, PDT)是一種利用光動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行疾病診斷與治療的新興學(xué)科分支，光、光敏劑以及組織中氧分子為光動(dòng)力療法的三要素。早期研究發(fā)現(xiàn)，光敏劑聯(lián)合光照可殺滅細(xì)胞，此過(guò)程具有氧依賴(lài)性，由此提出了光動(dòng)力效應(yīng)(photodynamic effect)的概念。近年，有研究表明，光動(dòng)力療法除了在治療腫瘤方面療效顯著外，還可與外排泵抑制劑聯(lián)用以控制多藥耐藥致病菌引起的感染。文章根據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)綜述對(duì)光動(dòng)力療法進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，并且概述了光動(dòng)力療法對(duì)于抑制細(xì)菌外排系統(tǒng)潛在應(yīng)用價(jià)值與發(fā)展前景。

1 光動(dòng)力療法的簡(jiǎn)介

鑒于多種藥物外排泵增強(qiáng)了各種抗生素和抗菌藥物的抗藥性，因此需要發(fā)現(xiàn)非傳統(tǒng)的抗菌藥物。光動(dòng)力療法(PDT)是一種以光為基礎(chǔ)的技術(shù)平臺(tái)，采用無(wú)害可見(jiàn)光與無(wú)毒感光劑(PS)聯(lián)合的手段以控制感染(圖1)。Christina Kourtesi等在期刊The Open Microbiology Journal, 2013, 7(Suppl 1-M3):34-52發(fā)表了題目為Microbial Efflux Systems and Inhibitors:Approaches to drug discoveryand the challenge of clinical implementation的綜述文章，我們通過(guò)編譯其后半部分內(nèi)容介紹抗細(xì)菌耐藥的光動(dòng)力療法以及協(xié)同作用物質(zhì)。

以往，PDT在癌癥治療中起著重要作用，目前也被用于治療年齡相關(guān)性黃斑病變。目前正在研究以光動(dòng)力療法作為局部感染的替代療法，光敏劑通常是具有高度電子離域的有機(jī)芳香族分子。目前已經(jīng)提出了卟啉、二氫卟酚、細(xì)菌二氫卟酚，酞菁以及多種具有不同分子結(jié)構(gòu)的染料作為抗菌光敏劑的說(shuō)法，這些染料包括鹵化呫噸，如玫瑰紅(RB)，苝醌 (例如金絲桃素)，吩噻嗪鎓染料如亞甲基藍(lán)(MB)和甲苯胺藍(lán)(TBO)陽(yáng)離子富勒烯，例如C60衍生物和呋喃香豆素類(lèi)化合物補(bǔ)骨脂素。

光動(dòng)力療法與傳統(tǒng)的藥物發(fā)現(xiàn)平臺(tái)相比有很大不同，因?yàn)槿齻€(gè)要素：光敏劑，可見(jiàn)光和氧氣，對(duì)于成功開(kāi)發(fā)藥物至關(guān)重要。合理設(shè)計(jì)有效光敏劑的主要挑戰(zhàn)之一是，光活性劑的電子激發(fā)態(tài)，單線態(tài)，三重態(tài)和反應(yīng)性中間體可引起細(xì)胞毒性，這促使借助復(fù)雜的高水平計(jì)算機(jī)的量子化學(xué)方法來(lái)處理激發(fā)狀態(tài)。這種電子計(jì)算機(jī)模擬結(jié)合光物理實(shí)驗(yàn)研究需要合理調(diào)整光敏劑的期望性質(zhì)，包括暗毒性、摩爾吸光系數(shù)、吸收波長(zhǎng)，單-三重態(tài)系統(tǒng)交叉量子，以及后來(lái)單線態(tài)氧的產(chǎn)生，也可能研究開(kāi)放式剪切物質(zhì)(sheel species)—在沒(méi)有氧氣的情況以防產(chǎn)生光毒性的自由基陽(yáng)離子。通過(guò)化學(xué)修飾可增強(qiáng)已知的染料，以及重新考慮能夠吸收期望的波長(zhǎng)窗口 (600～850nm) 外波長(zhǎng)的染料，如黃-橙色染料，這種染料由有效的紅色激光產(chǎn)生，并且具有雙光子吸收特性。另外，通過(guò)制備高度帶正電的衍生物或光敏劑和抗體的綴合物或納米顆粒，可改善其特異性和/或細(xì)胞積累。

2 多藥外排系統(tǒng)在光動(dòng)力療法中的作用

細(xì)菌表型的許多因素可能在光動(dòng)力療法的應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。必須使用復(fù)雜的工具和方法來(lái)應(yīng)對(duì)這一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，這些工具和方法能解決有關(guān)耐藥機(jī)制，生物膜滅活和持續(xù)細(xì)胞形成的復(fù)雜生物學(xué)問(wèn)題。有關(guān)生物膜光滅活或用于微生物感染模型的光動(dòng)力療法的實(shí)例并沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。盡管有一個(gè)顯著的例外：有一份宿主寄生蟲(chóng)模型的報(bào)告，可評(píng)估新型酞菁針對(duì)感染巨噬細(xì)胞和樹(shù)突狀細(xì)胞的利什曼原蟲(chóng)寄生蟲(chóng)的細(xì)胞內(nèi)靶向特異性。但是，宿主病原體研究提供的信息很少，而這項(xiàng)研究可探索光動(dòng)力療法干擾毒力決定簇的能力，然而，非特異性作用機(jī)制和成功的臨床實(shí)踐促進(jìn)并引導(dǎo)不斷增長(zhǎng)的有關(guān)光動(dòng)力療法的研究的大量關(guān)鍵案例，見(jiàn)圖1。

由光敏劑介導(dǎo)的光動(dòng)力療法已經(jīng)在外排系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，包括哺乳動(dòng)物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCG2(或乳腺癌抗性蛋白BCRP)，ABCC1(或多藥耐藥相關(guān)蛋白1，MRP1)以及少量的擴(kuò)展到ABCB1(P-糖蛋白，P-GP)。主要證據(jù)來(lái)自于卟啉(植物卟啉，原卟啉IX)、焦偏相藻和紫嘌呤酰胺的多種光動(dòng)力療法研究。ABG2和ABCC1都影響HT-29腺癌細(xì)胞中金絲桃素介導(dǎo)的光動(dòng)力療法的結(jié)果。很明顯，在這兩個(gè)系統(tǒng)中，多藥外排系統(tǒng)影響各種化學(xué)型光敏劑的光動(dòng)力療法。對(duì)于ABCB1，氯e6和補(bǔ)骨脂素是否可作為光敏劑的底物，其證據(jù)是零散和矛盾的。僅在一種情況下，金絲桃素-米托蒽醌雞尾酒加藍(lán)光照明，對(duì)過(guò)度表達(dá)P-糖蛋白(P-gp)的膀胱癌和乳腺癌細(xì)胞可增強(qiáng)細(xì)胞毒性。

兩種吩噻嗪染料亞甲基藍(lán)和甲苯胺藍(lán)是兩親性陽(yáng)離子，在物理化學(xué)上類(lèi)似于天然抗菌生物堿小檗堿，是革蘭陽(yáng)性菌中MFS外排系統(tǒng)的底物，這提高了吩噻嗪光敏劑作為微生物外排系統(tǒng)底物的可能性。實(shí)驗(yàn)表明吩噻嗪是金葡菌中NorA(MFS)的底物，可能也是銅綠假單胞菌中MexAB(RND)的底物。但是六十個(gè)過(guò)表達(dá)外排泵的銅綠假單胞菌臨床分離株的模型研究，發(fā)現(xiàn)耐藥銅綠假單胞菌作為易感菌株對(duì)甲苯胺藍(lán)介導(dǎo)的光動(dòng)力療法敏感，可見(jiàn)這種模型研究并不支持上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白而不是MFS轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白影響致病酵母白色念珠菌中亞甲基藍(lán)介導(dǎo)的光動(dòng)力療法，這一過(guò)程是復(fù)雜的。使用亞甲基藍(lán)和ABCB1晶體結(jié)構(gòu)的電腦模擬增加了這一復(fù)雜性。該研究表明，由于形狀和電子分布相似，光敏劑結(jié)合位點(diǎn)與經(jīng)典外排底物小檗堿和羅丹明6G重疊(圖2)，由此可知，亞甲藍(lán)似乎至少與小檗堿和羅丹明一樣是ABCB1的底物。外排系統(tǒng)可能解釋卟啉可作為潛在的底物，卟啉吸收和外排過(guò)程似乎是由大腸埃希菌中的TolC系統(tǒng)調(diào)控。

圖1 光動(dòng)力滅活機(jī)制示意圖。

圖2 外排底物與光敏劑作用示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

光動(dòng)力療法和其他替代療法為外排泵抑制劑發(fā)揮作用奠定了基礎(chǔ)。另外，需要進(jìn)一步闡明：外排系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)化，以排出廣泛的非特異性化合物，包括不會(huì)攻擊單一靶標(biāo)的潛在毒素?？咕饷魟?，如兩親性陽(yáng)離子，為微生物外排系統(tǒng)的宿敵，并且天然外排泵抑制劑與光動(dòng)力滅活劑聯(lián)用具有更加廣泛的應(yīng)用前景。天然外排泵抑制劑在增強(qiáng)大部分無(wú)效抗菌藥物(如小檗堿)的抗菌效果方面有顯著的療效，光動(dòng)力療法能夠表現(xiàn)出比天然抗菌劑更高的殺滅功效，因此可以將基于光敏劑的光動(dòng)力療法與傳統(tǒng)抗生素相結(jié)合。體外和臨床前研究之間仍然存在明顯的方法學(xué)差距。隨著微生物外排系統(tǒng)的進(jìn)化，有效設(shè)計(jì)外排泵抑制劑以及將光動(dòng)力療法與外排泵抑制劑相結(jié)合的抗菌策略仍然是目前面臨的一大難題。