光動力療法在抑制細菌外排耐藥系統的作用

黃嬌 編譯，穆青 審校

(復旦大學藥學院，上海 201203)

光動力療法(PhotodynamicTherapy, PDT)是一種利用光動力反應進行疾病診斷與治療的新興學科分支，光、光敏劑以及組織中氧分子為光動力療法的三要素。早期研究發現，光敏劑聯合光照可殺滅細胞，此過程具有氧依賴性，由此提出了光動力效應(photodynamic effect)的概念。近年，有研究表明，光動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用以控制多藥耐藥致病菌引起的感染。文章根據國外文獻綜述對光動力療法進行了系統介紹，并且概述了光動力療法對于抑制細菌外排系統潛在應用價值與發展前景。

1 光動力療法的簡介

鑒于多種藥物外排泵增強了各種抗生素和抗菌藥物的抗藥性，因此需要發現非傳統的抗菌藥物。光動力療法(PDT)是一種以光為基礎的技術平臺，采用無害可見光與無毒感光劑(PS)聯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，我們通過編譯其后半部分內容介紹抗細菌耐藥的光動力療法以及協同作用物質。

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性黃斑病變。目前正在研究以光動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芳香族分子。目前已經提出了卟啉、二氫卟酚、細菌二氫卟酚，酞菁以及多種具有不同分子結構的染料作為抗菌光敏劑的說法，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(MB)和甲苯胺藍(TBO)陽離子富勒烯，例如C60衍生物和呋喃香豆素類化合物補骨脂素。

光動力療法與傳統的藥物發現平臺相比有很大不同，因為三個要素：光敏劑，可見光和氧氣，對于成功開發藥物至關重要。合理設計有效光敏劑的主要挑戰之一是，光活性劑的電子激發態，單線態，三重態和反應性中間體可引起細胞毒性，這促使借助復雜的高水平計算機的量子化學方法來處理激發狀態。這種電子計算機模擬結合光物理實驗研究需要合理調整光敏劑的期望性質，包括暗毒性、摩爾吸光系數、吸收波長，單-三重態系統交叉量子，以及后來單線態氧的產生，也可能研究開放式剪切物質(sheel species)—在沒有氧氣的情況以防產生光毒性的自由基陽離子。通過化學修飾可增強已知的染料，以及重新考慮能夠吸收期望的波長窗口 (600～850nm) 外波長的染料，如黃-橙色染料，這種染料由有效的紅色激光產生，并且具有雙光子吸收特性。另外，通過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/或細胞積累。

2 多藥外排系統在光動力療法中的作用

細菌表型的許多因素可能在光動力療法的應用中發揮重要作用。必須使用復雜的工具和方法來應對這一系列技術挑戰，這些工具和方法能解決有關耐藥機制，生物膜滅活和持續細胞形成的復雜生物學問題。有關生物膜光滅活或用于微生物感染模型的光動力療法的實例并沒有經過驗證。盡管有一個顯著的例外：有一份宿主寄生蟲模型的報告，可評估新型酞菁針對感染巨噬細胞和樹突狀細胞的利什曼原蟲寄生蟲的細胞內靶向特異性。但是，宿主病原體研究提供的信息很少，而這項研究可探索光動力療法干擾毒力決定簇的能力，然而，非特異性作用機制和成功的臨床實踐促進并引導不斷增長的有關光動力療法的研究的大量關鍵案例，見圖1。

由光敏劑介導的光動力療法已經在外排系統中發現，包括哺乳動物ABC轉運蛋白ABCG2(或乳腺癌抗性蛋白BCRP)，ABCC1(或多藥耐藥相關蛋白1，MRP1)以及少量的擴展到ABCB1(P-糖蛋白，P-GP)。主要證據來自于卟啉(植物卟啉，原卟啉IX)、焦偏相藻和紫嘌呤酰胺的多種光動力療法研究。ABG2和ABCC1都影響HT-29腺癌細胞中金絲桃素介導的光動力療法的結果。很明顯，在這兩個系統中，多藥外排系統影響各種化學型光敏劑的光動力療法。對于ABCB1，氯e6和補骨脂素是否可作為光敏劑的底物，其證據是零散和矛盾的。僅在一種情況下，金絲桃素-米托蒽醌雞尾酒加藍光照明，對過度表達P-糖蛋白(P-gp)的膀胱癌和乳腺癌細胞可增強細胞毒性。

兩種吩噻嗪染料亞甲基藍和甲苯胺藍是兩親性陽離子，在物理化學上類似于天然抗菌生物堿小檗堿，是革蘭陽性菌中MFS外排系統的底物，這提高了吩噻嗪光敏劑作為微生物外排系統底物的可能性。實驗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。但是六十個過表達外排泵的銅綠假單胞菌臨床分離株的模型研究，發現耐藥銅綠假單胞菌作為易感菌株對甲苯胺藍介導的光動力療法敏感，可見這種模型研究并不支持上述實驗結論。ABC轉運蛋白而不是MFS轉運蛋白影響致病酵母白色念珠菌中亞甲基藍介導的光動力療法，這一過程是復雜的。使用亞甲基藍和ABCB1晶體結構的電腦模擬增加了這一復雜性。該研究表明，由于形狀和電子分布相似，光敏劑結合位點與經典外排底物小檗堿和羅丹明6G重疊(圖2)，由此可知，亞甲藍似乎至少與小檗堿和羅丹明一樣是ABCB1的底物。外排系統可能解釋卟啉可作為潛在的底物，卟啉吸收和外排過程似乎是由大腸埃希菌中的TolC系統調控。

圖1 光動力滅活機制示意圖。

圖2 外排底物與光敏劑作用示意圖

3 結語

光動力療法和其他替代療法為外排泵抑制劑發揮作用奠定了基礎。另外，需要進一步闡明：外排系統已經進化，以排出廣泛的非特異性化合物，包括不會攻擊單一靶標的潛在毒素。抗菌光敏劑，如兩親性陽離子，為微生物外排系統的宿敵，并且天然外排泵抑制劑與光動力滅活劑聯用具有更加廣泛的應用前景。天然外排泵抑制劑在增強大部分無效抗菌藥物(如小檗堿)的抗菌效果方面有顯著的療效，光動力療法能夠表現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力療法與傳統抗生素相結合。體外和臨床前研究之間仍然存在明顯的方法學差距。隨著微生物外排系統的進化，有效設計外排泵抑制劑以及將光動力療法與外排泵抑制劑相結合的抗菌策略仍然是目前面臨的一大難題。