光动力疗法（PDT）作为一种有效的治疗模式，由于其非手术治疗，能够选择性地根除病变组织，同时尽量减少对正常组织的损伤，引起了科学家的广泛关注。然而，有限的可见光穿透深度限制了PDT主要用于表皮层治疗。虽然近红外（NIR）激光增强了组织穿透性，但合成方面的挑战和光动力效率较低限制了近红外光敏剂的发展，其中大多数主要用于生物成像。此外，光纤植入术也应用于临床深层PDT。然而，这种需要微创手术的方法存在感染风险，并且与PDT的非侵入性相矛盾 （表1）。因此，突破PDT中可见光穿透深度的限制仍然是医学和材料科学领域面临的巨大挑战。
表 1. 一些先进的增强光组织穿透深度的技术汇总
近日，香港中文大学（深圳）唐本忠院士/赵征教授团队与西安交通大学何刚教授、以及香港科技大学林榮業、郭子健、孙建伟教授合作，充分利用AIE材料的光学优势，结合微针技术，解决了当前光动力治疗中可见光组织穿透深度受限的问题，开发了一种基于聚集诱导发光材料（AIEgen）的皮肤贴片，用于慢性深层组织感染的光动力治疗。该贴片增强了传统光动力治疗中可见光无法到达的组织深度，在厚度为 3 毫米的组织中可见光透过率达到 86%。将该贴片称为“可见光穿透器”（VLP），通过建立糖尿病小鼠的深层组织感染模型，验证了开发的可见光穿透器具有优异的可见光穿透深度和AIE材料聚集态下显著的光动力治疗效果 （图1）。这项技术突破了传统PDT中可见光穿透深度的限制，为深层组织的光动力治疗提供了新的可能性。该工作以“Aggregation-Induced Emission Luminogen Based Wearable Visible-Light Penetrator for Deep Photodynamic Therapy”为题发表在《ACS Nano》上（ACS Nano 2024, doi: 10.1021/acsnano.4c10452.）。文章第一作者是周琨博士（目前在香港科技大学从事博士后研究）和余颖博士（目前工作单位为河海大学（常州））。该研究得到国家自然科学基金委的支持。
图1. 基于AIEgen的可见光穿透器用于深层组织感染的光动力治疗工作原理图
首先，研究者表征了AIEgen TBPPM的光学性质，紫外吸收谱图显示该分子具有较高的摩尔消光系数和宽范围的可见光吸收，表明其可以被低功率的可见光激发，此外活性氧测试结果证明，TBPPM具有良好的活性氧产生能力，在光动力治疗中具有较大的应用前景。通过微针制备方式，将TBPPM富集于针尖部位，并在荧光显微镜下观测到了均匀的红色荧光。利用微针独特的物理结构可帮助TBPPM顺利通过皮肤的表皮层，进入较深的真皮层（图2）。
图2. a-f AIEgen TBPPM的光学性质表征及活性氧性能测试; g-j 具有光动力效果的可见光穿透器TBPPM-VLP的制备过程及形貌表征
此外，将无线白光LED贴于3毫米后的猪皮上，对其透过率进行测试。结果显示，猪皮阻挡了大部分可见光，使得白光的透过率仅为9.8%。但当在猪皮上贴附可见光穿透器后，可见光透过率大幅度提升，达到86% （图3）。这一穿透深度可与近红外一区波长的激光相媲美。大大提升了可见光的穿透深度，完美解决了光动力治疗中受光源穿透深度限制导致的治疗效率有限的问题。
图3 在贴附光穿透器（VLP）前后白光LED通过皮肤组织的辐照度以及透过率变化。
为了进一步证明开发的可见光穿透器的有效性，研究者们对光在皮肤组织中的传播路径进行了观测。如图4所示，在没有施加光穿透器的皮肤模型中没有看到明显的光传播路径。当贴附光穿透器后，在UV照射下可以看到明显在光传播路径，光沿着穿透器上排布密集的针尖产生的通道进入到了皮肤模型的内部，显著提升了光的穿透深度。
图4 光在皮肤模型中的传播路径。a, b无光穿透器贴片；c, d 贴附光穿透器贴片。黄色虚线为皮肤模型的轮廓。
在验证了开发的光穿透器显著增强了可见光的组织穿透深度后，研究者们对其光动力抗菌活性进行了评估。如图5所示，TBPPM在白光照射下对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌杀灭率为97.3%，而未照射的TBPPM组的杀灭率可忽略不计（10.6%）。为了进一步确保TBPPM的高效抗菌活性，使用万古霉素作为阳性对照组来进行对比。结果显示，照射的TBPPM组的杀伤率略优于万古霉素治疗组，这说明光动力抗菌治疗具有巨大的临床应用前景，有望解决抗生素产生的耐药问题以及作为继抗生素之后的潜在治疗防线。
图5. TBPPM及TBPPM-VLP的体外光动力抗菌性能
在体外证明TBPPM对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）具有显著的光杀灭效果后，研究者建立了糖尿病小鼠深层组织感染模型，进一步在动物体内对开发的光穿透器的治疗效果进行验证。如图6所示，将TBPPM-VLP贴附于感染部位后，再将无线白光LED贴于TBPPM-VLP之上开启光动力治疗。整个过程不需要麻醉，动物的活动不受到任何限制。经过13天的记录，TBPPM-VLP光照治疗组的小鼠感染部位的组织已趋于健康，且效果优于抗生素组。
图6. 基于AIEgen的可见光穿透器贴片的光动力治疗效果图。I：TBPPM-VLP光照组；II：万古霉素治疗组；III: TBPPM-VLP无光照组；IV: 空白VLP组；V: 未处理的感染组。
在此工作中，研究者们创造性的将AIE材料、微针技术以及无线LED结合，开发了一种可穿戴的可见光穿透器，能够促进可见光组织穿透深度用于光动力治疗。这种可穿戴的可见光穿透器能成功穿过皮肤屏障，将可见光组织透过率从9.8%显著提高到86%。利用无线LED激活加载在穿透器内的AIEgen，实现原位ROS的产生和体内MRSA活性的抑制。通过在糖尿病小鼠中建立深层MRSA感染模型，证实了TBPPM-VLP优异的光动力效果，仅在13天内实现慢性深层感染的治愈。基于AIEgen的可见光穿透器不仅超越了传统PDT的深度限制，而且为光动力疗法带来了革命性的进展。
原文链接 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c10452
