一氧化氮 (NO)、一氧化碳(CO)和硫化氫(H2S)是生物體內源性氣體遞質(Gasotransmitter)，具有重要的生理/病理功能，同時也具有優異的抗炎和抗菌活性。鑒于氣體遞質在治療心腦血管疾病(人類死亡的“頭號殺手”)和呼吸系統疾病(如當前全球爆發的新冠肺炎)方面的獨特優勢和明確療效，發展氣體遞質藥物受到了廣泛關注。不同于傳統的固體和液體藥物，氣體遞質不能通過口服、注射、透皮等方式給藥；在生理條件下易代謝、半衰期極短，吸入給藥后主要作用于肺部，難以到達其它病灶部位。針對上述問題，中國科學技術大學化學與材料科學學院胡進明課題組在氣體遞質的可控遞送方面開展了系列工作，初步探索了氣體遞質高分子材料在治療炎癥和感染類疾病方面的潛在應用。
圖1、構建耐氧性光氧化還原催化驅動的一氧化氮遞送體系。
近期，胡進明課題組與劉世勇教授課題組、肖石燕課題組開展合作，報道了一種耐氧型光氧化還原催化調控NO釋放的策略，并成功用于細菌感染治療。以紫外光吸收N,N′-二亞硝基-1,4-苯二胺類光響應NO釋放分子(BNN-NO2和BNN)作為研究對象；研究表明，BNN-NO2和BNN在可見光(500 nm)輻照下被光催化劑三(2-苯基吡啶)合銥(fac-Ir(ppy)3)激活并釋放NO。有趣的是，NO釋放后BNN-NO2和BNN可自發轉化為相應的醌二亞胺(QDI)結構，原位清除產生的活性氧(ROS)，實現了獨特的氧氣耐受性能。雖然光氧化還原催化已廣泛用于有機合成中，但在生理環境下利用光氧化還原催化反應激活生物活性分子仍然面臨巨大挑戰——由于生理環境的復雜性，光氧化還原催化反應往往受到周圍生物分子的影響 (如氧氣會嚴重淬滅光催化劑的激發態)。
圖2、光氧化還原催化觸發一氧化氮釋放實現細胞膜超極化和菌膜滲透性增強，有效殺滅耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)。
研究人員通過共聚將BNN-NO2或BNN引入兩親性嵌段聚合物中，負載光催化劑fac-Ir(ppy)3后可得到均勻膠束納米粒子。在可見光輻照下，在無需額外添加氧氣清除劑的條件下成功實現了NO的觸發釋放，同時伴隨著水中溶解氧含量的自發下降。體外抗菌實驗結果表明：該NO釋放膠束可使細菌膜電位超極化，并增加細菌膜滲透性從而達到殺滅細菌的效果。在小鼠全皮層細菌感染創傷模型中，光氧化還原催化觸發NO釋放可有效治療耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)傷口感染并促進傷口愈合。
本工作為探索光氧化還原催化的生物醫學應用提供了有益參考，其獨特的氧氣耐受性有效避免了生理環境下氧對光氧化還原催化的不利影響。
上述研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃和中國科學技術大學培育基金等資助。
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