2021年，全球直接归因于抗菌素耐药性（AMR）的死亡人数已达471万，超越艾滋病成为重大公共卫生威胁。细菌耐药性危机对传统抗生素疗法构成严峻挑战，推动了对非抗生素替代方案的迫切需求。光热抗菌疗法（PTT）凭借其物理杀菌机制及不易诱导耐药性的特点受到广泛关注，然而现有光热材料普遍缺乏菌株选择性，其无差别杀菌作用会破坏共生菌群，导致微生态失调并引发全身性病理反应，严重制约临床预后。因此，实现病原体的精准识别与可控清除已成为下一代智能抗菌系统的核心挑战。
相较于需要外部激发的传统体系，基于细菌微环境响应材料的智能策略展现出显著优势。这类材料能够被病原体代谢物或微环境特征特异性激活，将抗菌效应严格限定于感染区域。其中，针对兼性厌氧菌氧化还原特性的响应系统尤为突出：该类菌通过胞外电子转移产生跨膜电位差，展现出独特还原能力，而不同菌种还原能力的差异为选择性抗菌提供了理想靶点。
超分子主客体识别系统在还原性抗菌治疗中潜力显著，如苝二酰亚胺/瓜环复合物可被厌氧菌还原为近红外吸收材料，实现原位光热治疗。特别值得注意的是，卟啉类化合物可被还原为光热性能优异的卟啰啉/二氢卟吩衍生物，同时保留有氧条件下的光动力活性，这种双响应特性为开发环境适应性抗菌剂提供了新思路。然而，现有体系仍面临代谢快、靶向弱等瓶颈，亟需开发具有长循环特性的新型组装体。
事实上，卟啉大环的共轭结构及其外周官能团（阴离子/阳离子衍生物）为多途径自组装提供了可能。尽管阳离子卟啉可通过静电作用靶向细菌表面，但其固有细胞毒性需要通过复杂的结构优化以平衡抗菌活性与生物安全性。反之，阴离子卟啉本身细胞毒性较低，但与带负电的细菌膜之间存在静电排斥作用，从根本上限制了其应用。关键之处在于，金属离子与吡咯氮原子的配位可实现电荷调控，从而增强材料与细菌间的相互作用。此外，金属配位组装可调控分子堆积模式，避免传统卟啉聚集体常见的聚集猝灭效应（ACQ）。由此可见，配位策略为合理设计兼具高活性和操作安全性的稳定抗菌结构提供了可行路径。
示意图1. TPPS4-Ca自组装系统的构建及其在兼性厌氧菌诱导原位光热转化加速感染伤口愈合中的应用
基于此，福建师范大学王雪娇等人提出了一种金属配位介导的阴离子卟啉自组装策略，通过Ca2+与4,4',4'',4'''-(卟啉-5,10,15,20-四基)四苯磺酸盐（TPPS4）的特异性配位构建智能纳米组装体。该设计同时赋予靶向增强和氧化还原响应双重能力。在厌氧病原体（如大肠杆菌、粪肠球菌）的低氧微环境中，TPPS4-Ca可被选择性还原为卟啰啉/二氢卟吩衍生物，其近红外吸收显著增强，光热转换效率达58.17%。值得注意的是，Ca2+在此设计中发挥双重作用：（1）配位组装将TPPS4稳定为长循环纳米结构；（2）作为静电桥梁，增强卟啉组装体与细菌表面的静电相互作用，实现对厌氧病原体的选择性灭活（效率>99.9%）。病原体特异性激活仅在感染部位触发局部光热效应，同时保持良好生物相容性。体内验证表明，该体系在大鼠模型中展现出强效抗菌作用（大肠杆菌存活率降低>99.9%）并加速伤口愈合。本研究解决了广谱光热制剂导致菌群失衡的局限性，为微环境响应性精准治疗提供了新范式。
图1. TPPS4与Ca2+的协同自组装过程。
图2. TPPS4与TPPS4-Ca的化学还原表征。
图3. 化学还原TPPS4与TPPS4-Ca的光热性能及细菌触发的原位光热特性。
图4. TPPS4-Ca的体外光热抗菌活性及作用机制。
图5. 大鼠体内伤口感染实验。
图6. 不同处理下皮肤组织的组织学分析。
图7. 伤口愈合相关蛋白表达的免疫组化分析。
综上，本工作成功构建了一种细菌触发式还原系统TPPS4-Ca，用于实现选择性光热抗菌治疗。在该系统中，Ca2+与TPPS4通过平面外配位形成球形纳米颗粒，该结构可在低氧微环境中被兼性厌氧菌特异性还原，生成具有卓越光热转换效率（58.17%）的二氢卟吩/卟啰啉类衍生物。该配位结构同步实现双重功能增强：一方面通过电荷反转提升静电靶向能力，另一方面通过抑制分子解离与π-聚集猝灭，显著延长系统功能稳定性（在细菌悬浮液中孵育30天后光热效率衰减<1%）。基于上述机制，该系统在实现对病原体高效杀灭（抑制率>99%）的同时，仍能维持哺乳动物细胞的高活性。值得关注的是，TPPS4-Ca的激活强度与混合菌群中具还原活性细菌的丰度呈正相关，表明其能够精准靶向高密度感染区域，并最大程度降低对共生菌主导的微生态环境的影响。在大肠杆菌感染伤口模型中，TPPS4-Ca自组装体系通过精准杀菌与抑制瘢痕形成的协同作用，于第14天实现95.44%的伤口闭合率，展现出显著的临床转化潜力。本研究通过将细菌代谢特异性与光热响应机制相融合，成功突破了传统光热制剂非选择性激活的局限，为开发兼具高效抗菌与组织再生功能的集成型生物材料建立了新范式。
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Anaerobic Bio-Reduction Ignites Persistent Photothermal Conversion in Misaligned Porphyrin Supramolecular Assembly for Infected Wound Regeneration
Xuejiao Wang, Qiyang Cai, Yingjie Daia, Jinxuan Wuc, Zhi Sua, Xiangyu Weia, Yaqing Zhaoa, Jianbin Yeb, Wenbin Zhangc, Yuelu Fanc, Hanlin Huangc, Shouan Wang*, Zheyuan Liu *, Hu Zhu*
Materials Today Bio, 2025, DOI: 10.1016/j.mtbio.2025.102400
第一作者及通讯作者简介
王雪娇，福建师范大学副教授，2020年毕业于北京大学化学与分子工程学院，获博士学位。2020年8月起就职于福建师范大学化学与材料学院，获评福建省高层次人才（C类）、“宝琛计划”青年英才。研究方向为智能超分子自组装体系在生物医学领域的创新应用，尤其是抗菌领域的前沿探索。
https://www.x-mol.com/university/faculty/394274
朱虎，福建师范大学教授，2007年在华东理工大学获得生物化工博士学位。教育部“新世纪优秀人才支持计划”入选者、国家863计划青年科学家、福建省“百人计划”入选者、闽江学者特聘教授、百千万人才工程省级人选、福建省第一批省直中直单位引进创业创新领军人才（B类）、生物医用材料与组织工程闽台科技合作基地主任、工业生物催化福建省高校工程研究中心主任、福建省高等学校科技创新团队（生物材料）负责人。主要研究领域集中于生物材料、生物化工，研究方向分别为：（1）纳米生物材料与天然聚合物材料；（2）合成生物学与化学生物学；（3）催化与转化。
https://www.x-mol.com/groups/zhuhu2024
