香港中文大学（深圳）唐本忠院士团队 Matter：基于AIEgen的真菌感染伤口监测和按需光动力治疗智能系统

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与细菌相比，真菌具有由糖蛋白和多糖聚合物组成的刚性细胞壁，这对药物渗透造成了强大的屏障。因此，真菌感染更难治愈，更容易产生耐药性。早期检测和干预是十分必要的。然而，体外临床诊断方法既繁琐又耗时，使得患者们对真菌感染的重视度较低。为了解决这一问题，科学家们开发了一系列基于电化学传感器的智能伤口监测设备，帮助患者居家监测伤口的生理数据，如pH，温度，压力等通过柔性电极连续采集。然而，柔性电极的引入不仅提高了伤口敷料的成本还可能引发二次感染。薄膜荧光传感器作为一种低成本的非接触式传感器，可通过荧光分子与检测受体接触后发生化学反应，表现出荧光强度和光色的变化，从而实现可视化传感。通常，传统的荧光分子通常是聚集诱导猝灭（ACQ）分子，使其难以在薄膜状态下发挥理想的效果。聚集诱导发光材料（AIEgens）是一种具有聚集发光增强、光稳定性好，活性氧（ROS）产生能力强等优势，可应用于荧光传感器、微生物检测、光热和光动力治疗等。目前基于荧光传感的智能伤口敷料鲜有报道，且均针对于细菌感染，迄今为止在真菌感染监测和治疗方面仍处于空白。

图1. 基于AIEgen的真菌感染伤口监测和按需光动力治疗智能系统的工作原理图

近日，香港中文大学（深圳）唐本忠院士，赵征教授团队充分利用AIE材料的光学优势，结合机器学习方法，解决了当前智能伤口敷料（真菌监测和治疗）开发中的盲点，开发了一种基于AIEgen的智能伤口敷料系统，用于真菌感染的伤口监测和按需光动力治疗。该智能系统包括含有AIE分子TBSMPPy的伤口敷料和一个安装在智能手机上的图像识别系统，避免了引入检测电极和电源系统，大大降低了智能敷料的成本。此外，商业液体敷料（LD）用作开发TBSMPPy LD的基质。所制备的TBSMPPy LD具有良好的粘附性、柔韧性和成膜性能。它作为荧光传感器和光敏剂，检测白色念珠菌（通常感染皮肤和粘膜组织）的生长环境（pH约5.5）并进行光动力治疗。智能手机上配备了紫外和白光光源，作为激发源，实现对伤口敷料荧光变化的检测。手机拍照片，上传到云软件，对感染程度进行数字化，并进一步反馈给手机。患者可以根据分析结果和应用程序的建议评估伤口感染的程度，并切换白光进行光动力治疗（图1）。该智能系统还可以让医生监测患者的伤口，并根据软件分析结果给出治疗方案，大大提高了医疗效率和治疗效果。该工作以“AIEgen-based smart system for fungal-infected wound monitoring and on-demand photodynamic therapy”为题发表在《Matter》上（Matter, 2023, doi: 10.1016/j.matt.2023.06.028）。文章第一作者是香港中文大学（深圳）博士后周琨博士。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图2. AIE分子TBSMPPy的光学性质表征及pH响应性测试

将制备的TBSMPPy LD暴露于不同的pH环境中，并记录PL变化。如图2所示，TBSMPPy LD在宏观上表现出荧光猝灭，薄膜的灰度值呈下降趋势（图2D和2E）。PL强度也显示出类似的结果，在TBSMPPy LD位于pH 5.5缓冲溶液中后，PL强度明显降低（图2F）。TBSMPPy-LD的PL变化主要归因于TBSMPPy的结构中的吡啶基团在pH 5.5缓冲溶液中被质子化，这增强了吡啶部分的吸电子能力并增强了TICT效应。

此外，随着测试环境变为酸性，TBSMPPy LD的ROS生成逐渐增加，并在pH=5.5时达到稳定水平（图2G）。此外，图2H表明，聚集有利于ROS的产生。所有上述数据表明，TBSMPPy LD在ROS产生方面具有良好的性能，特别是在酸性环境中，这使得TBSMPPy LD能够应用于真菌感染的监测和治疗。

图3. TBSMPPy的体外光动力抗真菌性能及生物相容性测试

在验证了TBSMPPy LD的产生ROS的能力后，在低功率白光照射下进一步评估了TBSMPPy的抗真菌活性。如图3A所示，TBSMPPy在白色光照射下对白色念珠球菌杀灭率为97%，而未照射的TBSMPPy组的杀灭率可忽略不计（10.3%）。为了进一步确保TBSMPPy的高效抗真菌活性，他们使用市售抗真菌剂Diflucan作为阳性对照组来比较抗真菌活性。统计数据（图3B）显示，经照射的TBSMPPy组的杀伤率与Diflucan治疗组相当，甚至优于Diflucan组近10%（Diflucan处理组为88%）。

图4. 基于AIEgen的智能系统的操作程序，用于真菌感染的治疗。

图5. 基于AIEgen的智能系统的抗真菌治疗效果图

在体外证明TBSMPPy LD对白色念珠球菌有很好的响应性和杀伤作用后，他们建立了小鼠的伤口感染模型，在小鼠模型上对系统进行检测，如图4所示，用TBSMPPy LD涂覆伤口区域后，用手机相机在紫外灯下拍摄伤口照片。照片被上传到APP进行分析。几秒钟后，结果被发回。如果被感染，敷料会发出微弱的橙色光，手机界面会呈现红色。此外，给出了伤口区域的归一化灰度值，显示感染警告和建议照射提醒。如果没有感染，伤口敷料会发出明亮的荧光，手机会发出绿色背景和健康报告。在接收到感染提醒后，可开启白光光源进行光动力治疗。在1分钟低功率白光照射下，能有效抑制真菌感染，感染的组织在一周内恢复，优于商业抗真菌药物Diffican。（图5）

在此工作中，作者创造性的首次将AIE材料与人工智能结合，开发了一种基于AIEgen的智能系统，用于特定种类的真菌感染的早期监测和治疗。结合深度机器学习方法，使得AIEgen智能化，构建了一个基于AIEgen的智能系统，在手机上实现了真菌感染的几秒钟诊断。此外，得益于AIE材料独特的荧光特性、灵敏的pH响应和ROS产生能力，通过手机光源照射，TBSMPPy被成功用于真菌感染治疗且其有效的真菌抑制率超过96%。这一设计已在小鼠模型中得到证实，体内研究结果表明，在1分钟低功率白光照射下，能有效抑制真菌感染，感染的组织在一周内恢复，优于商业抗真菌药物Diffican。此外，该智能系统可通过互联网增强患者和医生之间的沟通，以实现真实的临床医疗场景，显著提高医疗效率。这一发现将激励和推动AIE材料在智能健康监测领域的发展。

原文链接：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00316-8

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