内容提要
氧化还原平衡是维持生命正常生理代谢活动所必需的。我们提出了一个光催化系统，在无氧条件下扰乱NADH/NAD+的平衡，实现光催化治疗厌氧菌感染的牙周炎。在光照射下，催化剂TBSMSPy+结合细菌DNA，通过多步电子转移过程引发自由基的生成。它催化NADH向NAD+的转化，抑制ATP合成，破坏DNA复制所需的能量供应，并在无氧环境下成功完成光催化灭菌。催化剂参与氧化还原反应，干扰NADH/NAD+含量在辐照下的平衡，因此我们将这种作用称为光诱导氧化还原失衡。另外，在雄性大鼠的动物实验中也证实TBSMSPy+能有效催化NADH氧化，抑制代谢，促进成骨。我们的研究证实了光诱导氧化还原失衡的概念和光催化疗法的应用，进一步倡导了基于光诱导氧化还原失衡策略的无氧光疗催化剂的开发。
分子合成，性质表征
TBSMP的二甲基亚砜（DMSO）溶液的吸收光谱在316、390和460 nm处有三个峰。TBSMSPy+在可见光区也有三个吸收峰，分别位于311、390和443 nm处，其中前两个吸收峰来自于局域激发态，后一个吸收峰来自于分子内电荷转移（ICT）。TBSMP和TBSMSPy+在400 nm和600 nm范围内的吸收表现出较强的可见吸收。图中是两种化合物在薄膜中的归一化光致发光（PL）光谱。随着D（供体）-A（受体）强度的增加，由于ICT的逐渐增强，两种化合物的发射均呈现TBSMP (639 nm) < TBSMSPy+ (662 nm)的趋势。PL测量结果显示TBSMP和TBSMSPy+在薄膜状态下具有较强的发射，表明其具有聚集诱导发射（AIE）特性。测定了两种化合物的寿命和绝对光致发光量子产率。TBSMP和TBSMSPy+的绝对plqy分别为29.1%和2.2%。寿命表现出与QY相似的趋势，分别为7.3 ns和2.5 ns。两种化合物之间的巨大差异主要来自于阳离子吡啶部分，这导致了TBSMSPy+的QY值和寿命较弱。
自由基的产生
我们首先用9,10-蒽二基-双（亚甲基）二丙二酸（ABDA）对单线态氧进行了评估。TBSMP的1O2生成能力优于Ce6，而TBSMSPy+的1O2生成能力可以忽略不计。我们认为TBSMSPy+更有可能是I型PS。TBSMSPy+可以在光照射下有效地产生自由基O2 -•，这是由二氢乙锭检测到的。值得注意的是，尽管I型PS可以在缺氧条件下产生ROS，但它不是一个与氧无关的过程。，TBSMP和TBSMSPy+在辐照脱氧条件下都不产生ROS，而TBSMSPy+相对于TBSMP在光照射下可以产生自由基信号。这些结果表明TBSMSPy+可以作为一种潜在的无氧催化系统，通过产生自由基来扰乱体内氧化还原平衡，从而实现不依赖氧的光催化治疗。不依赖氧的光催化治疗方法可能是一种有效的策略，可以催化NADH氧化，干扰体内氧化还原平衡，从而在常氧或厌氧环境下达到治疗效果。为了进一步了解自由基的产生机制，利用EPR对TBSMSPy+在不同大气条件下的自由基种类进行了研究。在空气饱和溶液中，TBSMSPy+辐照后EPR信号较弱，没有任何捕集剂，未出现超细分裂。EPR信号与已有报道的三苯胺（TPA）衍生物自由基信号一致，提示TBSMSPy+在正常条件下的自由基信号可能来源于TPA+•42。此外，一些研究报道了阳离子吡啶具有低氧化还原电位，在Ar气氛中容易接受电子，导致在辐照下形成中性吡啶自由基（Py•）。因此，在Ar气氛下发生超细分裂的TBSMSPy+的强EPR信号被归因于电子从TPA+•转移到阳离子吡啶上，从而形成了吡啶自由基。根据上述实验数据，TBSMSPy+在厌氧条件下的自由基生成机理可以解释为：TPA部分在激发后失去电子形成TPA+•，然后一个电子被阳离子吡啶接受，形成Py•，Py•可能被保存在惰性气球中，也可能被大气中的氧气捕获形成O2 -•，然后进入I型过程。
光诱导NADH/NAD+平衡的扰动
由于NADH作为一种重要的辅酶参与许多氧化还原酶中细胞内氧化还原平衡的维持，因此细胞内NADH的氧化会破坏细胞内氧化还原平衡，从而导致细胞死亡。基于所设计的催化剂在辐照后通过多步电子转移生成自由基的能力，我们假设TBSMSPy+的多步电子转移促进了自由基的生成，从而催化NADH的氧化。因此，提出了详细的催化机理。TBSMSPy+最初在光照射下被激发，形成三重态TBSMSPy+ *。随后，光致电子转移发生在带电荷的分离种•+ TBSMSPy•的产生上。随后，强氧化的TPA+•片段可以从NADH中截取电子，催化NADH向NAD+的转化，干扰NADH/ NAD+含量的平衡，导致细菌死亡。作为光催化剂，中间形式的催化剂需要转化回其初始活性形式才能完成催化循环。因此，在厌氧条件下，TBSMSPy•进一步将电子给予Fe3+（高铁血红蛋白，P. gingivalis的营养物质）获得Fe2+，并返回到原始状态TBSMSPy+。相反，在好氧条件下，O2将从TBSMSPy•获得电子并生成O2−•（I型）。
为了证明我们的建议，研究了两种分子催化NADH氧化的能力。在厌氧条件下，当添加血红素（Fe3+）时，TBSMP和TBSMSPy+溶液中339 nm处NADH的吸收率均降低。为了保证催化的成功，进行了核磁共振测量来鉴定产物。在TBSMSPy+存在的情况下，在8.01、8.28、8.97、9.33和9.64 ppm处观察到NAD+新形成的峰，证实了NADH在光照射下生成NAD+的光氧化反应。未辐照TBSMSPy+溶液中未检测到NAD+信号。此外，在照射下也观察到稳定的NADH吸收，表明TBSMSPy+在NADH/NAD+转化中起到了光催化剂的作用。计算出TBSMSPy+氧化NADH的TOF为60.7 min−1，远高于之前报道的光催化剂。此外，TBSMSPy+在温和的催化条件下（如弱光功率、短照射时间和不依赖氧）表现出优异的效率，突出了其在光催化治疗中的潜力。TBSMSPy+的阳离子部分促进了分子间的相互作用，促进了聚集中的电子转移，从而提高了催化效率。而在没有Fe3+的情况下，NADH的吸收在前30 s内略有下降，然后保持在一个稳定的水平。因此，在脱氧环境下，Fe3+作为电子受体，帮助TBSMSPy+快速回到初始状态，继续催化。此外，在有氧条件下，我们对两种化合物的氧化能力进行了评估。与我们的预期一致，O2也起到了与Fe3+类似的作用。NADH的吸收也随着O2−•的产生而呈下降趋势。考虑到TBSMSPy+在聚集过程中表现出良好的催化性能，利用Rehm Weller方程52计算TBSMSPy+之间光诱导电子转移的吉布斯自由能。Rehm−Weller理论计算表明ΔG为- 124.6 kJ/mol，表明TBSMSPy+在激发态和基态之间的光诱导电子转移在热力学上是可行的。因此，分子间电子转移有助于光诱导氧化还原不平衡（PIRI）。辐照后，TBSMSPy+进入激发态（TBSMSPy+ *）。随后，电子在TBSMSPy+ *和附近的基态TBSMSPy+之间发生转移，生成自由基离子对TBSMSPy+•和TBSMSPy•。TBSMSPy+•通过氧化NADH返回到阳离子状态。TBSMSPy•进一步将电子转移到Fe3+或氧中，分别在不同的气氛中产生Fe2+或O2 -•。
牙周炎的治疗
采用牙周炎大鼠模型研究其在体内的PCT。详细的模型建立在补充资料（实验部分）中描述。为了保证TBSMSPy+在照射期间能留在牙周袋内进行PCT，采用温度敏感型可注射水凝胶作为底物加载TBSMSPy+。制备后，TBSMSPy+在水凝胶中保持了AIE性质。在紫外光下肉眼观察到橙色发射。此外，在37℃下可保持凝胶状态，使TBSMSPy+在感染牙周袋内停留时间较长，提高了治疗效果。在体内研究之前，我们对负载TBSMSPy+的水凝胶进行了生物安全性研究。TBSMSPy+照射组细胞形态清晰，细胞宏观增生，与对照组无明显差异。此外，细胞活力显示，辐照TBSMSPy+组在培养3 d后，细胞增殖率达到100% ~ 290%，与对照组相似。结果表明，负载TBSMSPy+的水凝胶对口腔细胞友好，促进口腔细胞增殖。因此，适合与口腔上皮组织接触治疗牙周炎。TBSMSPy+凝胶的生物降解结果表明，该凝胶培养2天后可在唾液气氛中降解，具有生物相容性，适合作为口腔软膏使用。通过上述准备，安排体内治疗。在牙周炎建模时用正畸钢固定上颌第二磨牙。采用注射TBSMSPy+凝胶治疗牙周炎，然后用450 nm激光（0.05 W/cm2）照射3 min，牙周炎将经历炎症和组织修复的过程。由于牙周炎病变靠近浅表组织，450 nm光源穿透组织能力弱，防止了深层组织损伤，因此450 nm光照射治疗浅表牙周炎比较合适62。另外，将市售药物PERIO注入牙周袋治疗牙周炎作为阳性对照。PERIO的有效成分为2%盐酸米诺环素，已被证明对牙周炎有有效的治疗作用，在临床治疗中得到了广泛的应用。5组（感染组、健康组、PERIO组、TBSMSPy+ + Gel + Laser组、TBSMSPy+ + Gel组、Gel + Laser组）治疗21天后用micro-CT对上颌磨牙区域进行三维重建。用红线定量评价相应的牙槽骨丢失程度，标记牙髓牙釉质交界处（CEJ）与牙槽骨嵴（ABC）之间的距离66。TBSMSPy+ Gel组CEJ-ABC距离（0.55 mm）明显小于未照射组（1.16 mm）和periotreatment阳性组（1.05 mm）。我们还观察到，正常组的CEJ-ABC距离（0.53 mm）与辐照TBSMSPy+ Gel组的CEJ-ABC距离无显著差异。此外，TBSMSPy+ Gel组在改善小梁特征方面也表现出最好的效果，如每组织体积骨体积（BV/TV × 100%）。与健康组（BV/TV% = 40.5%）比较，感染组BV/TV值明显降低至26.3%，提示牙槽骨明显丢失，证实慢性牙周炎模型建立成功。TBSMSPy+ Gel辐照组的BV/TV值（39.7%）接近健康组（40.5%），而原始水凝胶组和未辐照TBSMSPy+ Gel组的BV/TV值分别为27.6%和29.3%，说明治疗效果和自修复能力与TBSMSPy+的光活化性密切相关。然而，当水凝胶加载PERIO时，BV/TV（28.7%）与感染组相似，这表明PERIO治疗在预防牙槽骨丢失方面不如光催化治疗有效。结果明确证实TBSMSPy+ Gel辐照治疗效果明显优于临床抗生素（PERIO）。此外，Tb。N和Tb。在TBSMSPy+照射组中分别为3.3/mm和0.15 mm，说明光照射TBSMSPy+对牙槽骨丢失有很好的效果。然而，未辐照的TBSMSPy+和空白凝胶在感染组（Tb）之间没有差异。N为1.17/mm, Tb。Th, 0.1 mm)。此外，TBSMSPy+辐照后的小梁分离值较低，也表明在治疗牙周炎时抑制牙槽骨丢失的潜力很大。
总结
我们提出了一种“光诱导氧化还原失衡”策略来实现或增强无氧光催化治疗。TBSMSPy+催化剂的高TOF （60.7 min−1）有力地支持了这一论断。多步的分子内电子转移有助于催化剂TBSMSPy+产生更稳定的自由基种，干扰NADH与NAD+的平衡，阻断ATP合成途径，导致DNA复制过程中的能量供应中断，导致细菌死亡。在牙周炎光催化治疗中，TBSMSPy+与商业药物PIRIO相比显示出优越的治疗效果。此外，TBSMSPy+在没有照射的情况下对正常细胞表现出低毒性，使其成为最小化治疗相关副作用的良好选择。
参考文献
Photocatalytic therapy via photoinduced redox imbalance in biological system， Kun Zhou,LiliDu,RuiDing,LetianXu,ShuaiShi,SiyuanWang,Zaiyu Wang ,Guoqing Zhang，Ben Zhong Tang ，Nat. Commun| (2024) 15:10551，https://doi.org/10.1038/s41467-024-55060-w
