顆粒在線訊：哺乳動物微生物群落已經(jīng)在活體內(nèi)生活了數(shù)百萬年，甚至與人類一起進(jìn)化。它們可以感知人體內(nèi)部或外部場景的變化，從而反映人類健康水平，甚至引發(fā)多種疾病。為了深入了解微生物群落以及準(zhǔn)確控制基于細(xì)菌的治療或診斷方法，在宿主體內(nèi)精確地成像微生物位置是非常重要的。然而，現(xiàn)有的活體細(xì)菌定位成像方法主要基于光學(xué)報告基因、有機(jī)染料或納米探針，對于深部組織來說，其成像效果會因低成像深度和高光散射組織而大大減弱。此外，大多數(shù)顯像劑僅對一類特定細(xì)菌有效，即革蘭氏陰性或革蘭氏陽性細(xì)菌，這會不可避免地丟失其他細(xì)菌的信息。

舌頭表面的細(xì)菌分布

目前，大多數(shù)顯像劑通過使用抗生素、抗菌素、和酶激活納米顆粒等靶向細(xì)菌細(xì)胞壁。然而，細(xì)菌細(xì)胞壁上信號分子的有效載荷比內(nèi)吞進(jìn)細(xì)菌胞內(nèi)要少得多，導(dǎo)致成像靈敏度降低。另一方面，盡管基因編碼細(xì)菌的報告分子存在于細(xì)胞內(nèi)、中，但它們受宿主細(xì)菌的病理生理過程、基因表達(dá)譜和可視化生物化學(xué)的影響從而不能用于診斷細(xì)菌感染。除此之外，關(guān)于納米材料通過內(nèi)化進(jìn)入細(xì)菌并同時用于成像和感染治療的研究更是幾乎未見報道。

細(xì)菌“吃掉”納米材料

蘇州大學(xué)何耀教授、王后禹副研究員等人提出了一種新型策略，可促進(jìn)細(xì)菌攝取葡萄糖聚合物修飾的金納米顆粒。激光照射后，這些顆粒聚集在細(xì)菌細(xì)胞中，產(chǎn)生增強(qiáng)的光聲信號和抗菌活性，從而實現(xiàn)體內(nèi)細(xì)菌的靈敏成像。在成像和治療性能方面，與未聚集的對應(yīng)物相比，聚集物的功效顯著增強(qiáng)（例如，光聲信號增強(qiáng)約15.2倍，抗菌率增強(qiáng)約3.0倍）。進(jìn)一步地，作者還證明了該策略有助于在異種腫瘤移植和胃腸道的概念驗證模型中對細(xì)菌進(jìn)行成像。因此，研究認(rèn)為這一工作為探測微生物種群的體內(nèi)位置并對其進(jìn)行治療提供了一種簡便有效的思路。相關(guān)工作以“Bacteria eat nanoprobes for aggregation-enhanced imaging and killing diverse microorganisms”為題發(fā)表在Nature Communications。

【文章要點】

一、納米探針

納米探針由四個模塊組成，分別是金納米顆粒（AuNPs）、葡萄糖聚合物（GP）、二嗪和光敏劑Ce6。作者首先通過希夫堿反應(yīng)制備GP-共軛AuNPs（GP-AuNPs），其中GP的醛基?與AuNPs上的氨基反應(yīng)形成席夫堿，然后被NaBH4還原形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。接下來，通過GP AuNPs和Ce6之間的靜電吸附作用可獲得GP-AuNPs@Ce6。最后，作者利用NHS-二嗪分子修飾GP -AuNPs@Ce6表面最終獲得納米探針GP-dAuNPs@Ce6。實驗顯示，在405nm激光照射下，改性的二嗪類化合物可轉(zhuǎn)化為卡賓片段，而卡賓片段之間容易形成共價鍵，從而形成聚集產(chǎn)物（圖1）。

圖1 GP-dAuNPs@Ce6的表征

二、細(xì)菌“吃掉”納米探針

如圖2所示，包括革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌在內(nèi)的細(xì)菌能夠通過細(xì)菌特異性ABC轉(zhuǎn)運體途徑主動吞咽其偽造的“食品”，即GP-dAuNPs@Ce6。根據(jù)研究解釋，這主要是因為GP（例如聚[4-O-（α-D-吡喃葡糖基）-D-吡喃葡糖）作為細(xì)菌的主要“食物”（碳源），可以通過由外膜擴(kuò)散孔蛋白、GP識別位點等五個亞單位組成的ABC轉(zhuǎn)運體穩(wěn)定地內(nèi)化到細(xì)菌細(xì)胞中。高分辨率SEM和高角度環(huán)形暗場掃描TEM（HAADF-STEM）均證明了GP共軛的金納米顆粒穿過了細(xì)菌細(xì)胞壁，而不是吸附在細(xì)菌細(xì)胞壁表面（圖2）。定量實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GP-dAuNPs@Ce6的濃度為1mg/mL時，金黃色葡萄球菌SA和大腸桿菌EC的攝取效率可分別達(dá)到69.2%和69.7%。

圖2 細(xì)菌“吃掉”金納米顆粒的策略設(shè)計

三、聚集增強(qiáng)的成像和治療性能

由于二嗪分子的光活性交聯(lián)性質(zhì)，在405nm激光照射下，被細(xì)菌攝取內(nèi)化的納米探針可以彼此聚集，顯示出顯著增強(qiáng)的光聲信號。在活體實驗中，研究可在感染位點同時觀察到細(xì)菌的光聲成像和熒光成像，其檢測限濃度可低至1.0 × 105 CFU的水平，比大多數(shù)光學(xué)成像造影劑低約兩個數(shù)量級。而在腫瘤部位的成像中，含有細(xì)菌的腫瘤部位也可同時觀察到熒光和光聲信號。同時，接受405nm激光照射的感染部位和含有細(xì)菌的腫瘤部位的檢測信號都比未接受405nm激光照射的部位強(qiáng)得多（光聲信號增強(qiáng)在2倍以上)。同時，實驗結(jié)果也證明了該策略可對腫瘤組織中的多種細(xì)菌進(jìn)行聚集增強(qiáng)成像。利用所開發(fā)的策略，作者也成功地檢測到腫瘤或腸道內(nèi)細(xì)胞濃度約為1.0×107 CFU的多種細(xì)菌，如此高的靈敏度足以滿足許多體內(nèi)場景（圖3）。此外，在輻照過程中，405 nm激光導(dǎo)致納米探針聚集，660 nm激光則可以誘導(dǎo)Ce6產(chǎn)生單線態(tài)氧（光動力療法效應(yīng)），808 nm激光則觸發(fā)聚集的AuNP產(chǎn)生熱（光熱療法效應(yīng)），從而使得納米探針表現(xiàn)出超高的體內(nèi)廣譜抗菌效率，在短期治療中殺菌效率可超過95.0%?。

圖3 細(xì)菌體內(nèi)成像效果

結(jié)論：綜上所述，作者成功提出設(shè)計了一種新型診斷和治療策略，可通過細(xì)菌攝取納米探針，來實現(xiàn)聚集增強(qiáng)成像并在體內(nèi)殺死多種細(xì)菌。該納米探針由GP、二嗪和Ce6修飾的AuNP制成，憑借細(xì)菌特異性ABC轉(zhuǎn)運途徑，納米探針可以穩(wěn)定、選擇性地內(nèi)化到革蘭氏陰性和革蘭氏陽性細(xì)菌細(xì)胞中，同時幾乎不進(jìn)入哺乳動物細(xì)胞。相比之下，大多數(shù)報道的納米制劑對細(xì)菌細(xì)胞的特異性比哺乳動物細(xì)胞差，導(dǎo)致難以區(qū)分細(xì)菌感染和其他炎癥癥狀。再加上具有良好的生物相容性，這種性能優(yōu)異的策略在組織微生物研究以及診斷和治療藥物的開發(fā)方面具有良好的前景。