一种采用双机制响应的双通道荧光探针，用于细菌感染的精准诊断和精确光动力杀灭

细菌感染一直是全球重大公共卫生问题，对全球人类健康甚至生命造成巨大威胁，给社会和家庭带来沉重负担。即使是极低剂量的细菌也可造成严重损害，及时诊断细菌感染对于确保早期有效治疗而不进一步进展至关重要。细菌感染的常规治疗方法在诊断和治疗上仍然是孤立的，细菌鉴定的常规方法（如培养和菌落计数）费时费力，而分子生物学方法（如聚合酶链反应和酶联免疫吸附测定）较为复杂和昂贵。细菌的治疗仍以抗生素为主，目前抗生素的滥用加剧了细菌耐药甚至多重耐药的出现，因此迫切需要开发更准确、快速的细菌检测和有效的细菌清除方法。

荧光显像因其无创、简便、灵敏度高而成为疾病早期诊断的有力工具。光动力疗法（Photodynamic therapy，PDT）是通过光敏剂吸收外源光产生活性氧（reactive oxygen species，ROS）对细菌造成不可逆的损伤，具有广谱杀生物活性而不诱导耐药的优点。因此，将荧光成像和光动力疗法相结合，构建一体化诊疗平台是细菌感染诊断领域的一个有前景的方向。特别是在影像学方面，双通道检测技术可以提供更强的特异性和多重检测，从而提高疾病诊断的准确性，受到广泛关注。

硝基还原酶

硝基还原酶（NTR）是一种在革兰阳性菌和革兰阴性菌中均高表达的内源性酶，使其成为细菌感染检测中高度相关的诊断靶点，在此基础上引入第二个选择性靶点以提高诊断的特异性和敏感性可能是最佳策略。青霉素结合蛋白（PBPs）是一类存在于几乎所有细菌中的膜蛋白，在细菌肽聚糖细胞壁的生物合成中发挥着重要作用，因此，PBPs已成为许多抗生素开发的主要靶点，其中β-内酰胺类抗生素是能够与之共价结合的一类抗生素。

Nap-CefTTPy检测和杀灭原理

本研究基于抗生素的结构，设计了一种单分子荧光探针，可同时被NTR和PBPs激活，在单波长激光照射下，在不标记哺乳动物细胞的情况下，在绿色和红色通道上对细菌进行选择性成像和光动力杀伤。总体设计理念是通过类似于头孢菌素的结构将硝基修饰萘酰亚胺和带正电荷的AIE光动力治疗剂TTPy这两个功能单元连接起来。最初，甲基吡啶部分的正电荷使Nap-CefTTPy通过静电作用作用于带负电荷的细菌表面。Nap-CefTTPy的β-内酰胺结构驱动其与细菌表面的PBPs相互作用，导致分子内运动受限（RIM），从而产生增强的红色荧光。同时，NTR进一步将硝基还原为氨基，通过打破萘酰亚胺中的PET（Photoinduced Electron Transfer）效应，释放绿色荧光增强，实现对细菌感染的无干扰双荧光检测。值得注意的是，Nap-CefTTPy复杂的结构特征使其能够在不进入哺乳动物细胞的情况下选择性标记细菌，从而实现对细菌感染的准确诊断和精确杀伤。此外，该探针在小鼠细菌感染模型中显著促进创面愈合。

结论

本研究成功地开发了一种以双通道荧光成像和光动力疗法为特征的单分子激活双机制检测细菌感染的集成平台。一方面，在细菌存在的情况下，Nap-CefTTPy被硝基还原酶的还原和PBPs的旋转限制双重激活，分别成功实现了绿色和红色双通道无交叉的荧光检测，另一方面，该探针对细菌表现出良好的选择性，从而提供了精确检测细菌、准确杀灭细菌的能力，以及良好的生物相容性。Nap-CefTTPy成功促进细菌感染小鼠创面愈合。因此，本研究为合理设计和开发精准检测和治疗细菌感染的先进平台提供了新的策略。

参考文献：

Jie Han, Yunpeng Wang, Jin Yu, Xiaoli Zhang, QingXia Duan, Rubo Zhang, Jing Jing, and Xiaoling Zhang. A Dual-Channel Fluorescent Probe for Accurate Diagnosis and Precise Photodynamic Killing of Bacterial Infections by Employing Dual-Mechanism Responses. Anal. Chem. 2025, https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c04877