D-半胱氨酸衍生碳点的选择性鉴别，成像和协同消除革兰氏阳性细菌和真菌

研究背景：

细菌和真菌感染严重威胁着公共健康,每年造成数百万人患病。目前,使用抗生素是主要的应对策略,但长期滥用导致了耐药性问题的不断恶化。出现了大量难以治疗的"超级细菌"和"超级真菌",给临床治疗带来了巨大挑战。研究人员急需开发新型的抗菌材料或方法,以应对这一日益严峻的公共卫生问题。

在这背景下,手性纳米材料因其独特的手性特性和优异的生物相容性,在抗菌应用中显示出广泛的潜力。这类材料可通过与细菌或真菌细胞膜的特异性相互作用,实现对特定微生物的选择性识别和杀灭。作为一类新兴的纳米材料,碳量子点(CDs)具有优异的光学性能、可调控性和生物相容性,为手性纳米材料的开发和应用提供了新的可能。

研究内容：

方案1 多色革兰氏阳性细菌和真菌成像以及协同治疗应用的示意图

（1）手性CDs的成功合成与表征：研究者采用简单的水热法，分别利用D-半胱氨酸和L-半胱氨酸作为前驱体，成功合成了手性D-CDs和L-CDs。通过圆二色性谱、透射电镜、光学性质等表征手段，证实合成的D-CDs和L-CDs保持了各自独特的手性结构和特征。所合成的手性CDs具有良好的水溶性、宽范围吸收、多色荧光发射和优异的生物相容性等性能。

（2）手性CDs对细菌/真菌的选择性染色：D-CDs和L-CDs表现出对革兰氏阳性细菌(如金黄色葡萄球菌)和真菌(如白色念珠菌)的选择性染色能力。相比之下,它们对革兰氏阴性细菌(如大肠杆菌)几乎没有荧光反应。这种选择性染色能力与细菌和真菌细胞膜结构的差异有关，D-CDs和L-CDs能够与革兰氏阳性菌和真菌细胞膜上的特定手性位点发生相互作用。

（3）D-CDs的优越抗菌性能：定量分析发现，与L-CDs相比，D-CDs对革兰氏阳性细菌和真菌具有更强的荧光信号和亲和力。体外抗菌实验表明，D-CDs也展现了更强的抗菌活性，能更有效地杀灭革兰氏阳性细菌和真菌。

（4）手性CDs在光照条件下的协同抗菌作用：在双光照(405nm和660nm)条件下，D-CDs通过三重机制(膜破坏、光动力和光热效应)产生协同的抗菌活性。这种协同增强的抗菌效果在体外细菌培养实验和感染小鼠模型中都得到验证，能显著促进感染创口的愈合。

研究结论：

开发了能够选择性鉴别、成像和协同根除革兰氏阳性细菌和真菌的手性CDs。与革兰氏阴性细菌相比，活的革兰氏阳性细菌和真菌更容易被D-CDs和L-CDs穿透和染色，这可归因于这些微生物外膜的结构差异。由于具有较高的细菌内化效率和CDs与细菌细胞之间的手性相互作用，D-CDs表现出更强的荧光信号。此外，D-CDs有效抑制革兰氏阳性细菌和真菌的生长，表现出高度依赖手性的行为。在双光照射下，与L-CDs相比，D-CDs通过优越的化学、PDT和PTT三模态协同方法，显示出对革兰氏阳性细菌和真菌的抗菌能力增强。机理研究表明，D-CDs在双光照射下暴露于微生物，产生大量ROS和热量，导致微生物膜破坏、核酸泄漏、ATP产生抑制。值得注意的是，D-CDs对人体细胞的毒性很小，同时显著促进了细菌感染伤口的愈合。这个成功的例子强调了手性CDs在选择性鉴别、成像和协同消除革兰氏阳性细菌和真菌方面的巨大潜力。它引入了一种精确工程微生物表面的新策略，为诊断和治疗细菌和真菌感染提供了新的途径。

参考文献

Song, W., Wang, X., Nong, S., Wang, M., Kang, S., Wang, F., & Xu, L. D-cysteine-Derived Carbon Dots for Selective Discrimination, Imaging, and Synergistic Elimination of Gram-Positive Bacteria and Fungi. Advanced Functional Materials, n/a(n/a), 2402761.

原文链接：https://doi.org/https://doi.org/10.1002/adfm.202402761.