一石两鸟:一种多功能纳米平台，用于NIR触发PTT/PDT的敏感检测和致病菌的实时灭活

引言

近年来，由于病原细菌感染引起的公共安全事件数量不断上升，对病原细菌的快速检测和实时灭活越来越受到关注。现有的检测方法大多只关注细菌的检测,忽视了进一步的细菌灭活。因此,迫切需要开发一种多功能纳米平台,实现细菌的快速检测和高效灭活。

本文报道了一个多功能PB@DPA-CeGMP@Van (PCV)纳米平台，用于快速、特异、敏感地检测金黄色葡萄球菌及其原位光热失活。本研究的策略如图所示。DPA-Ce-GMP与PB联合构建PB@DPA-Ce-GMP (PC)。将对革兰氏阳性菌(G⁺)具有特异识别能力的万古霉素(Van)固定在PCV表面，构建PCV多功能纳米复合材料(方案1A)。方案1B显示了细菌检测和灭活的机制。我们以金黄色葡萄球菌作为模式细菌。PCV在金黄色葡萄球菌孵育后首先吸附在其表面，形成PCV/S。球菌复合物。离心除去沉淀后，上清液中剩余的PCV仍能催化Amplex™Red (AR)发出红色荧光，抑制东莨菪碱(SC)的蓝色荧光。因此，SC/AR读数可用于细菌的敏感检测。同时，沉积物中含有PCV/S。在808 nm激光照射下，金黄色葡萄球菌配合物激活光热治疗和光动力治疗对PCV的联合抑菌功能，导致活性氧产生，金黄色葡萄球菌表面温度迅速升高，使其失活。最后，我们测定了细菌感染小鼠伤口的体外抗菌性能。在808 nm激光照射下，PCV可灭活金黄色葡萄球菌，灭菌率达99.7%。经PCV治疗后，金黄色葡萄球菌感染的伤口愈合速度明显快于未治疗的伤口。总之，这一策略为伤口敷料的进一步发展提供了一个新的平台。

结果与讨论

1. PCV的表征

通过TEM、UV-Vis、FTIR、XRD和XPS等方法对PCV进行了表征。结果表明,DPA-Ce-GMP成功包覆在PB表面,并成功固定了万古霉素(Van),构建了PCV多功能纳米复合材料。PCV具有良好的结构和组成特征。

2. PCV的光热和光动力性能

PCV在808 nm激光照射下表现出优异的光热转换性能,在200 μg/mL浓度下,照射10分钟后溶液温度可达55℃以上,能够杀灭细菌。同时,PCV表现出良好的光稳定性,经过4次加热-冷却循环,温度变化很小。

采用自旋共振波谱(ESR)和亚甲基蓝(MB)探针检测,结果表明PCV在808 nm激光照射下能够产生大量·OH自由基,具有优异的光动力治疗效果。

3. PCV的酶样催化性能

PCV表现出类过氧化物酶的催化活性,能够氧化TMB和OPD底物,产生蓝色和黄色颜色变化。这种酶样活性主要归因于PCV促进·OH的产生。

4. PCV对大肠杆菌的选择性检测

PCV利用Van对G⁺菌的特异性识别,与S.aureus结合形成PCV/S.aureus复合物,从而降低上清液中PCV的浓度。PCV可以选择性地催化非荧光的Amplex Red(AR)氧化为荧光底物,同时抑制荧光素(SC)的荧光。因此,建立了基于SC/AR荧光强度比的细菌检测体系。该体系对S.aureus的检测范围为10¹-10⁷ CFU/mL,检测限可达5.0 CFU/mL,优于以往报道。

与大肠杆菌等G^-菌相比,PCV对G⁺菌S.aureus和李斯特菌具有良好的选择性。SEM结果显示,PCV能够附着在S.aureus表面,而不能与大肠杆菌结合。

5. PCV对细菌的灭活作用

PCV在808 nm激光照射下,能够有效杀灭自由状态的S.aureus,灭活率高达99.7%。此外,PCV还表现出良好的伤口愈合能力,可用于感染伤口的治疗。

结论

本文构建了一个二合一的PCV纳米平台，用于细菌检测和实时灭活。基于模拟酶的良好活性，对PCV的PTT和PDT能力进行了评价。此外，建立了一种基于SC和AR读数的比例荧光探针，用于检测金黄色葡萄球菌。探针检测范围宽(10¹ ~ 10⁷ CFU/mL)，检出限为5 CFU/mL。所提出的PCV有助于基于荧光比的细菌检测，同时有效地杀死金黄色葡萄球菌。在808 nm近红外辐射照射下，PCV表现出较高的光热转换效率(40.74%)和ROS生成能力，PTT/PDT协同作用导致细菌死亡。10 min内金黄色葡萄球菌的杀伤率约为99.7%，感染该菌的小鼠伤口愈合实验进一步证实了这一点。综上所述，所开发的纳米平台具有细菌检测和抑制的双重作用;因此，它可以用于快速检测和伤口感染的原位治疗。此外，它可以成为未来细菌感染伤口临床治疗的一个有希望的候选者。

参考文献

Huang, X.; Fu, Y.; Guo, Y.; Cai, Y.; Li, T.; Zhao, P.; Ma, Y.; Song, L.; Wang, T., Two birds with one stone: A multi-functional nanoplatform for sensitive detection and real-time inactivation of pathogenic bacteria with NIR-triggered PTT/PDT. Chem. Eng. J. 2024, 481, 148649.