细菌代谢驱动开启分子荧光实现可视化检测和成像

  细菌感染已对公共卫生构成严重挑战。分子荧光探针在细菌感染的诊断和治疗中发挥着越来越重要的作用，但由于聚集引起的猝灭、细菌特异性低以及杀菌活性降低等原因，分子荧光探针的应用往往受到阻碍。在此，代谢驱动纳米探针(HF-D-Ala NPs)被报道用于细菌激活检测和随后的可见光诱导失活。纳米探针通过两亲性荧光小分子(HF-D-Ala)的自组装形成，由于疏水结构单元的密集聚集，显示出强烈的淬灭荧光和光稳定性增强。一旦遇到细菌，HF-D-Ala NPs会被分解成游离的HF-D-Ala，并通过细菌代谢进一步整合到细胞壁。这一进展可以很容易地“开启”分子荧光，实现细菌的可视化检测和成像。随后，所标记的细菌可以被可见光下从合并的HF-D-Ala中释放的一氧化碳有效灭活。HF-D-Ala NPs具有良好的特异性和生物相容性，可以选择性地检测和灭活生物膜中的细菌以及与哺乳动物细胞共存的细菌，在细菌感染治疗方面具有巨大的应用潜力。

  HF-D-Ala NPs的合成、检测和成像原理如下所示：代谢驱动的HF-D-Ala NPs分解用于细菌成像和杀死;具体表现为HF-D-Ala NPs被分解成游离分子，并被纳入细胞壁以“点亮”细菌，CO被释放以在可见光下杀死细菌。

  在细菌细胞壁中肽聚糖(PGs)的生物合成中，非天然D -氨基酸可以被细菌转肽酶结合到肽链的末端，从而允许代谢标记细胞壁的功能分子。根据这一机制，作者选择金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠埃希菌(E. coli)分别作为革兰氏阳性和革兰氏阴性的代表菌，评估细菌代谢是否能够驱动HF-D-Ala NPs的分解，用于细菌检测和成像。

  如图a,b所示，两种原始细菌的荧光可以忽略不计，但随着HF-D-Ala NPs的孵育时间的延长，它们的荧光会增加。这一结果表明，发生了细菌引发的HF-D-Ala NPs分解，从而导致分子荧光恢复。此外，在便携式可见光照射装置下，HF-D-Ala标记的细菌沉淀物显示出亮红色荧光(图c)，证明了HF-D-Ala NPs用于肉眼检测细菌的可行性。原始细菌和用化合物3聚集物培养的细菌没有显示荧光(图d)。相反，经HF-D-Ala NPs处理的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌细胞分别显示出强烈的红色荧光，具有清晰的圆形和杆状结构(图e)，证明细菌细胞壁成像被激活。

  进一步地，HF-D-Ala NPs对浮游细菌的杀菌效果及生物相容性评价;可见光照射后，细菌存活率降低，并随着共孵育时间的增加而进一步降低。扫描电子显微镜(SEM)所获得的形态变化也是CO诱导细菌死亡的直接证据(图c)。与原始的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌相似，黑暗中HF-D-Ala标记的细胞表面光滑，表明HF-D-Ala NPs对黑暗中细菌的生长没有不利影响。在0.1 mM HF-D-Ala NPs浓度下有无可见光的照射，L929细胞的存活率均高于80%，说明HF-D-Ala NPs具有相当低的细胞毒性(图d)。如图e,f所示，即使HF-D-Ala NPs浓度达到0.2 mM，溶血率仍低于1%，低于国际公认的标准(5%)，这些数据证明了HF-D-Ala NPs具有较高的生物相容性。

  总结：

  1、制备了具有良好水分散性和生物相容性的HF-D-Ala NPs，用于细菌激活成像和杀灭;

  2、合成的HF-D-Ala具有两亲性，有利于通过自发自组装形成均匀的纳米颗粒;

  3、HF-D-Ala NPs具有淬灭荧光，这归因于细菌驱动分解之前的聚集，代谢后恢复荧光，用于细菌检测和结构成像;

  4、HF-D-Ala NPs在复杂情况下(例如，在细菌生物膜中，以及哺乳动物细胞中)对细菌表现出特定的靶向和杀伤能力，并且即使在杀菌过程中也具有低细胞毒性。

  参考文献：

  Zhao W, Ding M, Zhang X, et al. Metabolism‐Driven Disassembly of Nanoprobes for Bacterial Detection, Imaging, and Photo‐Inactivation[J]. Advanced Functional Materials, 2022, 32(12): 2107574.