“纳米捕手”登场！低丰度致病菌的“隐身克星”

研究背景

致病菌感染可引发严重疾病甚至死亡，其在早期感染阶段，体液中细菌浓度低于传统微生物培养技术的检测限（约30 CFU/mL），导致诊断延迟。而PCR技术虽检测限低，但操作复杂、成本高；ELISA因特异性抗体有限，应用受限。因此，开发一种快速、灵敏、便捷且准确的低丰度致病菌检测方法迫在眉睫。

试验方案

图1. Fe₃O₄@poly(PEGDA-co-MAAPBA) NPs的合成方法示意图

选择性与活性测试

图2A展示了纳米颗粒与细菌相互作用的机制：在碱性条件下，苯硼酸与细菌表面的顺式二醇结构形成稳定的共价键，而在酸性条件下可以解离。通过CFU计数法（图2C）发现，S4纳米颗粒对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的捕获能力最强，处理后上清液中的细菌数量显著减少。

图2. 苯硼酸与细菌相互作用机制及实验结果

图3A和图3B通过浊度测试和CFU计数法进一步验证了纳米颗粒的选择性：S4对革兰氏阳性菌（如S. aureus）表现出显著的选择性，而对革兰氏阴性菌（如E. coli）无明显作用。SEM图像（图3G和图3H）也直观地展示了S4纳米颗粒仅附着在S. aureus表面，而E. coli表面未见纳米颗粒，证实了其选择性。

图3. 纳米颗粒的选择性测试

活/死菌染色实验（图4）显示，经过S4处理的S. aureus仍保持活性，绿色荧光表明大部分细菌为活菌，且纳米颗粒能够聚集形成更大的荧光团簇。

图4. 活/死菌染色实验

富集能力与可重复使用性

图5A展示了纳米颗粒富集细菌的流程，处理后的细菌在培养基中显著增殖，表明纳米颗粒能够有效富集低浓度的革兰氏阳性菌。S4对S. aureus、S. haemolyticus和S. uberis的富集倍数分别达到266.5、246和318.2倍，将微生物培养法的检测限从30 CFU/mL降低至0.1 CFU/mL（图5B和图5C）。

图5D展示了纳米颗粒的可重复使用性测试结果：经过5次捕获-解离循环后，S4对S. aureus的捕获能力仅从1.34×10³ CFU/mg降低至6.75×10² CFU/mg，表现出良好的稳定性。

图5. 纳米颗粒的富集能力和可重复使用性

复杂样本中的应用

图6和图7展示了纳米颗粒在复杂样本中的应用效果。在模拟肠道样本中，S4对S. aureus、S. haemolyticus和S. uberis的富集能力分别达到118.3、193.8和20.6倍（图8A-C）。在尿液样本中，即使存在大量竞争菌（如E. coli），S4仍能显著富集低浓度的S. aureus和S. haemolyticus（图7），表明其在复杂样本中具有优异的选择性和富集能力。

图6. 复杂样本中的应用测试（模拟肠道样本）

图7. 复杂样本中的应用测试（尿液样本）

结论

本研究开发的苯硼酸功能化Fe₃O₄纳米颗粒，凭借其优异的致病菌富集能力、活性保持特性以及良好的可重复使用性，有望成为一种强大的临床早期诊断工具，为低丰度致病菌的检测提供一种高效、便捷的新方法。

参考文献：DOI: https://doi.org/10.1039/d4ra08826c