一石二鸟：近红外触发的多功能平台

1.引言

食源性致病菌污染引发的食物中毒和肠道传染病对全球公共卫生构成严重威胁。因此，需要快速、简便的细菌检测方法。近年来，基于纳米材料的生物传感器被开发用于快速检测细菌，但大多数方法仅关注检测而忽略灭活。普鲁士蓝（PB）因其光热转换效率，在灭活细菌方面受到关注。铈离子具有类似酶的性质，被用于生物分子检测。然而，将PB和铈基材料同时用于病原体检测和实时灭活的研究较少。因此，迫切需要开发一种多功能纳米平台来同时快速检测和有效灭活细菌。

本研究报道了一种多功能的PB@DPA-Ce-GMP@Van（PCV）纳米平台，用于快速、特异性地检测金黄色葡萄球菌并进行原位光热灭活。该平台通过将万古霉素（Van）固定在PCV表面，实现了对革兰氏阳性菌的特异识别。PCV在金黄色葡萄球菌表面形成复合物，并通过催化Amplex™Red发出红色荧光来实现细菌的敏感检测。同时，在808nm激光照射下，PCV激活光热治疗和光动力治疗，产生活性氧并迅速升高细菌表面温度，导致金黄色葡萄球菌失活。体外实验表明，PCV在808nm激光照射下可达99.7%的灭菌率，并显著加快了金黄色葡萄球菌感染伤口的愈合速度。这种策略为伤口敷料的进一步发展提供了新的平台。

方案1.(A)PCV合成工艺示意图。(B)利用nir触发PTT/PDT对病原菌进行灵敏检测和实时灭活的PCV多功能纳米平台原理。

2.结果与讨论

PCV的合成与表征

研究人员通过透射电镜（TEM）观察了PB、DPA-Ce-GMP和PCV的形态特征。PB呈规则微球，DPA-Ce-GMP具有网状结构。PCV的UV-vis光谱显示了Van和PB的特征峰，证明了PCV的成功构建。傅里叶变换红外光谱分析（FTIR）和X射线衍射（XRD）进一步证实了PCV的组成。高角度环形暗场扫描TEM（HAADF-STEM）和EDX元素映射显示元素分布均匀。X光电子能谱（XPS）结果表明PCV含有Fe、Ce、C、N、O和P元素，Ce呈现混合价态（Ce³⁺/Ce⁴⁺），具有优异的模拟过氧化物酶活性。

图1. PCV的合成与表征

研究人员利用红外热像仪评估了PCV的光热性能。在808nm激光照射下，PCV的温度随辐照时间和浓度增加而升高，10分钟后温度可达55℃以上。这种温度足以灭活细菌。PCV在长时间激光照射下保持稳定，经过多次加热和冷却后温度变化不大。其光热转换效率为40.74%。此外，PCV在H₂O₂存在下通过模拟过氧化物酶活性产生羟基自由基（∙OH），在激光照射下∙OH生成量进一步增加，表明PCV具有良好的光动力治疗（PDT）效果。

图2. 光热和光动力性质及PCV的EPR谱

PCV检测金黄色葡萄球菌的原理验证

研究人员基于PCV的特性，建立了一种基于SC和AR的比例荧光探针来检测金黄色葡萄球菌。SC的蓝色荧光被PCV淬灭，但在与金黄色葡萄球菌孵育后，PCV被捕获在细菌表面，离心后SC的荧光恢复。AR最初不发光，但在PCV氧化后发出红色荧光。上清液中的PCV氧化AR，产生荧光底物。这种比例荧光传感系统利用SC和AR的荧光变化来检测金黄色葡萄球菌，通过与细菌细胞膜的Van相互作用实现特异性捕获。

图3. PCV检测金黄色葡萄球菌的原理验证

金黄色葡萄球菌检测结果线性分析

研究人员构建了PCV-SC/AR传感系统，用于灵敏检测金黄色葡萄球菌。该系统通过混合不同浓度的金黄色葡萄球菌与PCV溶液，孵育后测量荧光光谱。随着细菌浓度增加，SC的荧光强度升高，而AR的荧光强度降低。FI465/FI590比值与细菌浓度呈线性关系，检测范围为10¹~10⁷CFU/mL，检出限为5CFU/mL。该方法在鸡蛋和牛奶中检测金黄色葡萄球菌时回收率为83%~100%。PCV对革兰氏阳性菌具有较高的特异性，而对革兰氏阴性菌的特异性较低。SEM结果显示，PCV能够附着在金黄色葡萄球菌表面。

图4. 金黄色葡萄球菌检测结果线性分析

PCV的体外灭菌

研究表明，PCV纳米平台在808nm激光照射下，通过光热治疗（PTT）和光动力治疗（PDT）的协同作用，实现了对金黄色葡萄球菌的高效杀菌。实验结果显示，PCV在H2O2存在下表现出显著的抗菌性能，杀菌率高达99.7%。荧光探针DCFH-DA检测到激光照射后ROS水平显著增加，证明了PCV在光照条件下的抗菌效率提高。SEM和双荧光染色结果进一步证实了PCV在近红外照射下的协同杀菌效果。

图5. PCV的体外灭菌

PDT/PTT协同抗菌作用下细菌感染创面愈合过程

研究人员使用雌性Balb/c小鼠建立了金黄色葡萄球菌感染模型，并通过PCV纳米平台进行治疗。PCV在808nm激光照射下，创面温度迅速升至53.6℃，表明其良好的光热转换性能。治疗组创面愈合速度最快，7天后愈合率接近100%。组织液中几乎未发现细菌菌落，证明了PCV的高效灭菌能力。同时，PCV处理期间小鼠体重变化可忽略，主要器官无明显损伤或炎症，表明其生物安全性。

图6. PCV抗菌能力的分析

3.总结

本研究设计了一种“二合一”的PCV纳米平台，用于细菌的快速检测和实时灭活。该平台基于模拟酶的活性，评估了PCV的光热治疗（PTT）和光动力治疗（PDT）能力。通过建立一种基于SC和AR读数的比例荧光探针，实现了对金黄色葡萄球菌的灵敏检测，检测范围为10¹~10⁷CFU/mL，检出限为5CFU/mL。PCV在808nm近红外辐射下表现出高光热转换效率（40.74%）和ROS生成能力，通过PTT/PDT协同作用有效杀死细菌。10分钟内，金黄色葡萄球菌的杀伤率约为99.7%。小鼠感染伤口愈合实验进一步证实了PCV的有效性。这种纳米平台具有双重作用，既能快速检测细菌，又能抑制细菌感染，成为未来伤口感染临床治疗的有希望候选者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148649