点击化学+金纳米棒，实现细菌超灵敏检测和活力评估

研究背景

病原菌的抗药性加重了病原菌对公众健康的重大威胁，估计在2019年，由于致病菌而引发的死亡高达495 万例。常见的细菌感染包括食源性疾病、尿路感染、性传播感染和医疗保健相关感染。与这些感染相关的巨大经济负担，以及抗生素耐药性的广泛流行，凸显了迫切需要快速可靠的即时诊断分析，用于细菌鉴定和抗微生物药物敏感性检测 （AST）

传统的基于培养物的细菌检测方法虽然被认为是金标准，但既费时又费力。这刺激了替代策略的发展，包括聚合酶链反应（PCR）、酶联免疫吸附测定（ELISA）和MALDI-TOF等。然而，这些方法通常需要专门的设备和训练有素的人员，在资源有限的环境中阻碍了它们的广泛实施。

最近的研究强调了细菌对富含铜的环境的适应机制，这种与铜相关的通路激发了新型生物传感策略的开发。基于这种思路，研究人员结合点击化学与金纳米棒，开发了一款新型的即时（POC）细菌检测方法，称为 AuNRs-BICC。这种 AuNRs–BICC 传感器对特定细菌菌株表现出高选择性，能够检测复杂样品中的细菌菌株。此外，该平台的适应性还扩展到抗生素敏感性测试。

研究原理

图1 用于POC微生物检测的细菌引发的点击化学的概念图

如图1所示，铜还原菌，比如大肠杆菌，能够将外源的Cu²⁺还原为Cu⁺，生成点击化学反应所必需的催化离子。之后，：Cu⁺催化叠氮（azide）修饰的载玻片与炔烃（alkyne）修饰的AuNRs发生CuAAC反应，将AuNRs锚定在界面（图1 C）。在暗场显微镜下，单个的金纳米棒呈现出强散射信号，所以通过统计结合量就可以反推回细菌的浓度，实现铜还原菌的检测。在抗生素与细菌相互作用后，细菌活性受到抑制，导致 Cu 的还原能力降低。这降低降低了反应的效率，最终导致通过 DFM 观察到的 AuNR 数量减少（图1 D）。因此，该传感器有望作为细菌活力的指标，并作为药物筛选的宝贵工具。

研究亮点

图2 传感器检测性能

该传感器，在灵敏度、检测时间、稳定性等诸多方面存在优势。传感器的线性范围跨越6个数量级（10¹~10⁷ cells），检测限低至10个细菌（图2 A）！优于多数的荧光/化学传感器，并且该检测手段同时适用于革兰氏阳性菌和阴性菌，只要对铜具有还原性，皆可以实现检测及耐药性评估。

图3 实际样本检测与培养法对比

研究人员构建了一种细菌捕获器（图3 A），这种捕获器可以实现从血液样本中分离和富集特定的细菌，经过磁性分离后，使用DNase进行处理，将浓缩的细菌从磁性纳米颗粒中释放出来，然后再使用AuNRs-BICC进行检测。与培养法相比较，检测结果测得的细菌数量非常一致，并且细菌磁性富集分离、DNase触发释放和单粒计数的整个过程可在 3 小时内完成，满足临床 POC 传感的时间限制。

总结与讨论

此项研究提出了一种基于柠檬酸盐和炔烃改性金纳米棒（AuNRs）的新型微生物传感器（AuNRs-BICC），具有点击化学特性和卓越的生物相容性。这些 AuNRs为细菌定量、活力评估和药敏试验提供了一种独特的方法。该传感器利用细菌代谢过程来获取 Cu²⁺结合和还原，触发叠氮化物官能化的盖玻片表面和炔烃修饰的 AuNR 之间的点击化学反应。该反应通过暗场显微镜成像进行可视化，并通过细菌引发的点击化学进行单颗粒计数进行分析。AuNRs-BICC 传感器具有高效率和出色的生物相容性，干净的成像背景，快速（3 小时内）和灵敏的细菌定量（低至 10¹细胞）、活力评估和抗菌药物敏感性测试等诸多优点。与传统方法相比，这种 AuNRs-BICC 传感器在细菌感染的临床即时 （POC） 诊断、评估抗菌药物的有效性以及有助于减少细菌耐药性发生方面显示出巨大潜力。