植入物相关感染是医疗领域的重要挑战，尤其是金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）等病原体引起的感染，常导致高发病率和死亡率。传统诊断方法如细菌培养、PCR、ELISA和质谱分析存在局限性：它们通常需要侵入性采样（如组织活检或植入物移除），耗时较长（培养需数天），且依赖专业设备和实验室支持，成本高昂，难以在资源有限环境中应用。此外，这些方法易产生假阳性结果，且无法实现实时监测。细菌感染往往在出现明显症状时才被检测到，此时可能已形成生物膜，治疗困难，需移除植入物，增加患者负担。因此，开发非侵入性、快速、低成本诊断工具迫在眉睫。

近年来，利用细菌毒力因子（如孔形成毒素、酶和表面蛋白）的活性来设计传感器成为新兴方向。细菌毒素能破坏细胞膜，为脂质体基传感器提供基础。脂质体具有细胞膜类似结构，可通过掺入细菌敏感脂质（如鞘磷脂）实现特异性响应。同时，超小金纳米簇（AuNCs，尺寸1-5nm）因其生物相容性、肾清除性和催化活性（如过氧化物酶样活性），在生物传感中展现出潜力。AuNCs可通过尿液排出，使尿液读出成为简单、非侵入性诊断手段。先前研究已利用AuNCs开发癌症检测传感器，但催化活性和应用范围有限。本研究通过优化AuNCs合成条件（如pH、金属-配体比），增强其催化性能，并封装于脂质体中，构建响应细菌毒素的传感器。该平台结合脂质体的毒素响应性和AuNCs的催化放大信号，旨在实现植入物感染的早期、实时监测，为个性化医疗提供新工具。

图1.负载aunc的脂质体生物传感器设计及细菌植入物感染检测机制研究。

研究内容

本研究首先优化了AuNCs的合成条件，以增强其过氧化物酶样催化活性。通过调整金属（金vs.铂）、金属-谷胱甘肽（GSH）比例、还原剂和溶剂等参数，发现金基纳米簇在弱还原条件下（70°C，pH10，Au:GSH比例为1:1或1:1.5）表现出最优催化活性，比先前报道的pH2合成AuNCs活性提高33.5倍。透射电镜（TEM）显示优化后AuNCs平均尺寸为1.7±0.4nm，低于肾清除阈值（5.5nm），确保其可通过尿液高效排出。检测限（LoD）实验表明，优化AuNCs在合成尿液中的LoD为0.028pmol，比旧版本降低83倍，灵敏度显著提升。紫外-可见光谱和热重分析（TGA）证实合成条件不影响AuNCs组成稳定性。分子量分析（MALDI-TOF）显示pH10和pH2合成AuNCs分子量相似，表明催化增强源于表面性质（如配体排列或金氧化态）而非尺寸变化。催化测试在模拟体内环境（中性pH）和assay条件（酸性pH）下进行，优化AuNCs在复杂生理环境中保持>80%活性，突出了其稳健性。该优化为高灵敏度诊断奠定了基础。

图2.AuNC的优化、表征和仿真

脂质体传感器通过将优化AuNCs封装于脂质体中构建，脂质成分包括脑鞘磷脂（BSM）、磷脂酰胆碱（PC）、胆固醇（CH）、DSPE-PEG2k和阳离子脂质DOTAP，以模拟红细胞膜组成（BSM:PC:CH质量比1:1:1）。尺寸排阻色谱（SEC）纯化后，ICP-MS测定封装效率为2.5%，每个脂质体平均负载>100个AuNCs。动态光散射（DLS）显示脂质体尺寸约120nm，zeta电位中性至略负。冷冻电镜（cryo-TEM）证实脂质体结构完整，AuNCs成功封装。催化活性测试表明，负载高浓度AuNCs（2mM）的脂质体信号最强。与阳离子脂质DOTAP的对比显示，1:1:1配方在稳定性和响应性上最优。该传感器在细菌培养基中保持稳定，为体外和体内应用提供基础。

图3.负载aunc的脂质体传感器的组装与表征。

脂质体传感器对金黄色葡萄球菌毒素的响应通过体外实验验证。将传感器与S. aureusSH1000菌株的毒素上清液孵育，离心过滤后收集释放的AuNCs，进行TMB显色assay。结果显示，BSM:PC:CH（1:1:1）配方对毒素最敏感，释放效率达74%。DLS表明毒素添加后脂质体尺寸和浓度下降。荧光相关光谱（FCS）分析证实，毒素处理使脂质体扩散性变为自由AuNCs模式，99%的AuNCs被释放。单粒子拉曼光谱（SPARTA®）显示毒素处理后，脂质体717cm⁻¹峰（胆碱基团）强度降低，表明鞘磷脂被水解为神经酰胺和磷酸胆碱，导致膜破裂。该实验证实传感器特异性响应细菌毒素，且信号放大高效。

图4.不同脂质配方载aunc脂质体的体外细菌毒素反应。

为模拟临床场景，将传感器与S. aureus活菌共孵育。细菌生长曲线显示，1:100稀释菌液在5小时内达10^8CFU/mL。TMB assay显示，孵育3小时后尿液样本变蓝，5小时信号最强，表明细菌毒素导致脂质体裂解释放AuNCs。而无菌TSB对照组无信号，证明传感器稳定性。细胞毒性实验（MTS）表明传感器和AuNCs对RAW264.7细胞无毒性，生物相容性良好。该部分验证了传感器在更真实环境中的有效性。

图5.载aunc脂质体细菌的体外培养及细菌生长的表征

通过小鼠急性感染模型验证体内性能。将传感器负载的HA凝胶（含或不含S. aureus）腹腔注射，4小时后收集尿液。TMB动力学assay显示，感染组（BI）尿液吸光度上升，而健康对照组（HC）无变化，onsetvelocity显著差异（p=0.0022）。肾清除实验证实i.p.注射后AuNCs可尿液排出，但效率低于i.v.注射。传感器在体内48小时内稳定，无假阳性。该实验证明平台可实现非侵入性感染检测，为即时诊断铺平道路。

图6.aunc脂质体传感系统，使细菌感染状态的比色读出。

本研究成功开发了一种非侵入性生物传感器平台，通过优化AuNCs催化活性和脂质体组成，实现了植入物细菌感染的早期检测。AuNCs合成条件的优化使其催化活性提升33.5倍，检测限降低83倍，MD模拟从原子层面揭示了配体动态允许反应物访问活性位点。脂质体传感器对S. aureus毒素响应灵敏，体外和体内实验均证实其有效性：在HA凝胶模型中，传感器能特异性检测细菌污染，并通过尿液显色读出。该平台优势在于简单、低成本、无需专业设备，适用于资源有限环境。未来工作可进一步优化传感器灵敏度和滞留时间，并扩展至其他感染模型。总体而言，这项技术有望革新医疗实践，为感染监测提供实时工具，减少并发症风险。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-018-06397-6