研究突破：新型荧光探针助力超灵敏检测结核分枝杆菌

结核病（TB）是由结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis, Mtb）引起的一种严重传染病，全球每年约有1,060万新发病例和130万死亡病例。快速、灵敏地检测Mtb对于结核病的诊断和治疗至关重要。

细菌需要铁元素才能生存，而Mtb通过分泌铁载体（如羧基分枝菌素和分枝菌素）从宿主细胞中获取Fe³⁺离子。IrtAB是一种异二聚体ABC转运蛋白，负责将铁载体-铁复合物（MbT-Fe和cMbT-Fe）转运到细菌细胞内，并将Fe³⁺还原为可溶性的Fe²⁺供细菌利用。研究人员利用这一机制，开发了新型荧光探针N14G和N14G-Fe，通过将荧光团与IrtAB的配体MbT结合，实现了对Mtb的超灵敏检测。

研究内容

图 1 IrtAB铁转运机制及探针工作原理

如图1A展示了MbT（分枝菌素）和cMbT（羧基分枝菌素）的结构。研究团队以天然分枝杆菌铁载体（mycobactin）为模板，合成了荧光探针N14G及其铁螯合物N14G-Fe。通过靶向IrtAB铁转运蛋白，探针可特异性进入分枝杆菌。N14G-Fe在胞外被Fe³⁺淬灭荧光，进入细菌后因Fe²⁺释放而重新激活，实现“开-关”荧光切换。

图 2 分枝杆菌铁载体-荧光团偶联物（MbTFCps）的表征

图2展示了合成的MbT衍生物、荧光团及其对应的MbTFCps的化学结构。图中还包括流式细胞仪分析结果，显示不同探针对M.smegmatis的标记效果，以及不同浓度和孵育时间下的荧光强度变化。

结果显示，N14G可在5分钟内检测到浓度低至1-10nM的耻垢分枝杆菌（M.smegmatis），对结核分枝杆菌H37Rv株的检测限达34菌落形成单位（CFU），且信号持续24小时。相比传统方法（需1-12小时），该探针在10分钟内即可完成结核分枝杆菌BCG株和临床分离株的标记。

图 3 N14G-Fe的荧光特性与生物学测试

研究人员发现，N14G-Fe在外部环境中由于Fe³⁺的猝灭作用而不发光，但在进入Mtb细胞后，Fe³⁺被还原为Fe²⁺并释放，荧光得以重新激活。这一特性使得N14G-Fe能够在无需洗涤步骤的情况下直接对Mtb进行成像检测。通过分子对接实验，研究人员进一步揭示了N14G和N14G-Fe与IrtAB的相互作用机制，证实了IrtAB在转运和激活荧光探针中的关键作用。

研究人员利用分子对接揭示N14G与IrtAB的结合模式，并通过基因敲除实验证实IrtAB为特异性转运蛋白，最后还进行了竞争性实验验证探针与天然铁载体的相互作用。 

图 4 临床痰液样本检测结果示意图

该研究还成功将N14G和N14G-Fe应用于临床样本检测。在对11例结核病患者的痰液样本进行检测时，N14G和N14G-Fe均能快速、特异地检测出Mtb，且检测限显著优于传统方法。这一成果为结核病的快速诊断提供了新的工具，有望改善结核病患者的管理和治疗效果。

该研究开发的基于IrtAB铁转运机制的荧光探针，不仅实现了对Mtb的超灵敏检测，还为开发新型结核病诊断工具提供了新的思路。通过深入研究铁载体与铁转运蛋白的相互作用，未来有望进一步优化探针性能，拓展其在临床诊断中的应用范围，为结核病的早期诊断和精准治疗提供有力支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acscentsci.4c00676