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英國爵士/四院院士/牛津大學 Molly Stevens教授課題組 Nat. Commun.：非侵入性細菌感染檢測納米傳感器

2024-12-01 來源：高分子科技

金黃色葡萄球菌（包括耐甲氧西林菌株）是導致外科植入物相關感染的主要原因，通常形成難以清除的生物膜，增加治療難度和成本。現有檢測方法如細菌培養、PCR、ELISA等盡管敏感性和特異性較高，但需侵入性采樣，耗時長、成本高，并可能引入污染風險。為此，亟需開發一種非侵入性、原位檢測植入物感染的診斷方法，以實現更早期、更高效的感染識別。

鑒于此，牛津大學四院院士Molly Stevens教授課題組報道了一種非侵入性的體內細菌植入感染的生物檢測傳感器，該檢測系統利用金納米簇（AuNCs）的催化性能，將其封裝在對金黃色葡萄球菌毒素響應的脂質體中，通傳感器在細菌毒素作用下釋放AuNCs并生成比色信號，并在小鼠感染模型中驗證了其無創診斷植入物感染的有效性,該平臺具有廣泛應用潛力和成本優勢。

論文的第一作者為英國帝國理工博士（現為英國牛津大學博后）陳凱麗，通訊作者是牛津大學四院院士Molly Stevens教授、皇家墨爾本理工大學Irene Yarovsky教授、倫敦國王學院Adrian Najer助理教授，相關成果以“Non-invasive in vivo sensing of bacterial implant infection using catalytically- optimised gold nanocluster-loaded liposomes for urinary readout ”為題，發表在《Nature Communications》上。

文章要點

1)整體設計: 該傳感器基于金納米簇（AuNCs）的設計，將Au(III)還原為Au(0)后自組裝為谷胱甘肽（GSH）穩定的AuNCs，并進一步封裝于脂質體中形成傳感系統。以透明質酸（HA）水凝膠作為植入物模型，將載有AuNCs的脂質體嵌入凝膠中，用于測試有無細菌污染的狀態。當病原菌生長并分泌破壞脂質膜的毒素時，脂質體破裂，釋放AuNCs。釋放的AuNCs通過模擬腎過濾排入尿液，并在比色反應中催化TMB底物從無色變為藍色，從而通過尿液顏色變化指示植入物的細菌感染狀態。

圖一：金納米簇封裝的脂質體生物傳感器的設計及其檢測細菌植入感染的機制

2)對金納米簇（AuNCs）的優化、表征與模擬研究揭示了AuNCs的結構與催化特性。通過透射電子顯微鏡（TEM）圖像確定了AuNCs的尺寸，其最佳合成條件為金與谷胱甘肽（GSH）1:1.5和比例，pH 10的反應條件。催化實驗顯示，合成后AuNCs在不同pH反應條件下催化TMB氧化的活性存在顯著差異。全原子分子動力學模擬進一步研究了AuNCs在不同鹽濃度和pH條件下的行為，包括半徑變化、核心表面對小分子（水、過氧化氫、TMB）的可及性及活性位點的動態變化。結果顯示，AuNCs的活性口袋具有動態開合特性，與水的接近程度和分布狀態密切相關，為理解其催化機制提供了分子水平的細節支持。

圖二：金納米簇的優化、表征與模擬

3)該研究設計了AuNCs封裝的脂質體傳感器，通過將AuNCs封裝于由腦神經鞘磷脂（BSM）、磷脂酰膽堿（PC）、膽固醇（CH）、DSPE-PEG2k等組成的脂質體中形成檢測系統。通過尺寸排阻色譜（SEC）分離未封裝的AuNCs后，發現pH 10條件下的AuNCs催化活性最佳，其中100倍濃縮（2 mM）條件表現出最優性能。動態光散射（DLS）和Zeta電位測量表明，AuNCs封裝進脂質體顯著改變了脂質體的粒徑和表面電位，冷凍電鏡（Cryo-TEM）進一步驗證了AuNCs在脂質體中的成功封裝及其穩定性，為傳感器的高效性能提供了結構和催化基礎。

圖三：金納米簇封裝的脂質體傳感器的組裝與表征

4)研究展示了AuNCs封裝的脂質體對細菌毒素的體外響應及其表征。通過將不同配方的脂質體與細菌毒素孵育，結合TMB催化活性檢測和動態光散射（DLS）分析，發現脂質體的組分影響毒素誘導的AuNCs釋放效率。熒光相關光譜（FCS）表明，毒素處理導致脂質體的結構變化及AuNCs釋放，并通過分子亮度計算驗證了每個脂質體中的AuNCs數量。拉曼光譜分析（SPARTA®）進一步確認毒素誘導的脂質體磷脂酰膽堿水解，伴隨腦神經鞘磷脂轉化為神經酰胺和磷酸膽堿。研究結果表明，該傳感器能夠通過檢測AuNCs釋放及膜組分變化，實現對細菌毒素的靈敏響應。

圖四：由不同脂質配方組成的金納米簇封裝脂質體對細菌毒素的體外響應

5)研究還展示了AuNCs封裝的脂質體與細菌體外孵育及其表征。通過與金黃色葡萄球菌共同孵育并分離釋放的AuNCs，觀察到細菌的生長曲線與活菌計數一致。TMB氧化反應檢測表明，細菌的存在顯著提高了AuNCs釋放的催化活性，吸光度和反應速率均呈時間依賴性增強，直觀證實細菌分泌毒素對脂質體的破壞效應。此外，MTS細胞活力測試表明AuNCs和AuNCs封裝的脂質體對RAW 264.7細胞具有良好的生物相容性，支持其作為細菌檢測傳感器的潛力。

圖五：金納米簇封裝的脂質體與細菌的體外共培養及細菌生長表征

6)研究展示了基于AuNCs封裝的脂質體傳感系統的比色檢測方法，用于識別細菌感染狀態。首先，在體外HA水凝膠植入物感染模型中，脂質體傳感器在金黃色葡萄球菌污染條件下，釋放AuNCs并觸發TMB比色反應，結果顯示反應速率隨孵育時間（0至48小時）的延長而顯著提升。在小鼠急性植入物感染模型中，通過腹腔注射混有傳感器的HA水凝膠，與或不含金黃色葡萄球菌污染的對照組比較，感染組尿液中收集的TMB比色反應顯示顯著增強的催化活性，進一步驗證了傳感器的高靈敏度及其在感染檢測中的潛力。

圖六：實現細菌感染狀態比色讀出的金納米簇脂質體傳感系統

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53537-2

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（責任編輯：xu）

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