英国爵士/四院院士/牛津大学 Molly Stevens教授课题组 Nat. Commun.：非侵入性细菌感染检测纳米传感器

2024-12-01 来源：高分子科技

金黄色葡萄球菌（包括耐甲氧西林菌株）是导致外科植入物相关感染的主要原因，通常形成难以清除的生物膜，增加治疗难度和成本。现有检测方法如细菌培养、PCR、ELISA等尽管敏感性和特异性较高，但需侵入性采样，耗时长、成本高，并可能引入污染风险。为此，亟需开发一种非侵入性、原位检测植入物感染的诊断方法，以实现更早期、更高效的感染识别。

鉴于此，牛津大学四院院士Molly Stevens教授课题组报道了一种非侵入性的体内细菌植入感染的生物检测传感器，该检测系统利用金纳米簇（AuNCs）的催化性能，将其封装在对金黄色葡萄球菌毒素响应的脂质体中，通传感器在细菌毒素作用下释放AuNCs并生成比色信号，并在小鼠感染模型中验证了其无创诊断植入物感染的有效性,该平台具有广泛应用潜力和成本优势。

论文的第一作者为英国帝国理工博士（现为英国牛津大学博后）陈凯丽，通讯作者是牛津大学四院院士Molly Stevens教授、皇家墨尔本理工大学Irene Yarovsky教授、伦敦国王学院Adrian Najer助理教授，相关成果以“Non-invasive in vivo sensing of bacterial implant infection using catalytically- optimised gold nanocluster-loaded liposomes for urinary readout ”为题，发表在《Nature Communications》上。

文章要点

1)整体设计: 该传感器基于金纳米簇（AuNCs）的设计，将Au(III)还原为Au(0)后自组装为谷胱甘肽（GSH）稳定的AuNCs，并进一步封装于脂质体中形成传感系统。以透明质酸（HA）水凝胶作为植入物模型，将载有AuNCs的脂质体嵌入凝胶中，用于测试有无细菌污染的状态。当病原菌生长并分泌破坏脂质膜的毒素时，脂质体破裂，释放AuNCs。释放的AuNCs通过模拟肾过滤排入尿液，并在比色反应中催化TMB底物从无色变为蓝色，从而通过尿液颜色变化指示植入物的细菌感染状态。

图一：金纳米簇封装的脂质体生物传感器的设计及其检测细菌植入感染的机制

2)对金纳米簇（AuNCs）的优化、表征与模拟研究揭示了AuNCs的结构与催化特性。通过透射电子显微镜（TEM）图像确定了AuNCs的尺寸，其最佳合成条件为金与谷胱甘肽（GSH）1:1.5和比例，pH 10的反应条件。催化实验显示，合成后AuNCs在不同pH反应条件下催化TMB氧化的活性存在显著差异。全原子分子动力学模拟进一步研究了AuNCs在不同盐浓度和pH条件下的行为，包括半径变化、核心表面对小分子（水、过氧化氢、TMB）的可及性及活性位点的动态变化。结果显示，AuNCs的活性口袋具有动态开合特性，与水的接近程度和分布状态密切相关，为理解其催化机制提供了分子水平的细节支持。

图二：金纳米簇的优化、表征与模拟

3)该研究设计了AuNCs封装的脂质体传感器，通过将AuNCs封装于由脑神经鞘磷脂（BSM）、磷脂酰胆碱（PC）、胆固醇（CH）、DSPE-PEG2k等组成的脂质体中形成检测系统。通过尺寸排阻色谱（SEC）分离未封装的AuNCs后，发现pH 10条件下的AuNCs催化活性最佳，其中100倍浓缩（2 mM）条件表现出最优性能。动态光散射（DLS）和Zeta电位测量表明，AuNCs封装进脂质体显著改变了脂质体的粒径和表面电位，冷冻电镜（Cryo-TEM）进一步验证了AuNCs在脂质体中的成功封装及其稳定性，为传感器的高效性能提供了结构和催化基础。

图三：金纳米簇封装的脂质体传感器的组装与表征

4)研究展示了AuNCs封装的脂质体对细菌毒素的体外响应及其表征。通过将不同配方的脂质体与细菌毒素孵育，结合TMB催化活性检测和动态光散射（DLS）分析，发现脂质体的组分影响毒素诱导的AuNCs释放效率。荧光相关光谱（FCS）表明，毒素处理导致脂质体的结构变化及AuNCs释放，并通过分子亮度计算验证了每个脂质体中的AuNCs数量。拉曼光谱分析（SPARTA®）进一步确认毒素诱导的脂质体磷脂酰胆碱水解，伴随脑神经鞘磷脂转化为神经酰胺和磷酸胆碱。研究结果表明，该传感器能够通过检测AuNCs释放及膜组分变化，实现对细菌毒素的灵敏响应。

图四：由不同脂质配方组成的金纳米簇封装脂质体对细菌毒素的体外响应

5)研究还展示了AuNCs封装的脂质体与细菌体外孵育及其表征。通过与金黄色葡萄球菌共同孵育并分离释放的AuNCs，观察到细菌的生长曲线与活菌计数一致。TMB氧化反应检测表明，细菌的存在显著提高了AuNCs释放的催化活性，吸光度和反应速率均呈时间依赖性增强，直观证实细菌分泌毒素对脂质体的破坏效应。此外，MTS细胞活力测试表明AuNCs和AuNCs封装的脂质体对RAW 264.7细胞具有良好的生物相容性，支持其作为细菌检测传感器的潜力。

图五：金纳米簇封装的脂质体与细菌的体外共培养及细菌生长表征

6)研究展示了基于AuNCs封装的脂质体传感系统的比色检测方法，用于识别细菌感染状态。首先，在体外HA水凝胶植入物感染模型中，脂质体传感器在金黄色葡萄球菌污染条件下，释放AuNCs并触发TMB比色反应，结果显示反应速率随孵育时间（0至48小时）的延长而显著提升。在小鼠急性植入物感染模型中，通过腹腔注射混有传感器的HA水凝胶，与或不含金黄色葡萄球菌污染的对照组比较，感染组尿液中收集的TMB比色反应显示显著增强的催化活性，进一步验证了传感器的高灵敏度及其在感染检测中的潜力。

图六：实现细菌感染状态比色读出的金纳米簇脂质体传感系统

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53537-2

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（责任编辑：xu）

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