湖南大学蔡青云、冯欣欣ACS Appl. Nano Mate.：核-壳型纳米材料作为 NIR - II 荧光探针用于细菌靶向成像

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近年来，在近红外二区（NIR-II，1000−1700 nm）发射的荧光材料得到了迅速发展。与可见光或 NIR-I区（750−1000 nm）发射的荧光材料相比，NIR-II荧光材料具有更少的光散射和更大的光穿透深度，能够实现更高信噪比的成像应用。镧系掺杂纳米材料由于其具有可调且窄的发射光谱、高光稳定性和低细胞毒性等特性，在荧光检测、光治疗及生物成像等方面的应用前景日益广泛。在生物应用方面，细菌感染部位的靶向成像是实现细菌感染早期诊断的有效手段，是降低细菌感染死亡率的关键。目前镧系掺杂纳米材料在细菌感染成像方面的应用面临着探针靶向性差以及成像信噪比低等问题。近日，湖南大学化学化工学院蔡青云课题组与冯欣欣课题组在ACS Applied Nano Materials期刊上发表了题为“NaGdF₄:Nd@NaGdF₄ Core-Shell Down-Conversion Nanoparticles as NIR-II Fluorescent Probes for Targeted Imaging of Bacteria”的文章（DOI: 10.1021/acsanm.1c02769）。作者制备了核-壳型NaGdF₄:Nd@NaGdF₄ 下转换纳米材料（DCNPs）。该材料在808 nm 光激发下，在NIR-II有强发光。然后共价偶联万古霉素(Van)作为识体进行体内革兰氏阳性菌的成像分析。Van可以与革兰氏阳性菌细胞壁上D-Ala-D-Ala的末端肽特异性结合。基于NIR-II发光的优势以及Van对革兰氏阳性菌的选择性，该方案实现了体内革兰氏阳性菌的高信噪比及高选择性成像。

图1 (a) DCNPs-Van的合成路线；(b) 基于DCNPs-Van的体内革兰氏阳性菌靶向成像示意图。

图2 TEM 图：(a) OA-DCNPs（插图：HRTEM 图），(c) DCNPs-Van；粒径分布图：(b) OA-DCNPs，(d) DCNPs-Van。

图 3 在808 nm激光激发下的发光光谱：(a) NaGdF₄:5%Nd和NaGdF₄:5%Nd@NaGdF₄纳米材料，(b) NaGdF₄:xNd@NaGdF₄纳米材料(x = 1, 3, 5, 8, 10%), (c) 分散在环己烷中的OA-DCNPs和分散在水中的DCNPs-Van纳米材料; (d) Van，PAA-DCNPs及DCNPs-Van 的紫外可见吸收光谱。

通过透射电镜、红外光谱、紫外可见吸收光谱和X射线衍射等表征方式证明了DCNPs-Van的成功合成；通过引入惰性壳层及优化Nd³⁺离子的掺杂浓度，提高了纳米材料的NIR-II发光强度（图1-3）。

图 4 SEM 图：(a, b) 金黄色葡萄球菌（S. aureus）和 (c, d) DCNPs-Van 标记的S. aureus；在808 nm 激发下的NIR-II成像图：(e) S. aureus悬浮液，(h) 大肠杆菌（E. coli）悬浮液；不同细菌浓度下的NIR-II发光响应：(f) S. aureus悬浮液（插图：发光响应与细菌浓度对数的线性相关图），(g) S. aureus原始上清液，(i) E. coli悬浮液，(j) E. coli原始上清液。

图 5 PAA-DCNPs或DCNPs-Van静脉注射到不同小鼠模型后不同时间点的NIR-II图。(a) PAA-DCNPs在E. coli感染的ICR小鼠中的动态分布；(b) PAA-DCNPs在S. aureus感染小鼠中的动态分布；(c) DCNPs-Van在E. coli感染小鼠中的动态分布；(d) DCNPs-Van在S. aureus感染小鼠中的动态分布（1区域为PBS空白对照，2区域为细菌感染部位）；(e) 以上各组不同时间点炎症部位与正常组织的NIR-II发光强度比。

细菌体外特异性检测实验证明了DCNPs-Van纳米探针能特异性结合革兰氏阳性菌（图 4）；在对不同细菌感染的小鼠模型尾静脉注射纳米材料后，由NIR-II成像图可以看出，只有小鼠的S. aureus感染部位在注射6 h后显示出明显的NIR-II信号，且在24 h 内都可以明显区分于周围正常组织（图5）。通过细菌感染部位和PBS对照的平均信号比计算炎症部位与正常组织的发光强度比，在DCNPs-Van注射9 h后，S. aureus感染部位的发光强度比达到最大值3.9（图 5e）。因此，Van偶联的DCNPs可以实现体内革兰氏阳性菌S. aureus感染的靶向成像。

图 6 (a) NIH/3T3细胞经不同剂量DCNPs-Van处理后的相对细胞活力；(b) 静脉注射DCNPs-Van 3天和9天后小鼠切除器官的NIR-II图；(c) 未注射材料，以及注射DCNPs-Van 3天和9天后小鼠主要器官的H&E染色图（比例尺：100 μm）。

通过MTT实验及组织学分析证明了纳米探针具有良好的生物相容性和低毒性。用浓度高达1000 μg/mL 的DCNPs-Van处理的NIH/3T3细胞的细胞活力仍超过80%，表明DCNPs-Van没有显着的细胞毒性。对注射3 d 及9 d 后小鼠切除的主要器官进行NIR-II成像及组织学分析，注射3 d后只有肝脏表现出明显的NIR-II信号，9 d后肝脏中的荧光信号也基本消失，表明DCNPs-Van能通过正常肝脏代谢被有效消除。对切除的器官进行切片及H&E染色，与对照组相比，注射DCNPs-Van小鼠没有发生明显的器官损伤。

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https://doi.org/10.1021/acsanm.1c02769

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