ACS Cent. Sci. | 比色创可贴用于即时检测和治疗细菌感染

英文原题：Colorimetric Band-aids for Point-of-Care Sensing and Treating Bacterial Infection                            

通讯作者：赵传奇，曲晓刚，中国科学院长春应用化学研究所

作者：Yuhuan Sun (孙玉环)，Chuanqi Zhao (赵传奇)，Jingsheng Niu (牛京生)，Jinsong Ren (任劲松)，Xiaogang Qu (曲晓刚)

耐药菌种的加速出现和广泛发展对全世界人类健康构成严重的威胁。然而，商品化的抗生素因具有明确的抗菌机制，依旧是最为人们所接受的治疗方式。由于抗菌剂的“自淘汰”性质，如何合理利用现有抗生素，克服耐药性是当前抗菌领域的一个重要课题。

及早感知细菌感染并追踪耐药性的出现是选择抗菌方案的重要前提。一方面,为了检测到细菌感染,细菌独特的微环境(pH、毒力因子、酶等)对于研究者来说是很好的启示。其中,大多数致病菌通过糖代谢产酸常被用于细菌感染的检测。另一方面,为了追踪耐药性,耐药（DR）细菌产生的酶,尤其是β-内酰胺酶,通常用作标志物。由于β-内酰胺抗生素的广泛使用,因此β-内酰胺酶作为识别DR细菌的标记物具有普遍性和实用性。

受到世界卫生组织(WHO)在全球行动计划中对抵抗抗菌素耐药性的便携、低廉设备需求的启发，试纸型设备(PBD)是很有前途的抗菌平台。目前，具有“检测和治疗”功能的PBD的构建仍存在挑战。为此，中国科学院长春应用化学研究所曲晓刚研究团队开发了一种耐药性可视化创可贴，它能感知细菌耐药性并选择性地实施抗菌对策。对于药物敏感型(DS)细菌，作者利用了细菌糖代谢产生的酸：一方面，溴百里香酚蓝(BTB)响应感染部位的酸性环境，颜色由绿色(中性)变化为黄色(酸性)；另一方面，将负载抗生素的纳米材料用壳聚糖包裹(CP)，以引诱带负电的细菌并实现酸响应药物释放，利用化学疗法杀死DS细菌。对于DR细菌，在耐药细菌分泌的β-内酰胺酶的作用下，头孢硝噻的颜色从黄色变为红色。另外，一种基于卟啉的金属有机框架材料PCN-224，在光的照射下产生活性氧簇(ROS)，利用光动力疗法(PDT)杀死细菌且减弱其耐药性。通过精巧设计，作者将上述元素整合到纤维素纸上并制备了PBA(图1)。最终，通过颜色的变化即可判断是否存在耐药性细菌，然后区分选择治疗方案。作为例证，PBA能快速地检测(4 h)并有效地清除大肠杆菌(E. coli)的DS和DR菌株。

图1. PCN-224和PBA的制备及表征。

将50 μL的E. coli（DR或DS）溶液滴在试纸上，无论添加的是DS E. coli还是DR E. coli，PBA_{no nitrocefin}都会变为黄色，并且在浓度为10³ CFU/mL时，试纸发生可察觉的颜色变化(图2)。PBA在DR E. coli存在下由绿色变为红色，且细菌浓度越高，试纸越红。在10⁴ CFU/mL浓度下观察到可感知的红色信号，满足临床诊断的需求。因此，PBA的颜色可以指示细菌感染并提示耐药性，具有检测限低和特异性高的优点。

作者对选择性抗菌实验进行了优化。对于DS E. coli，其存活速率随着CP量的增加明显降低（图3）。对于DR E. coli，增大CP密度并没有显著降低其存活率，然而加入光照射后，其存活率显著降低。结果表明，仅化疗几乎能根除DS E. coli，然而只有化疗和PDT的结合可以有效地杀死DR E. coli。此外，作者还观察到，对试纸补充光照时，细菌的细胞壁明显破损，表明基于ROS的治疗对细菌细胞壁具有很强的破坏作用。为此，破坏细胞壁及其临近蛋白质的功能，进而有助于增强抗生素的化疗效果。

图2. PBA用于检测细菌感染及耐药性。

图3. 基于耐药性，PBA用于选择性抗菌治疗。

为了评估PBA用于耐药性可视化创可贴的潜力，作者选用背部有伤口的小鼠作为模型(图4)。伤口分别用DS E. coli和DR E.coli感染，并将PBA贴在伤口上4 h。对于DS E. coli引起的感染，所有试纸都表现出黄色，证明其作为细菌感染传感器的可行性。仅用PBA治疗的伤口在第三天几乎完全愈合。对于DR E. Coli引发的感染，创可贴变红表明其作为耐药性传感器的可行性。只有在光照和PBA联合治疗时，伤口才能较好得愈合，表明PDT和化疗结合对伤口愈合更有效。因此，PBA有望作为创可贴用于治疗伤口感染。

图4. PBA应用于小鼠伤口消毒。

本研究的相关结果已发表于ACS Central Science，并被Science Daily, Science Alert, Phys. Org, Medical daily, EurekAlert!, AAAS, The Medical News, Technology Networks, Sci-News等26家新闻媒体进行了报道。

本项目得到了National Nature Science Foundation of China (中国国家自然科学基金)和Key Program of Frontier of Sciences, CAS (中国科学院前沿科学重点研究项目)的支持。

ACS Cent. Sci. 2020, ASAP

PublicationDate: January 29, 2020

https://doi.org/10.1021/acscentsci.9b01104

Copyright© 2020 American Chemical Society

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