细菌感染可能会迅速扩散并导致严重的并发症，从而带来重大的健康风险。可喜的是，近年来随着活体成像技术的不断发展，特别是NIR-II（900–1700 nm）能够穿透更深的组织，以及最大限度减少来自生物组织的光子散射，从而达到优异的成像效果。然而，使用NIR-II探针进行体内细菌感染成像缺乏足够的研究。因此，当务之急是开发一种精确的诊断策略，能够在NIR-II内实现细菌感染的体内检测。
碳化聚合物点（CPDs）是一类新兴的碳点（CDs），以其卓越的光学特性、优异的光电子转移特性和出色的生物相容性而著称。基于其独特的结构特性和光学特性，CPDs具有良好的成像潜力；此外，CPDs还因其出色的光电转换特性可以有效地吸收光子以产生活性氧（ROS），从而显示出抗菌特性。目前，医学研究往往集中在多功能纳米材料的开发上，因此，能够同时提供成像和抗菌能力的纳米材料对于推进医疗技术和患者护理至关重要。
鉴于此，吉林大学朱守俊教授、吉林大学口腔医学院孟维艳教授以及蔡青副教授提出了一种利用近红外碳化聚合物点（NIR-CPDs）进行体内成像和治疗细菌感染的策略（图1）。
作者前期工作中通过将吲哚发色团共价连接到碳质/交联聚合物核的主链上合成了NIR-CPDs，得到了一个能发出近红外光的大的π共轭体系（Adv. Sci. 2022, 9, e2203474.）。
作者研究证实NIR-CPDs可以在细菌环境中有效地整合到细菌细胞膜上，减少分子旋转，从而提高NIR-CPDs的荧光强度和光稳定性。基于这一发现，NIR-CPDs成功地在NIR-II成像窗口内用于准确的体内细菌感染检测。此外，NIR-CPDs在808 nm激光照射下表现出明显的光动力学效应，可产生能够破坏细菌外膜的活性氧（ROS）。当NIR-CPDs应用于小鼠模型的感染伤口时，表现出显著的治疗效果。
图1. 使用NIR-CPDs诊断和治疗细菌感染的示意图。
作者前期的研究中，合成了一种具有良好光稳定性的NIR-II 区碳化聚合物点。后续实验表明，NIR-CPDs 在细菌环境中表现出荧光强度增强的现象，尤其在S. aureus中荧光增强现象更为显著（图2a-c），并且研究表明NIR-CPDs在细菌环境中具有超高的光稳定性（图2d-e）。此外，作者发现NIR-CPDs具有良好的光动力学特性，在高功率808nm激光照射下可有效产生ROS（图2f-h），EPR检测结果显示，NIR-CPDs在光照下可有效产生1O2、 •OH 和 •O2−（图2i-k），因此其同样具有优异的抗菌潜力。
图2. NIR-CPDs的光物理性质。
此外，作者研究了NIR-CPDs在体内细菌成像中的潜在用途。在小鼠细菌感染部位和健康部位原位注射NIR-CPDs后，作者发现左侧感染区域内NIR-II信号的强度显着增加；而在右侧的健康区域内NIR-II 信号微弱（图3e-g）。根据 NIR-II 成像结果，NIR-CPDs 在遇到细菌感染部位时亮度增加，亮度值比健康组织的亮度高 2.9 倍（图3h）。
图3. NIR-CPDs特异性标记细菌用于NIR-II成像。
为了进一步阐明上述实验中出现的这种选择性背后的机制，作者采用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）在微观水平上鉴定NIR-CPDs和细菌之间的相互作用位点（图4a）。观察结果表明，NIR-CPDs可以成功标记细菌的细胞壁，而在同一环境中共培养的S. aureus和E. coli，表现出对S. aureus的特异性标记，而E. coli只能在明场条件下才可观察。
由于革兰氏阴性菌与革兰氏阳性菌的区别在于细菌细胞壁中的的肽聚糖（PGN）层的结构和组成不同，因此，作者假设NIR-CPDs亮度的变化和不同细菌种属之间的差异可归因于细菌外膜的结构差异。随后作者利用S. aureus和E. coli来源的肽聚糖与NIR-CPDs共培养（图4b）。NIR-CPDs亮度随着S. aureus来源的 PGN 浓度的增加而增加。然而，在源自E. coli的 PGN 中则没有（图4c）。
为了阐明 NIR-CPDs在与革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌相互作用时荧光特性不同的机制，作者进行了分子模拟的研究（图4d-f）。由于将 NIR-CPDs 嵌入致密的 PGN 中会限制分子内部旋转运动，且由于细菌的大量聚集，观察到荧光强度急剧增加。然而，在E. coli环境中，NIR-CPDs与E. coli PGN的结合能力较低，导致荧光强度较低。考虑E. coli外膜双层磷脂膜的结构特点，影响了NIR-CPDs 与PGN的直接作用。因此，NIR-CPDs在E. coli环境中的荧光强度较低。
图4. NIR-CPDs特异性标记细菌的机制。
鉴于NIR-CPDs具有优异的光动力学特性，因此作者进一步探究了其抗浮游菌和抑制生物膜的特性（图5）。结果表明，NIR-CPDs在暴露于近红外激光照射时会对细菌结构造成不可逆的损害，表现出显着的广谱抗菌特性。
图5. NIR-CPDs的体外抗菌性能。
在体外细菌成像取得了较理想结果的基础上，作者研究了NIR-CPDs在体内细菌感染中的潜在用途。本研究采用S. aureus感染成功建立小鼠皮下感染模型、小鼠肌肉内感染模型以及皮肤创口感染模型，用来评估NIR-CPDs对体内感染的成像作用以及体内感染的治疗作用（图6）。
体内细菌感染成像的结果显示，NIR-CPDs可有效的“寻找”不同深度的感染部位，从而为临床诊断感染性提供了新的视角。同时，进一步探究其在促进伤口愈合和对抗细菌感染方面的有效性。结果表明，NIR-CPDs联合NIR PDT治疗，有效杀灭且抑制了细菌对创口的影响、促进了伤口的快速愈合且促进毛囊的生长。
图6. 体内感染NIR-II成像和NIR-CPDs的抗菌效果。
作者的研究表明，NIR-CPDs在细菌环境中表现出显著的荧光信号增强并保持良好的光稳定性。这种增强是NIR-CPDs和细菌细胞相互作用的直接结果。因此，这些显著的光学特性为体内细菌感染的有效成像提供了见解，为临床感染的诊断和治疗提供了一种精确和无创的新方法。此外，作者证实了NIR-CPDs的特殊光动力效应和有效的抗菌性能，表明了它们在伤口感染治疗中的潜力。值得注意的是，作者的研究揭示了NIR-CPDs与各种细菌菌株的特异性结合，为未来的细菌鉴定技术提供了新的见解。总之，NIR-CPDs在诊断和治疗细菌感染方面具有广泛的潜力，是常规临床环境中必不可少的工具，值得进一步研究和推广使用。
该工作得到了国家自然科学基金项目(No. 82301131)、吉林省发展和改革委员会项目(2023C041-3)、吉林省财政厅科技项目(JCSZ2023481-14)和吉林大学白求恩项目(2023B27)资助。
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https://doi.org/10.1002/adhm.202401131
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*本文为课题组供稿。
