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编辑：缪伊雯/ 主编：张大川、蒋羽鸽/ 学术顾问：寇兴然
【食品安全与检测】版主：张震/ 学术编辑 姜名荻
【食品新思路】Adv. Funct. Mater.（IF = 18.5）：适配体共轭聚二乙炔/聚氨酯纳米纤维生物传感器应用于假单胞菌的选择性原位比色检测
Advanced Functional Materials
●铜绿假单胞菌是一种主要的机会性伤口病原体，也是慢性伤口和烧伤伤口中最常见的细菌之一。开发一种铜绿假单胞菌伤口感染的即时检测方法将为医疗保健提供宝贵的工具。即时检测可促进及时有效地治疗，最终改善患者的治疗效果并降低抗生素耐药性的风险。加拿大曼尼托巴大学生物医学工程系的Song Liu团队近日在在国际著名期刊Advanced Functional Materials（IF = 18.5）发表了文章“Next‐Generation Wound Care: Aptamer‐Conjugated Polydiacetylene/Polyurethane Nanofibrous Biosensors for Selective In Situ Colorimetric Detection of Pseudomonas”。本文报道了一种用于检测铜绿假单胞菌的聚二乙炔基电纺纳米纤维伤口敷料。使用传统的共混静电纺丝，将两种二乙炔单体（10,12-二十五碳二炔酸（Pentacosadiynoic acid, PCDA）和10,12-二十三碳二炔酸（Tricosadiynoic acid, TCDA））与作为支撑基质聚合物的聚氨酯一起单独进行静电纺丝。此外，将两个DNA适体与聚二乙炔缀合以实现铜绿假单胞菌的靶向检测。
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成果介绍
(1) 适体修饰的聚二乙炔纳米纤维膜的制备
聚二乙炔纳米纤维通过将二乙炔单体与聚氨酯（Polyurethane, PU）支撑基质聚合物混合电纺丝而成。二乙炔单体的自组装发生在电纺丝过程中，这有助于单体在电纺丝后通过1,4-加成反应进行紫外聚合。扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）表明形成的纤维具有光滑的表面形态和连续的纤维结构，没有串珠的迹象。PCDA和TCDA的纺丝未改性膜的平均纤维直径分别为120 ± 53 nm和117 ± 39 nm。小纤维直径适合用作诊断生物传感器，因为较高的比表面积增加了细菌和纤维表面相互作用的可能性。之后，为了实现对铜绿假单胞菌的靶向检测，用两种对铜绿假单胞菌具有很高结合亲和力的适体（F23和St21Lp17）修饰聚二乙炔纳米纤维（图1）。
图1. 适体结合之前和结合之后的电纺纳米纤维的SEM图像。
(2) 适体修饰的聚二乙炔纳米纤维膜对铜绿假单胞菌的比色反应
将适体修饰的聚二乙炔纳米纤维膜与不同铜绿假单胞菌株的菌毛直接接触进行测试，以分析响应适体细菌靶标的颜色变化速率和幅度（图2）。适体修饰的PCDA膜在接触低浓度目标菌株铜绿假单胞菌ATCC 27853 3小时后产生强烈反应，但在与7种测试的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌菌株的非目标菌苔直接接触3小时内并未出现完全的颜色变化。此外，作者在将聚二乙炔纳米纤维膜暴露于铜绿假单胞菌之前和之后，用GretagMacbeth ColorEye 2180UV分光光度计测量膜的反射光谱，以量化纳米纤维与细菌直接接触时的颜色变化响应（图3）。结果表明，含有未改性PCDA的膜在与铜绿假单胞菌ATCC 27853接触5小时后，反射率没有发生显著变化。相反，适体修饰的P-F23和P-St21Lp17均在640 nm（红色）处的反射率逐渐增加，在1-5小时的接触过程中，反射率从360-540 nm（蓝色）降低，并伴有从蓝色到红色的颜色变化。共轭系统由于相互作用引发的骨架旋转而缩短，HOMO-LUMO带隙变宽，从而使聚合物吸收更高能量（更短波长）的光，导致观察到蓝色到红色的颜色变化。适体与侧链的结合为颜色变化机制引入了一个新维度。当适体与目标细菌结合时，大分子适体-细菌复合物会产生空间位阻，破坏聚二乙炔侧链的堆积。这种额外的细菌特异性破坏放大了骨架扭转和颜色变化，因此用适体修饰的PCDA膜具有更高的灵敏度和特异性。而TCDA与PCDA相比，其侧链长度较短，这降低了尾部之间的分散相互作用强度。因此，对于基于TCDA的聚二乙炔诱导主链扭转和随后的蓝色到红色颜色变化的能量屏障较低，而适体结合不会导致颜色变化灵敏度的提高。以上研究结果表明，适体修饰是一种很有前途的策略，可以提高菌株水平上细菌比色检测的特异性，并提高聚二乙炔的颜色变化灵敏度。此外，可以根据传感器的期望行为对聚二乙炔的侧链结构进行设计，以提高灵敏度或改善聚二乙炔的稳定性，以防止对非目标细菌菌株变色。
图2. 聚二乙炔基电纺纳米纤维膜暴露于各种铜绿假单胞菌菌株3小时后的颜色变化。
图3. 与浓度为 4.8 ± 2.1 × 107 CFU/cm2的铜绿假单胞菌菌苔（ATCC 27 853）直接接触0-5小时内适体结合膜的反射光谱。
● 创新性/应用前景
本文开发了一种新型的适体修饰聚二乙炔电纺纳米纤维膜，此膜能够通过肉眼可见的颜色变化实现对铜绿假单胞菌的高灵敏度快速检测，为开发高特异性细菌生物传感器提供了一个有前途且多功能的平台。该系统可以拓展到各个领域对原位细菌的检测，例如：临床医学和医疗保健中的快速感染诊断；食品安全和质量控制过程中食源性病原体的检测；饮用水质量的监测；以及早期检测生物威胁剂等。
参考文献
https://doi.org/10.1002/adfm.202403440
荐稿人
姜名荻，美国马萨诸塞大学阿默斯特分校博士
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