抗生素耐药性的出现对全球健康构成了巨大挑战。特别是，致病菌中β-内酰胺酶（bla）的表达导致细菌对β-内酰胺类抗生素产生严重耐药性，大大削弱了用于治疗传染病的最广泛使用的一类治疗剂的有效性。此外，许多β-内酰胺酶基因在质粒中编码。这些环状DNA分子可以很容易地在细菌之间转移，从而使抗生素耐药性在不同种类的细菌病原体之间迅速传播。为了减少由β-内酰胺酶引起的抗生素耐药性，需要在多个层面实施许多策略，包括开发新型抗菌剂或新的β-内酰胺酶抑制剂来逆转对β-内酰胺抗生素的耐药性，以及在早期细菌感染中进行即时诊断的方法。这些研究面临的一个重大挑战是缺乏一种以非侵入性方式观察体内细菌感染的敏感和准确的方法，这种方法可以提供有关感染动力学、宿主免疫反应和抗菌治疗有效性的关键信息。
传统的细菌检测依赖于培养和菌落计数的方法，不仅费时费力，而且无法实现实时、连续的检测。已经开发了许多基于荧光的试剂，作为细菌感染体内成像的非侵入性工具，这些试剂利用抗生素、糖分子、硼酸或抗体作为细菌识别部分。然而，大多数这些分子在与目标细菌相互作用时缺乏放大荧光信号的能力，从而限制了检测灵敏度。鉴于β-内酰胺类抗生素的水解具有极高的催化效率，细菌中β-内酰胺酶的表达在促进抗生素耐药性的同时，也为报道甚至选择性地根除活生物体中的耐药细菌提供了独特的机会。自1998年钱学森小组的开创性工作以来，迄今为止已经开发了大量的β-内酰胺酶荧光底物。大多数试剂在溶液检测β-内酰胺酶活性时被证明是高度敏感和选择性的。然而，利用荧光探针监测活体动物的细菌感染仍然具有挑战性，这在很大程度上归因于β-内酰胺酶是一种主要位于细菌质周空间或排泄的酶，以及活体动物的复杂性和动态性。
探针BIN-3的化学结构以及通过亲水性开关和自固定设计在表达bla的耐药细菌中激活和富集近红外探针（图源自Advanced Science）
利用荧光探针对活体动物中β-内酰胺酶活性的成像，特别是通过静脉给药，不仅依赖于靶酶激活后荧光强度的增强（如体外试验），而且取决于激活的荧光团在感兴趣部位的有效保留（理想情况下是富集）。此外，这些显像试剂必须具有足够的亲水性，以便于通过静脉给药输送到检测部位。此外，近红外（NIR）区域的激发/发射对于用于体内成像的试剂也至关重要，这有助于最大限度地减少自荧光的干扰，并实现更深的组织穿透。CNIR系列探针是第一类已被证明与活体动物β-内酰胺酶活性成像兼容的探针。这些类型的β-内酰胺酶底物使用高度亲水的近红外荧光团和猝灭剂来报告酶的活性和完全乙酰化的D-氨基葡萄糖，以增强活性荧光团在检测位点的保留。然而，这些结构复杂的探针在生物学研究中的进一步应用在很大程度上受到合成挑战的限制。最近，有研究小组报道了一种结构简洁的β-内酰胺酶近红外荧光探针CySG-2，但该试剂似乎只能与活体小鼠局部给药相容，可能与探针的亲水性极低有关。
研究将传统的β-内酰胺酶可激活荧光探针的设计与基于醌（QM）的自固定策略和亲水性开关设计相结合，阐述了一种用于活体小鼠细菌感染成像的新型β-内酰胺酶近红外荧光探针。该试剂除了与传统荧光探针一样，经β-内酰胺酶选择性水解后荧光发射增强外，还可通过改变亲水性，与细菌中的大分子形成共价键，在β-内酰胺酶表达的细菌中有效富集。这些特点使其在体内成像中特别具有吸引力。研究已经证明，这种亲水性可切换、自固定、近红外荧光探针在细菌感染的体内成像中具有高度敏感性，在检测位点具有持久的信号，可以快速评估抗生素治疗效果和β-内酰胺酶抑制剂在活体动物中的效力。
参考消息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202408559
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