在枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和万古霉素（Vancomycin）模型系统中，通过光热光谱成像技术进行纳米化学细胞表面评估，以研究抗菌相互作用

《Analytical Chemistry》：Nanochemical Cell-Surface Evaluation in Photothermal Spectroscopic Imaging of Antimicrobial Interactions in the Model System Bacillus subtilis and Vancomycin

本研究利用中红外光热诱导力显微镜（PiF-IR）技术，在单细胞水平分析了枯草芽孢杆菌与万古霉素的相互作用。通过对比不同处理时间（15、30、60分钟）的样本，发现PiF-IR可清晰显示细胞壁肽聚糖层在抗生素作用下的化学结构变化，空间分辨率达5纳米。光谱分析结合化学计量学（如主成分分析）证实万古霉素与细胞壁的N-酰基-d-Ala4-d-Ala5末端形成氢键，导致局部化学环境改变，并揭示细胞壁破坏后膜蛋白暴露及外泌体释放的纳米结构特征。该技术为抗生素作用机制研究提供了新的高分辨率化学成像手段。

　　本文探讨了一种用于观察微生物表面抗生素相互作用的新型高分辨率成像技术——光热诱导力显微镜（PiF-IR）的运用。以芽孢杆菌（*Bacillus subtilis*）与万古霉素（vancomycin）作为研究模型，该技术在纳米尺度上揭示了细胞壁的化学变化。通过合并不同频率的PiF-IR扫描图像，研究人员获得了约5纳米的高分辨率对比图像，从而能够观察到30分钟和60分钟处理后的细胞壁破坏情况。这项技术的一个重要优势是能够补偿由于近场耦合导致的局部光强变化，这种变化在传统单频光热成像方法中常常出现，从而提高了图像的准确性和可靠性。

研究中提到，万古霉素是一种影响细胞壁生长的β-内酰胺类抗生素，它通过与细胞壁中二肽* d*-丙氨酰-* d*-丙氨酸（*d*-Ala-* d*-Ala）形成五个氢键，从而干扰细胞壁的正常合成。这种相互作用的化学特征可以通过PiF-IR的光谱变化来识别。例如，在处理后的* B. subtilis*细胞中，可以观察到与氢键形成相关的光谱位移。这些光谱变化不仅有助于识别抗生素与细胞壁的相互作用，还能揭示细胞壁的局部化学环境。

为了进一步验证PiF-IR的化学敏感性和表面特异性，研究人员将PiF-IR光谱与傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行了对比。结果显示，PiF-IR的光谱分辨率和表面敏感度显著高于FTIR，这使得它能够捕捉到更细微的化学变化。例如，在PiF-IR的平均光谱中，可以看到与FTIR光谱相比更清晰的肩峰和更精确的波峰位置，这些差异可能与光热成像中不同的照明几何和探针体积有关。

此外，研究还通过主成分分析（PCA）对PiF-IR光谱进行了化学计量学分析。这种分析方法能够揭示不同化学组分之间的关系，并且可以识别出抗生素作用后细胞壁的化学变化。例如，在PC1的加载图中，可以看到酰胺带与糖类吸收带之间的显著变化，这可能反映了细胞壁的破坏和细胞膜的暴露。而在PC2中，观察到了与氢键形成相关的光谱特征，如在1624 cm?1处的强峰，这与万古霉素与细胞壁中N-酰基-* d*-丙氨酰-* d*-丙氨酸的相互作用一致。

通过结合高分辨率PiF-IR扫描与光谱分析，研究人员还能够定位万古霉素在细胞表面的具体作用区域。例如，在处理后的* B. subtilis*细胞中，某些区域显示出比其他区域更高的PiF信号，这些区域可能与细胞壁的破坏和细胞膜的暴露有关。通过选择特定的光谱带进行合并成像，研究人员能够更清晰地识别出这些变化，从而为抗生素与微生物相互作用的可视化研究提供了新的视角。

研究还讨论了光热成像过程中可能出现的成像伪影和参数设置的影响。例如，在快速扫描过程中，由于探针与样品的接触，可能会产生一些干扰信号。因此，建议在扫描过程中采用较慢的扫描速度，以减少这些伪影对图像质量的影响。此外，研究还指出，PiF-IR的探针体积较小，因此在分析时需要特别注意样品的表面状态，避免因表面污染而影响结果的准确性。

综上所述，这项研究展示了PiF-IR技术在微生物表面化学相互作用研究中的强大能力。通过高分辨率的光谱对比和化学计量学分析，研究人员能够更深入地理解抗生素如何与微生物的细胞壁相互作用，并揭示这些相互作用对细胞结构和功能的影响。这一技术为未来的微生物研究提供了新的工具，有助于推动抗微生物耐药性问题的解决。