光学纳米探针在细菌感染诊断中的研究进展

《Research》：Advances in Optical Nanoprobes for Bacterial Infection Diagnosis

　　

细菌感染对全球公共卫生构成重大威胁，抗生素耐药性的日益流行凸显了早期准确诊断的迫切需求。光学成像技术具有高灵敏度、时空分辨率、实时监测能力和无创性等特点，已成为细菌感染诊断中极具前景的补充和替代方法。本综述全面总结了用于诊断细菌感染的光学纳米探针的最新进展。研究人员首先概述了细菌与哺乳动物细胞在结构和代谢上的差异，以及感染微环境的动态特征，这些共同为选择性靶向和感染特异性成像提供了生物学基础。随后，研究人员详细介绍了各类光学纳米探针的工作原理、设计策略和特性，包括荧光（fluorescence）、化学发光（chemiluminescence）、生物发光（bioluminescence）、光声（photoacoustic）和拉曼（Raman）成像探针，重点阐述了它们在细菌检测中的应用。最后，研究人员聚焦于体外诊断场景，对基于光学纳米探针的技术在血液、尿液和痰液等临床标本中的性能、优势和挑战进行了分类评估。通过提供系统性视角，本综述旨在为临床转化提供可行见解，并推动下一代细菌感染快速诊断平台的发展。

**Introduction**
细菌感染严重威胁全球公共卫生，抗生素耐药性上升使早期精准诊断更为紧迫。传统微生物培养耗时长、灵敏度有限；免疫学与聚合酶链反应（PCR）虽快速，但成本高、易污染，无法区分活菌与死菌。计算机断层扫描（CT）与磁共振成像（MRI）缺乏特异性。光学成像因高灵敏度、高时空分辨率、实时无创等优势成为重要补充。光学纳米探针通过特异性识别细菌相关靶标，将生物信息转化为荧光、化学发光或表面增强拉曼散射（SERS）等光学信号，在复杂生物基质中实现高特异性检测，为临床快速诊断提供新途径。

**Bacteria and Infection Microenvironment**
细菌与宿主细胞的结构和代谢差异构成成像靶点的生物学基础。革兰氏阳性菌具有厚层肽聚糖和脂磷壁酸（LTA）/壁磷壁酸（WTA）网络，表面带强负电荷；革兰氏阴性菌外膜富含脂多糖（LPS），其脂质A成分是强内毒素。细菌胞膜主要含磷脂酰甘油（PG）、磷脂酰乙醇胺（PE）和心磷脂（CL），呈净负电荷，而哺乳动物膜以两性离子磷脂为主，电荷中性。细菌特有的肽聚糖合成途径、d-丙氨酸掺入机制及非天然d-氨基酸类似物的代谢整合，为靶向标记提供独特窗口。群体感应（QS）调控生物被膜形成，被膜内形成氧梯度与酸性微环境（pH降至约5.5以下）。宿主免疫反应引起缺氧、细胞外酸化（pH约5.5–6.5）和基质金属蛋白酶（MMPs）等上调。这些细菌特异性结构、代谢途径及微环境特征共同构成多维靶点。

**Optical Nanoprobes for Bacterial Infection Diagnosis**
**Fluorescence imaging**
荧光成像分为有机荧光纳米探针与无机荧光纳米探针。有机探针基于细菌膜结构，如利用硼酸识别基团靶向肽聚糖的BacGO探针，以及基于两亲性荧光d-丙氨酸衍生物自组装形成的HF-D-Ala纳米颗粒，通过代谢掺入实现“开启”信号。基于膜电荷设计，如锌(II)-二甲基吡啶胺衍生物BacVue可特异性成像尿路致病性大肠杆菌（UPEC）；咪唑鎓芘化合物通过静电作用恢复荧光，区分不同菌种。基于代谢靶向的代表是PABA-DCM探针，其识别细菌二氢蝶呤合酶（DHPS）并掺入叶酸合成途径，实现活菌感染成像。针对感染微环境，设计pH响应型ZGS纳米系统、硝基还原酶（NTR）响应型Cu2-Se@BSA@NTRP探针、β-内酰胺酶响应型BIN-3探针，以及双靶标Nap-CefTTPy探针（同时响应NTR和青霉素结合蛋白），实现高对比度双通道成像。无机荧光探针包括上转换纳米颗粒（UCNPs），通过抗体或多粘菌素B修饰靶向革兰氏阴性菌；金属纳米簇（MNCs）如阳离子牛血清白蛋白保护的金银纳米簇（cBSA AuAgNCs）利用正电荷吸附细菌，BSA-AuNCs通过Cu2+介导的“开-关-开”策略检测大肠杆菌；量子点（QDs）可偶联万古霉素或DNA适体实现靶向成像；碳点（CDs）如手性D-CDs选择性识别革兰氏阳性菌，NIR-II发射CyCDs可通过胞内分布差异区分耐药菌与敏感菌。

**Chemiluminescence imaging**
化学发光成像无需外部光源，通过化学反应激发分子发光，背景干扰低。鲁米诺（luminol）是最常用底物。Zhou等构建的ALPBs纳米颗粒结合发光与光热/一氧化氮治疗；Chen等开发CuSe@MPBA纳米酶催化鲁米诺-过氧化氢反应，实现金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的实时检测；Yu等将Fe₃O₄抗体捕获与Cu_2?xSe纳米酶结合，用于肾移植后感染检测。

**Bioluminescence imaging**
生物发光成像基于荧光素酶-荧光素反应，具有极低背景。Zhang等利用“特洛伊木马”策略，通过细菌ATP结合盒（ABC）糖转运体递送葡萄糖聚合物修饰的硅纳米颗粒，特异性成像金黄色葡萄球菌肾感染和沙门氏菌肠道感染，并能区分细菌性炎症与非细菌性炎症。Song等通过芳基叠氮修饰d-氨基酸代谢标记肽聚糖，结合“笼锁”d-荧光素进行Staudinger连接，激活生物发光。Zhou等构建ZIF-90@Luc-AMP平台，结合噬菌体捕获与ATP检测，实现30分钟内低至20 CFU/ml的检测。

**Photoacoustic imaging**
光声成像将光学激发与超声检测结合。Liu等开发金纳米棒-二氧化硅-硫化铜（AuNR-SiO₂-Cu₇S₄）纳米马达，用于MRSA脓肿的NIR光声成像。Yuan等构建铋基金属有机框架（Bi-MOF），响应细菌产生的H₂S生成Bi₂S₃，产生光声信号。Kim等的Au/Ag核壳纳米棒，在感染部位活性氧（ROS）蚀刻银壳后激活光声信号，信号增强730%。

**Raman imaging**
拉曼成像基于非弹性散射，提供分子指纹信息。Gao等开发金纳米星-二硫化钼-透明质酸复合物（AMD@HA），对MRSA检测限达10² CFU/ml。Gro?e等建立无标记共聚焦拉曼平台，在活细胞内高分辨率定位金黄色葡萄球菌。Zhou和Li通过离子分子工程策略构建短波红外（SWIR）共振拉曼探针，实现近零荧光背景的SERRS成像，检测限0.81 pM。

**Comparative advantages and limitations of imaging modalities**
各模态各有优劣：荧光灵敏度高、可多重标记，但存在自发荧光和光漂白；化学发光背景低但信号持续时间短；生物发光特异性强但信号弱、穿透浅；光声成像穿透深、分辨率高但依赖造影剂；拉曼光谱提供分子特异性但信号弱、仪器复杂。这些模态互补，选择取决于感染部位和临床需求。

**Optical Nanoprobes in the Application of In Vitro Infection Detection**
**Optical detection of urine samples**
针对尿路感染（UTI），Xin等开发序贯激活探针NO-AH，由OmpT和APN酶依次切割产生荧光，灵敏度约10⁴ CFU/ml。Sun等构建电化学发光传感器检测革兰氏阴性菌LPS。Han等利用聚苯乙炔-抗菌肽静电复合物结合线性判别分析（LDA），直接识别尿液中20种病原体，准确率96.4%。Wu等开发AIE纳米酶双模态平台，10分钟内检测尿液中大肠杆菌和肺炎克雷伯菌，检测限10² CFU/ml。

**Optical detection of blood samples**
血流感染（BSI）检测中，Li等利用多粘菌素B-荧光素探针（PmBF）靶向革兰氏阴性菌外膜囊泡（OMVs），通过纳米流式细胞术定量检测临床血清，感染患者PmBF+ EV水平显著升高。Zhao等开发生物正交反应系统，将叠氮代谢标记细菌与DBCO修饰磁性近红外探针点击偶联，在血液中检测限达10⁴ CFU/ml，临床脓毒症样本灵敏度97.1%。Liu等利用ROS响应探针结合四种纳米材料，根据细胞内ROS差异区分12种细菌。

**Optical detection of other samples**
在痰液样本中，Li等开发阳离子磁性荧光纳米探针MagMQD@Si+，通过静电作用广谱捕获细菌，15分钟内检测铜绿假单胞菌、肺炎链球菌和肠炎沙门氏菌。Sun等采用适体磁珠富集结合FcMBL@AuNCs荧光标记，在唾液中检测MRSA等，检测限20 CFU/ml，回收率95%–110%。Zhang等构建DNA编码纳米酶传感器阵列，通过催化TMB产生比色信号，结合LDA实现11种口腔细菌100%识别，并能同步杀菌。

**Summary and Perspective**
光学纳米探针已在血液、尿液、痰液等临床样本中展现优于传统方法的性能，并可与微流控和智能手机成像集成。但体内转化仍面临挑战：光散射和自发荧光限制成像深度，体内病原体丰度低（约10²–10⁴ CFU/ml）要求高灵敏度，无机探针的蓄积和毒性需优化。未来方向包括拓展NIR-II/SWIR窗口、设计可降解表面涂层，以及利用人工智能（AI）辅助探针设计和信号分类，推动临床快速诊断平台的建立。