综述：纳米团簇在传染病诊断与治疗新策略设计与开发中的作用

《Nanoscale Advances》：Role of nanoclusters in the design and development of novel strategies for diagnosis and treatment of infectious diseasesOpen Access

　　

尽管在环境卫生、疫苗接种和抗菌化疗方面取得了重大进展，传染病仍然对全球健康构成巨大威胁。抗菌药物耐药性的不断增加、新发病原体的出现以及持续的诊断延误进一步加剧了这种情况。多年来，纳米技术已经产生了许多材料平台来应对这些不足，在本研究中，研究人员批判性地审视了纳米团簇——一种具有离散电子态的超小、原子级精确组装体（核心尺寸<2 nm），作为传染病诊断和治疗中一类未被充分认识但可能具有变革性的材料。其量子化的光学性质、精确的配体化学以及异常高的表面积与体积比使其能够实现更大纳米材料根本无法实现的行为，包括比例荧光报告、快速氧化还原驱动的抗菌活性以及近分子分辨率的可编程生物识别。首先，研究人员通过聚焦离散电子态、超小流体动力学半径和明确配体壳层对转运、清除以及与病原体和宿主来源生物分子相互作用的影响，将纳米团簇（NCs）与较大纳米材料区分开来。此外，该综述综合了纳米团簇辅助诊断的进展，包括DNA和适配体模板化的金（Au）、银（Ag）和铜（Cu）纳米团簇探针、CRISPR/Cas集成比例传感器以及基于纳米酶的读出系统，这些系统可常规实现细菌、病毒、真菌和原生动物核酸及抗原的单菌落形成单位或亚飞摩尔级检测。在治疗方面，研究人员讨论了如何利用相同的结构特征来设计纳米团簇，以介导可控活性氧（ROS）生成、膜和生物被膜破坏、群体感应干扰、光热和近红外二区（NIR II）光动力治疗以及配体导向的药物递送，案例研究涵盖多重耐药细菌、机会性真菌和特定寄生虫感染。同时，研究人员还审视了一些仍未得到解决的临床转化主要障碍。研究人员通过这项研究表明，纳米团簇不仅仅是"更小的纳米颗粒"，而是一个独特的化学系统，能够实现模块化、多重化且具有临床相关性的传染病干预。为实现这一潜力，未来的工作必须将原子级设计与严格的药代动力学、毒效动力学和转化工程框架相结合。

1 引言

传染病是由细菌、病毒、真菌和寄生虫等病原体引起的疾病，可在人与人之间传播，每年导致数百万人死亡，其中大多数发生在发展中国家。粪肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和肠杆菌属等细菌是约三分之一感染性死亡的主要病原体；甲型H1N1流感、埃博拉出血热、中东呼吸综合征（MERS）、寨卡病毒病（ZVD）以及由严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）引起的大流行等病毒性感染亦造成大量死亡。尽管环境卫生、疫苗接种和抗生素治疗取得了重大进展，传染病仍造成全球巨大比例的发病和死亡。人口增长、抗生素耐药性问题的加剧以及新病原体的持续出现加重了公共卫生系统的负担。传统诊断工具如培养法虽可明确鉴定病原体但耗时且依赖病原体活性，PCR等分子方法虽快速特异但靶标有限且易受污染。治疗方面，抗生素、抗病毒药和抗真菌药面临耐药性、脱靶效应和递送效率低下等挑战。二十余年来，纳米技术为传染病管理提供了重要工具，其中纳米团簇（NCs）作为由数个至数百个原子组成的独特超小材料，具有不同于较大纳米颗粒的物理化学性质。现有综述多仅部分覆盖纳米团簇在细菌感染中的应用或集中于肿瘤学领域，本综述旨在全面评估纳米团簇在细菌、病毒、真菌和寄生虫感染中的诊断与治疗应用，并分析其临床转化的关键障碍与应对策略。

2 纳米团簇的概述、特征及制备方法

纳米团簇（NCs）是由数个至数千个原子组成的介观颗粒，尺寸介于1–10 nm之间，核心通常小于2 nm，由贵金属或过渡金属核心（如金、银、铂、铜）和外部保护性配体壳层（如硫醇盐、膦、卤化物和炔基）组成，化学表示为[X_aY_b]^c。与纳米颗粒不同，NCs不显示表面等离子体共振（SPR）效应，而表现出独特的电化学、光学和催化性质。当尺寸接近费米电子尺度时，强量子效应使连续能级分裂为离散能带。X射线晶体学和质谱联用技术可揭示其精确的原子结构、金属核心的准确尺寸和电荷以及配体数量。NCs的合成主要分为自下而上和自上而下两类方法，还包括配体交换法和模板辅助法。自下而上方法通过化学、电化学、生物或光还原实现，自上而下方法则通过配体刻蚀较大纳米颗粒获得小尺寸NCs。精确调控还原动力学、反应温度、前驱体种类和抗衡离子可实现原子级精确合成，电喷雾电离质谱（ESI-MS）被广泛用于鉴定合成中的稳定中间体。通过保护性配体（如硫醇、膦、炔基）和合金化策略可增强NCs的稳定性，但合金化对抗菌活性的影响取决于金属组成和电子结构。

3 纳米团簇在传染病诊断和治疗中的应用

3.1 纳米团簇用于细菌感染

纳米团簇通过细胞壁/膜破坏、活性氧（ROS）生成、金属离子释放、群体感应干扰和生物被膜破坏等机制发挥抗菌作用。在诊断方面，银纳米团簇（AgNCs）与CRISPR/Cas12a技术整合的SCENT-Cas系统结合环介导等温扩增（LAMP）检测鼠伤寒沙门氏菌，检测限达1 CFU mL^?1；发夹DNA稳定的铜纳米团簇（CuNCs）利用抗维生素A缺乏症相关基因omp1杂交诱导荧光变化检测沙眼衣原体，检测限为18.5 nM；抗菌肽功能化金纳米团簇（AMP-AuNCs）结合机器学习算法构建多通道传感器阵列，对参考菌株分类准确率达100%，对临床大肠杆菌分离株准确率达86.7%。在治疗方面，载银纳米团簇的水凝胶通过膜去极化和细胞内物质泄漏杀灭大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，并在小鼠模型中加速伤口愈合。Au_12?xAg_x合金纳米团簇（x=4、5、6）在紫外照射下产生羟基自由基，Au₆Ag₆对革兰氏阳性和阴性菌均达99.9%抗菌效率，伤口残留面积降至0.9%并促进胶原沉积。硫醇配体保护的铁纳米团簇（FeNCs）的抗菌活性和光学行为受配体种类显著影响。目前多数研究缺乏体内感染模型和临床分离株验证，存在非特异性氧化应激、血清稳定性差和光穿透受限等局限。

3.2 纳米团簇用于寄生虫病

在诊断方面，DNA支架银纳米团簇（AgNCs-dsDNA）结合恶性疟原虫乳酸脱氢酶（PfLDH）特异性适配体，荧光信号增强12倍，检测限为0.2 nM，在胎牛血清中的检测限为1.0 nM。腺苷单磷酸保护的金-银双金属纳米团簇（Au–AgNCs@AMP）用于检测间日疟原虫乳酸脱氢酶（PvLDH），检测限0.10 nM，线性范围10–100 nM，回收率99.3%–102%。在治疗方面，Ag₂S-NC@MPA和AuNC@GSH通过网格蛋白介导的内吞进入布氏锥虫，浓度和时间依赖地诱导细胞凋亡，机制涉及氧化应激、钙离子水平改变、线粒体膜电位丧失以及锥虫硫醇代谢和糖酵解途径的调控。有机纳米团簇方面，环糊精及其与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的组合可显著提高阿苯达唑和芬苯达唑的溶解度，其中羟丙基-β-环糊精效果最佳，但体内抗蠕虫疗效未显著优于纯药。总体而言，纳米团簇在寄生虫病领域的应用仍处于初期，缺乏跨物种平台、体内动力学研究和现场验证。

3.3 纳米团簇用于病毒性疾病

链霉亲和素偶联的金纳米团簇（AuNCs）通过生物素化抗p24抗体捕获HIV-1 p24抗原，发射波长为615 nm（激发350 nm），灵敏度和特异性比酶联免疫吸附测定高3倍，检测限为5–1000 pg mL^?1。半胱胺刻蚀诱导牛血清白蛋白保护的AuNCs荧光猝灭机制被用于检测SARS-CoV-2核衣壳蛋白（NP）和受体结合域（RBD）特异性抗体，检测限达纳克级。CRISPR-Cas12a结合无标记金属纳米团簇（AuNCs、AgNCs、CuNCs）用于乙型肝炎病毒（HBV）DNA检测，其中CuNCs响应最快且灵敏度最高，检测可在25分钟内完成。在治疗和防护方面，银纳米团簇嵌入二氧化硅基质涂层可显著降低人冠状病毒OC43的感染性滴度（0.8对数灭活）；涂覆银纳米团簇的FFP3口罩对临床分离病毒具有浓度依赖的杀灭效果。马来酰亚胺连接子功能化的AuNCs通过共价键靶向肠道病毒（埃可病毒1和柯萨奇病毒B3）衣壳蛋白半胱氨酸残基，病毒保持感染性，可用于体内感染途径的可视化研究。

3.4 纳米团簇用于真菌性疾病

利用松萝（Usnea longissima）提取物绿色合成的银纳米团簇（2–4 nm）对氟康唑耐药白色念珠菌具有杀灭作用，最低抑菌浓度（MIC）为10 μg mL^?1，机制涉及ROS积累、线粒体电位丧失、凋亡诱导以及ROS依赖性Ras信号通路调控。精银纳米团簇（ASNCs，<2 nm）对黑曲霉的菌丝和孢子均具强抗真菌活性，MIC为1.25 ppm，其机制为Ag²⁺和Ag³⁺物种诱导真菌细胞膜去极化。TiO₂修饰的核壳结构Ag-CuO纳米团簇（Ag:CuO=1:3）在黑暗和可见光条件下对米曲霉和产黄青霉