利用多粘菌素B偶联和聚丙烯酸接枝的GdEuO3纳米颗粒对大肠杆菌细菌感染进行体内靶向荧光成像和磁共振成像

《ChemComm》：In vivo targeted fluorescence imaging and magnetic resonance imaging of E. coli bacterial infection using polymyxin B-conjugated and polyacrylic acid-grafted GdEuO3 nanoparticlesOpen Access

　　

稀土氧化物纳米颗粒因其优异的光学、磁学和物理化学性质，是感染性疾病高灵敏诊断的理想体系。本研究将作为大肠杆菌靶向配体的多粘菌素B（PMB）与聚丙烯酸（PAA）接枝的GdEuO₃纳米颗粒偶联，该纳米颗粒分别作为基于Eu的荧光成像（FI）和基于Gd的磁共振成像（MRI）试剂。进一步将PMB–PAA–GdEuO₃纳米颗粒与有机光敏剂2,6-吡啶二甲酸（PDA）偶联，以增强其在可见光区域（即红色）的Eu光致发光。研究人员在大肠杆菌感染的小鼠模型上，通过FI和MRI体内验证了（PMB–PAA）/PDA–GdEuO₃纳米颗粒作为大肠杆菌靶向和检测试剂的表现。

论文解读：基于多粘菌素B偶联和聚丙烯酸接枝的GdEuO₃纳米颗粒用于大肠杆菌感染的体内靶向双模态成像

细菌感染仍然是全球公共卫生领域的重大威胁。据全球疾病负担（GBD）数据，2019年有770万例死亡与细菌病原体相关，占全球死亡总数的13.6%。世界卫生组织（WHO）报告指出，抗生素耐药性正在迅速增长，全球六分之一的细菌感染已对抗生素治疗产生耐药。革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）因其外膜富含脂多糖（LPS）而具有高度毒力。LPS作为强效内毒素，可诱导感染并触发宿主免疫应答；同时，外膜作为有效的渗透屏障，限制抗生素进入并保护细菌逃避宿主防御系统。因此，早期检测细菌感染对于控制感染性疾病至关重要。然而，传统的离体检测方法存在时间滞后且无法提供感染部位空间信息的问题。纳米颗粒凭借优异的物理化学性质和递送特性，已成为体内外细菌早期检测的有力工具。靶向配体可与病原体特异性细菌膜组分相互作用，是实现高特异性和高灵敏度细菌检测的合理策略。多粘菌素B（PMB）作为一种环脂肽抗生素，对革兰氏阴性菌外膜上的LPS具有强选择性亲和力，已被成功用于功能化多种纳米平台。

稀土氧化物纳米颗粒因其优异的磁学和光学性质，可作为理想的细菌检测和成像试剂。研究人员在本研究中报道了偶联大肠杆菌靶向配体的GdEuO₃纳米颗粒，其中Gd和Eu分别作为MRI和FI试剂。通过逐步合成策略：首先将聚丙烯酸（PAA）接枝到GdEuO₃纳米颗粒表面，获得PAA–GdEuO₃；随后将PMB与PAA组分偶联，得到PMB–PAA–GdEuO₃；最后接枝有机光敏剂2,6-吡啶二甲酸（PDA），得到（PMB–PAA）/PDA–GdEuO₃纳米颗粒。PAA富含羧基，可改善纳米颗粒在水介质中的生物相容性和胶体稳定性，并通过酰胺键与PMB的伯胺基团偶联。PMB偶联后其活性未受显著影响，因为它通过范德华力、疏水作用力以及其带正电荷的胺基与LPS带负电荷的羧基和磷酸基团之间的静电作用力与细菌LPS相互作用。PDA的偶联增强了纳米颗粒中Eu的光致发光（PL）。该研究凸显了（PMB–PAA）/PDA–GdEuO₃纳米颗粒优异的双模态成像性能，即高的水质子自旋弛豫率和水中强红色PL，使其适合用作MRI和FI试剂。研究人员在大肠杆菌感染的肌炎小鼠模型上，通过静脉注射后获取荧光图像和3 T MR图像，体内验证了该纳米颗粒作为大肠杆菌靶向和检测试剂的潜力。

关键技术与方法：研究人员采用多步湿化学合成法制备了（PMB–PAA）/PDA–GdEuO₃纳米颗粒，并通过电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）确定Gd与Eu的精确摩尔比为1:1。利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）表征颗粒形貌与尺寸，通过X射线衍射（XRD）确认晶体结构，利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TGA）和元素分析（EA）验证表面接枝及键合结构。弛豫率通过3.0 T磁场下的水质子自旋弛豫时间测量获得，光致发光光谱用于评估Eu的发光性能。体外细胞毒性实验采用AML12和BV2细胞系。体内成像实验使用大肠杆菌感染的肌炎小鼠模型，通过尾静脉注射纳米颗粒水溶液，进行荧光成像和3 T MRI，并采用商业MRI对比剂Gadovist作为对照。

研究结果：

（1）纳米颗粒的制备与表征：HRTEM图像显示（PMB–PAA）/PDA–GdEuO₃纳米颗粒具有清晰晶格条纹，粒径范围为1.5–2.5 nm，平均粒径为2.0 ± 0.2 nm。水分散液呈透明状态，激光照射产生明显的廷德尔效应，zeta电位为?48.5 mV，表明胶体稳定性优异。合成后放置超过1年未出现沉淀。XRD分析在TGA处理后确认了混合GdEuO₃的立方结构，晶格常数与体相平均值一致。

（2）表面修饰与键合结构：FT-IR光谱证实PAA、PMB和PDA成功接枝到GdEuO₃表面。PAA通过羧基与表面Gd³⁺/Eu³⁺路易斯酸位点的静电作用接枝；PDA通过两个羧基和一个氮原子与表面金属离子配位；PMB的一个胺基与PAA的羧基通过酰胺键偶联。TGA和EA估算每个纳米颗粒上接枝约24条PAA链，约4个PMB分子和约11个PDA分子。

（3）MRI弛豫性能：在3.0 T磁场下，（PMB–PAA）/PDA–GdEuO₃纳米颗粒的纵向弛豫率r₁为19.2 s^?1 mM^?1，横向弛豫率r₂为37.0 s^?1 mM^?1，分别约为商业Gd螯合物MRI对比剂的5倍和9倍。R₁和R₂图谱显示剂量依赖性对比增强。由于r₂/r₁比值接近1，该纳米颗粒更适合作为T₁ MRI对比剂。

（4）荧光性能：在285 nm激发下，纳米颗粒水溶液在592 nm（⁵D₀→⁷F₁）和615 nm（⁵D₀→⁷F₂）处显示特征发射峰，在254 nm紫外照射下呈现强红色荧光，证明其可用作FI试剂。

（5）体外细胞毒性：在AML12和BV2细胞系中，Gd+Eu浓度0–500 μM范围内，三种纳米颗粒样品的细胞活力均高于90%，表明细胞毒性可忽略，适用于体内应用。

（6）体内靶向成像：通过肉汤微量稀释和琼脂纸片扩散实验直接证明PMB–PAA–GdEuO₃纳米颗粒对大肠杆菌的靶向及抗菌效果。组织学分析证实感染部位存在炎症及纳米颗粒的体内治疗效果。在大肠杆菌感染小鼠模型中，尾静脉注射（PMB–PAA）/PDA–GdEuO₃纳米颗粒后10分钟，仅感染区域出现增强的荧光信号；3 T MR图像显示，在注射剂量为商业对比剂Gadovist一半的情况下，纳米颗粒在感染区域仍呈现更高的正向对比增强，SNR-ROI曲线进一步证实其靶向能力。9.4 T MR图像同样确认了靶向效果。

讨论与结论：该研究表明，（PMB–PAA）/PDA–GdEuO₃纳米颗粒具有优异的胶体稳定性、生物相容性、高弛豫率和强红色荧光，可作为双模态MRI-FI试剂。PMB赋予纳米颗粒对革兰氏阴性菌的选择性靶向能力，PAA确保水介质中的稳定性和低毒性，PDA增强Eu的光致发光。体内实验证明该纳米颗粒能够通过FI和MRI有效检测大肠杆菌感染部位。由于PMB可同时与革兰氏阳性和阴性菌相互作用，该纳米平台有望扩展至其他细菌感染的成像诊断。