荧光纳米传感器用于细菌检测

来自德国波鸿，哥廷根，杜伊斯堡和科隆的研究人员开发出一种采用荧光纳米传感器检测细菌和感染的新方法，相比现有的方法，该方法能更快，更容易地追踪病原体。相关论文发表在《Nature Communications》杂志上。

图标：在无需取样的情况下检测病原体：由塞巴斯蒂安·克鲁斯教授（右）和罗伯特·尼斯特勒领导的研究小组开发的碳纳米管有可能实现这一点。

传染病是全世界发病率和死亡率的主要原因。为了与这些疾病作斗争，需要对细菌等病原体进行快速，特异性的检测，这仍然是生物医学面临的重大挑战之一。最佳方法将是非侵入性的，并且无需大量的样本采集/处理。传统的细菌检测方法需要采集和分析组织样本。塞巴斯蒂安·克鲁斯（Sebastian Kruß）和他的团队希望通过使用微小的光学传感器直接观察感染部位的病原体来消除取样的需要。他们开发了一套近红外（NIR）荧光纳米传感器，所采用的的碳纳米管在近红外光学组织透明窗口中发出荧光，可提供超低的背景和较高的组织穿透力，这将用于临床上重要细菌的远程指纹识别。

细菌分子存在时的荧光变化

纳米传感器基于直径小于1 nm单壁碳纳米管（SWCNT），如果采用可见光照射，它们发出的光在近红外范围内（波长1000 nm以上）是不可见的。当纳米管与环境中的某些分子碰撞时，荧光行为发生变化。由于细菌分泌一种特殊的分子混合物，基于SWCNT的传感器通过细菌分泌的代谢物来检测细菌，传感器发出的光可以指示某些病原体的存在。这种方法不同于检测基因信息（PCR）或细菌本身的化学成分（MS、拉曼光谱）的概念。

除此之外，研究人员针对传感器还进行了光谱编码（900 nm，1000 nm，1250 nm），以区分两种主要病原体铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌并穿透组织（> 5 mm）。这种与近红外荧光纳米传感器的多路复用可实现对重要病原体的远程检测和鉴别，并有可能成为智能表面。

波鸿鲁尔大学功能接口和生物系统小组的负责人以及RESOLV (https://www.solvation.de/) 的成员Sebastian Kruß说：“传感器在近红外范围内工作的事实与光学成像特别相关，因为在此范围内，破坏结果的背景信号要少得多。” 由于近红外比可见光的穿透能力强，因此即使伤口在包扎或者有植入物的情况下，该细菌传感器也能进行数据读取。

经过化学修饰，纳米传感器可检测主要的细菌毒性因子（脂多糖，铁载体），以及酶活性（DNases酶和蛋白酶）和一般代谢活性，并嵌入水凝胶中，在近红外光谱中进行远程成像。并通过9种不同的传感器整合到功能性水凝胶阵列中。这些水凝胶暴露于6种重要细菌（金黄色葡萄球菌，大肠杆菌等）的临床分离株，远距离（≥25 cm）近红外成像可识别和区分细菌。

具体来说，研究采用的9个不同传感器的空间编码允许在24-72小时后在物种水平上对病原体进行指纹识别。另外43株临床分离的金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的指纹图谱显示，即使是密切相关的细菌也可以被区分出来。

SWCNT的近红外荧光使这些纳米传感器成为非侵入性、快速和局部识别细菌感染和污染的理想工具。论文中，研究人员描述的这种传感器，可以用于检测和区分与一些疾病相关的有害病原体，比如植入物的感染。

传感器阵列模式的分析可以通过更复杂的机器学习算法来进一步改善。特别是，如果进一步增加传感器的数量，这些概念将进一步改善和加速细菌污染物的精确分类和识别。与以前的方法相比，发达的传感器可以检测分泌的细菌基序，而不仅仅是标记。另外，这些传感器的一个主要优点是其灵敏度/选择性可以通过改变表面化学性质（例如通过使用不同的DNA序列）来进行修改。因此，提升传感器数量仅受实际方面的限制，例如传感器阵列的横向尺寸。在这项工作中提出的细菌传感器的防区外成像不仅限于医疗工具、医院或植入物的智能表面，还可以扩展到检测降低农业产量的细菌感染（植物中）。

SWCNT功能化的模块化化学设计有助于创造更多的传感器，提高复用水平，从而提高传感器性能。在这种情况下，在不损害近红外荧光的情况下，具有生物分子的单壁碳纳米管共价功能化的出现将带来额外的可能性。

将来，这将成为光学检测智能植入物上感染奠定基础，因为不再需要取样。这可以迅速发现愈合过程或可能的感染，从而改善病人的护理。其潜在应用领域并不局限于此，例如，在败血症的情况下，改善血液培养的快速诊断也是可能的。

除了波鸿鲁尔大学物理化学II和哥廷根大学物理化学研究所的研究人员外，这项研究还包括哥廷根大学医学中心医学微生物学小组，科隆大学医院和杜伊斯堡夫琅和费微电子电路和系统研究所。