本文要點：體內熒光成像技術能夠準確獲取動態生物信息，對于細菌感染病癥的早期診斷和治療起到了至關重要的作用。本研究中，使用Cy7-CH3作為碳源，多巴胺鹽酸鹽作為表面緩沖劑，合成了一種近紅外II發射的碳點納米探針（CyCDs）。值得注意的是，碳源的π共軛體系和剛性平面結構可以擴展吸收和發射波長范圍。氨基的存在使得CyCDs具有正電荷的zeta電位（+0.32 mV），有助于促進CyCDs與細菌的相互作用。有趣的是，CyCDs只能染色耐藥細菌的細胞壁，而正常細菌在整個細胞上都有明亮的熒光信號。這一現象使得能夠在體外鑒別出耐藥細菌。此外，CyCDs可以用于監測免疫系統與感染細菌之間的相互作用，并指導及時使用抗生素。

CyCDs的制備可以通過在甲醇溶液中將Cy7-CH3和多巴胺鹽酸鹽在高壓釜中加熱至180攝氏度，保持4小時，然后通過硅膠柱色譜純化（見圖1）來輕松完成。

圖2介紹了通過溶劑熱處理法合成的具有NIR-II發射的碳點（CyCDs）的性質和特征。CyCDs呈球狀結構，平均直徑為3.11nm，具有良好的晶格結構。XRD和HR-TEM表征確認它們為晶體，具有高穩定性，其成分主要為由C（80.82%）、O（15.08%）和極低比例的N（4.1%）組成；表面帶正電性質，富含氨基。光學性質方面，CyCDs在近紅外區域顯示熒光，并具有穩定的熒光特性，可作為生物成像的熒光探針。其熒光量子效率（Φf）達到15.3%，相比于前體物質Cy7-CH3有顯著提升。

圖2.CyCDs的表征結果

圖3說明了CyCDs表面上的氨基使其能夠快速接近并與金黃色葡萄球菌等細菌發生作用。細菌的細胞壁含有帶負電荷的磷酸成分，可以與CyCDs表面的磷酸基團結合。在共聚焦激光掃描顯微鏡下觀察到，金黃色葡萄球菌的細胞表面在與CyCDs共孵育1分鐘后會快速發亮。隨著共孵育時間的增加，細菌的熒光信號明顯增強，但仍然保持在細菌的表面上，類似的現象也在與其他耐藥細菌混合后與CyCDs接觸時觀察到。與此同時，CyCDs也能迅速穿透正常細菌，并發出強烈的熒光信號，表明基于CyCDs的熒光成像能夠實現對耐藥細菌的特異性識別。

圖3.NIR-II成像CyCDs特異性識別耐藥細菌

圖4說明了對于實現近紅外二區熒光成像，進行了CyCDs溶液的體外成像實驗。隨著CyCDs濃度增加，溶液的NIR-II熒光信號相應增強。此外，在低濃度下也可以通過調整曝光時間產生NIR-II熒光信號，為體內細菌檢測提供了可能。接著，通過將CyCDs與細菌（金黃色葡萄球菌和大腸桿菌）在體外共培養5分鐘，研究了CyCDs對細菌的標記效率。結果顯示，在細菌沉淀中能檢測到強烈的熒光信號，而在離心后上清液中沒有熒光信號，證明了CyCDs能夠迅速成功地標記細菌。此外，在使用1100納米長通濾光片過濾后，細菌沉淀中觀察到熒光信號，暗示了與細菌相互作用后，CyCDs的發射峰可能發生了紅移?？偟膩碚f，CyCDs在體外表現出高效的細菌標記能力，為體內細菌檢測提供了有前景的探針。

圖4.NIR-II體外成像實驗結果

圖5描述了在活體BALB/c小鼠模型中進行的針對金黃色葡萄球菌感染的近紅外二區熒光成像實驗。實驗結果顯示，在感染部位迅速出現了熒光信號，而對照組則沒有。隨后觀察到熒光信號區域從注射后的10分鐘到5小時內增加，并在5小時時達到峰值，反映了細菌數量的激增。隨后在注射后24小時，熒光信號區域下降，表明免疫系統攻擊了侵入的細菌，導致了細菌負載的減少。最后，在缺乏進一步處理的情況下，從注射后48小時開始，熒光信號和區域增加，表明細菌負載隨時間增加。此外，通過姬式染色法進一步驗證了感染部位7天后的細菌殘留情況。這些實驗結果表明，NIR-II成像可以準確監測整個細菌感染過程。同時，通過分析炎癥因子，如IL-6、CD11B、TNF-α和MCP-1，也可以評估免疫和炎癥反應的變化，進一步研究了細菌感染與免疫系統的相互作用。

在這項研究中，科研人員通過將青菁染料和多巴胺鹽酸鹽作為原材料，采用溶劑熱反應形成了CyCDs（直徑約3.11nm），其在1100至1200nm范圍內顯示明顯的NIR-II發射，峰值位于1160nm。CyCDs表面的氨基使其能夠迅速高效地與細菌結合，使得其在PBS緩沖液中具有低背景熒光的特點，從而實現了高性能的無水洗細菌成像。由于耐藥細菌表面存在外流泵系統，CyCDs只能染色耐藥細菌表面，而正常細菌的熒光信號會覆蓋整個細胞，這實現了對耐藥細菌的體外識別。NIR-II熒光成像實驗證明，所得的CyCDs可以長期檢測細菌負載的動態變化，并反映了免疫系統與細菌感染之間的關系，有助于未來臨床實踐中抗生素治療的優化。

參考文獻

Liu, W.; Wu, B.; Sun, W.; Liu, W.; Gu, H.; Du, J.; Fan, J.; Peng, X., Near-infrared II fluorescent carbon dots for differential imaging of drug-resistant bacteria and dynamic monitoring of immune system defense against bacterial infection in vivo. Chemical Engineering Journal 2023, 471.