利用NIR-II CuInSe₂量子點(diǎn)對體內(nèi)細(xì)菌感染進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測及光熱治療

本文要點(diǎn)：細(xì)菌感染性疾病嚴(yán)重威脅人類生命安全，亟需開發(fā)簡便、快速、高效且安全的精準(zhǔn)診療協(xié)同技術(shù)。本研究成功合成發(fā)射峰位于1190 nm的近紅外CuInSe₂量子點(diǎn)，經(jīng)ZnS包覆后發(fā)射峰遷移至1026 nm。通過在親水性CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)上修飾萬古霉素，構(gòu)建了可靶向金黃色葡萄球菌的熒光納米探針（Van-CuInSe₂/ZnS），實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)細(xì)菌感染進(jìn)程的實(shí)時監(jiān)測。該納米體系兼具優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換特性和生物相容性，不僅能實(shí)現(xiàn)體內(nèi)細(xì)菌性炎癥的精準(zhǔn)靶向NIR-II熒光成像，還能有效治療小鼠皮下細(xì)菌感染及創(chuàng)面細(xì)菌感染，在細(xì)菌感染性疾病治療領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊應(yīng)用前景。

方案1. 基于Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)NIR-II發(fā)光的小鼠細(xì)菌性傳染病監(jiān)測與治療示意圖

本工作中，通過熱注射法在不同時間合成CuInSe2。隨后，將薄層ZnS殼包覆至CuInSe2上以保護(hù)表面Cu⁺離子免受氧化并減少表面缺陷，從而增強(qiáng)了CuInSe2量子點(diǎn)的NIR-II光致發(fā)光強(qiáng)度及光穩(wěn)定性。此外，CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)已成功相轉(zhuǎn)移至水相介質(zhì)并經(jīng)萬古霉素(Van)功能化修飾，該診斷工具通過特異性結(jié)合細(xì)菌細(xì)胞壁上的D-Ala-D-Ala末端肽，展現(xiàn)出對革蘭氏陽性菌的優(yōu)先選擇性活性，這不僅促進(jìn)監(jiān)測細(xì)菌感染與免疫系統(tǒng)的相互作用，還能在808 nm激光照射下實(shí)現(xiàn)體內(nèi)細(xì)菌感染的精準(zhǔn)治療，如方案1所示。該多功能納米平臺為細(xì)菌感染提供了靶向熒光成像引導(dǎo)的可視化光熱治療。

圖1. Van-CuInSe2/ZnS QDs的表征

為實(shí)現(xiàn)生物成像目的，需通過配體交換使親水功能化的CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)與萬古霉素偶聯(lián)，以應(yīng)用于生物體系，該探針在PBS溶液中具有良好分散性。如圖1A和B所示，傅里葉變換紅外光譜(FTIR)驗證了CuInSe₂@ZnS量子點(diǎn)的MPA與Van表面修飾：在MPA-CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)中觀察到~1719 cm⁻¹處MPA分子的C=O特征吸收峰，在Van-CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)中觀察到~1655 cm⁻¹處Van分子的–NH₂特征吸收峰，證實(shí)MPA與Van已成功組裝于CuInSe₂@ZnS表面。圖1C顯示了配體交換前后CuInSe₂與CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)的熒光光譜。CuInSe₂量子點(diǎn)的光致發(fā)光強(qiáng)度因表面缺陷和表面Cu⁺離子氧化而被顯著抑制；引入ZnS后，在808 nm激發(fā)光下光致發(fā)光峰從1190 nm偏移至1026 nm，這可能歸因于核/殼界面處形成合金以及CuInSe₂量子點(diǎn)表面寬禁帶ZnS薄殼過度生長導(dǎo)致核心CuInSe₂有效尺寸收縮。XRD結(jié)果顯示如圖1D所示，MPA-CuInSe₂量子點(diǎn)的特征峰與CuInSe₂及CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)幾乎完全重疊，表明配體交換后未引入異相。

圖2. Van-CuInSe2/ZnS QDs的熱成像實(shí)驗

圖4A-D展示了Van-CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)在808 nm激光照射下的光熱性能系統(tǒng)性評估（選擇該波長因其對組織、血液和水的低吸收性及皮膚高穿透性）。使用功率密度0.7 W/cm²的808 nm近紅外激光照射不同濃度Van-CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)的PBS溶液時，溶液溫度隨量子點(diǎn)濃度增加和照射時間延長而快速上升。當(dāng)量子點(diǎn)濃度為0.4 mg/mL時，10分鐘照射后溫度從21.7°C升至46.6°C，該溫度可使細(xì)菌生命活動相關(guān)酶失活從而殺菌濃度達(dá)1.6 mg/mL時，溶液溫度可達(dá)77.9°C，而純PBS溶液溫度變化可忽略（圖4A）。選用0.4 mg/mL量子點(diǎn)溶液考察激光功率密度的影響（圖4B）：當(dāng)功率密度從0.7 W/cm²增至1.6 W/cm²時，最終溫度由46.3°C升至71.9°C。圖4C顯示，經(jīng)過三次照射循環(huán)，溫度-時間曲線未記錄到顯著變化，證實(shí)其優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性。圖4D進(jìn)一步通過熱成像圖直觀呈現(xiàn)了0.7 W/cm²功率密度下不同濃度量子點(diǎn)溶液的溫度分布差異。綜上，卓越的光熱性能確保了Van-CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)作為抗感染治療潛在光熱制劑的應(yīng)用前景。

圖3. 不同處理后金黃色葡萄球菌的成像

采用活/死細(xì)菌細(xì)胞染色分析表征Van-CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)的殺菌效果。存活的金黃色葡萄球菌被DAPI標(biāo)記為藍(lán)色熒光，而死菌則被碘化丙啶(PI)標(biāo)記為紅色熒光。如圖3A所示，PBS組未檢測到金黃色葡萄球菌的紅色熒光；相反，經(jīng)Van-CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)處理并施加808 nm激光照射的組別出現(xiàn)明顯紅色熒光，表明該組具有強(qiáng)抗菌效應(yīng)，此結(jié)果與前述抗菌實(shí)驗結(jié)果一致。為進(jìn)一步驗證抗菌效果，利用掃描電鏡(SEM)觀察不同處理后金黃色葡萄球菌的形態(tài)變化。圖3B顯示：對照組與單純808 nm激光照射組的菌體表面光滑、細(xì)胞膜完整無損；而Van-CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)+808 nm激光聯(lián)合處理組出現(xiàn)明顯的細(xì)胞膜形變，印證了該協(xié)同體系的強(qiáng)抗菌能力。有趣的是，SEM圖像中可見量子點(diǎn)附著在金黃色葡萄球菌周圍，表明Van-CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)對金黃色葡萄球菌具有良好的靶向能力。

圖4. Van-CuInSe2/ZnS QDs體內(nèi)腫瘤成像實(shí)驗

為研究Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)的體內(nèi)成像潛力，將小鼠背部皮下感染25 μL金黃色葡萄球菌于彼此遠(yuǎn)離的四個位點(diǎn)，菌濃度分別為0 CFU/mL、1 × 10^3 CFU/mL、1 × 10^7 CFU/mL、1 × 10^11 CFU/mL。隨后，在同四個位點(diǎn)皮下注射25 μL Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)。之后，在不同時間點(diǎn)記錄NIR-II熒光圖像。金黃色葡萄球菌感染高效監(jiān)測的示意圖如圖4A所示。如圖4B和C所示，注射Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)的小鼠在感染區(qū)域和對照組顯示出更高的熒光信號。在感染0 CFU/mL、1 × 10^3 CFU/mL、1 × 10^7 CFU/mL的位點(diǎn)顯示出相對簡單的光致發(fā)光強(qiáng)度趨勢，而在感染10^11 CFU/mL金黃色葡萄球菌的位點(diǎn)呈現(xiàn)波動模式；感染位點(diǎn)Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)標(biāo)記的金黃色葡萄球菌的光致發(fā)光強(qiáng)度變化模式證明了體內(nèi)金黃色葡萄球菌負(fù)荷的實(shí)時監(jiān)測，這反過來反映了金黃色葡萄球菌感染的發(fā)展過程：金黃色葡萄球菌感染發(fā)生后，入侵的金黃色葡萄球菌會首先受到先天免疫系統(tǒng)的攻擊，導(dǎo)致細(xì)菌負(fù)荷降至完全清除，因此，在1 × 10^3 CFU/mL和1 × 10^7 CFU/mL位點(diǎn)，光致發(fā)光強(qiáng)度隨時間開始下降。然而，在1 × 10^11 CFU/mL位點(diǎn)，Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)標(biāo)記金黃色葡萄球菌的光致發(fā)光強(qiáng)度起初注射后呈現(xiàn)增加，這表明量子點(diǎn)的聚集是由靶向作用引起的。隨后，光致發(fā)光強(qiáng)度下降至谷底，這反映了由于免疫反應(yīng)導(dǎo)致的細(xì)菌數(shù)量減少。隨后，熒光信號增加，這反映了在免疫反應(yīng)間歇期由于增殖導(dǎo)致的細(xì)菌數(shù)量激增。最終，熒光信號隨時間下降，表明從感染中自我康復(fù)。

圖5.（A）小鼠皮下感染金黃色葡萄球菌模型構(gòu)建及治療過程示意圖（4h）；（B）金黃色葡萄球菌感染小鼠在不同時間段以不同方式處理的數(shù)碼照片；（C）不同處理后注射Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)的小鼠的NIR II成像

受到Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)優(yōu)異的體外抗菌效果和令人滿意的體內(nèi)生物相容性鼓舞。Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)在體內(nèi)抗菌治療中的潛在應(yīng)用通過金黃色葡萄球菌誘導(dǎo)的皮膚感染模型進(jìn)行了評估。具體而言，在小鼠背部皮下注射1 × 10^9 CFU/mL的金黃色葡萄球菌導(dǎo)致皮下膿腫形成，隨后在注射后4小時進(jìn)行不同處理。圖5A展示了高效消除金黃色葡萄球菌誘導(dǎo)皮膚感染模型的實(shí)驗方案。如圖5B所示，在對照組、808 nm組和Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)組中，皮下注射金黃色葡萄球菌第二天后，膿皰從皮膚內(nèi)部出現(xiàn)；隨后，感染區(qū)域出現(xiàn)潰瘍，在第六天仍出現(xiàn)大面積傷口。對照組傷口面積最大，而Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)組觀察到輕微傷口。相比之下，及時使用Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)+808 nm治療的感染區(qū)域沒有出現(xiàn)膿皰。此外，注射Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)的小鼠在808 nm光照下膿腫區(qū)域顯示熒光。在Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)組中，熒光信號在第四天仍然出現(xiàn)；然而，在Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)+808 nm組進(jìn)行光熱治療后，炎癥逐漸愈合，熒光減少，在第四天幾乎觀察不到，如圖5C所示。當(dāng)Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)+808 nm用于治療12小時感染金黃色葡萄球菌的小鼠時，也獲得了類似的抗菌效果。這些結(jié)果表明Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)在808 nm激光照射下在體內(nèi)具有優(yōu)異的抗感染治療效果。

圖6. Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)治療細(xì)菌性傷口感染（A）小鼠細(xì)菌性傷口感染的紅外熱像圖；（B）第0天至第13天小鼠傷口的數(shù)碼照片；（C）分別在第1天和第13天在傷口中的金黃色葡萄球菌菌落板

此外，還采用金黃色葡萄球菌感染的小鼠皮膚傷口模型評估治療效果。首先評價了Van-CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)的光熱性能：如圖6A所示，在近紅外光照射下，含量子點(diǎn)實(shí)驗組的傷口區(qū)域溫度在5分鐘內(nèi)急速升至51.6°C，證實(shí)該量子點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)體內(nèi)高效光熱治療。隨后構(gòu)建金黃色葡萄球菌感染的皮膚創(chuàng)傷模型進(jìn)行療效研究，圖6B顯示不同處理組在第0、1、3、5、7、9、11和13天的創(chuàng)面照片。Van-CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)+808nm激光組的創(chuàng)面愈合效果顯著優(yōu)于其他組，表明該量子點(diǎn)在808nm激光照射下具備卓越抗菌性能。為驗證治療效果，分別在第1天和第13天采集創(chuàng)面分泌物進(jìn)行瓊脂平板活菌定量。如圖6C所示，量子點(diǎn)+近紅外組的菌落數(shù)量最少，顯著低于其余三組。上述結(jié)果證明：經(jīng)808nm激光激發(fā)的Van-CuInSe₂/ZnS量子點(diǎn)能有效對抗金黃色葡萄球菌感染，并加速感染部位痊愈。在實(shí)驗過程中，由于正常生長，各組小鼠的體重呈現(xiàn)類似的增加趨勢，表明Van-CuInSe2/ZnS量子點(diǎn)和808 nm光照對小鼠沒有明顯的副作用。

參考文獻(xiàn)

Geng H, Wang C, Dong Y, et al. In vivo dynamic monitoring and photothermal therapy of bacterial infection by NIR-II CuInSe2 quantum dots[J]. Chemical Engineering Journal, 2025, 508: 160924.

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