新型比色創可貼:細菌感染一貼就好!

近年來,抗生素的濫用導致耐藥菌株的出現和發展一直是人類健康面臨的最嚴重威脅之一。目前,每年有700,000例死亡與抗菌素耐藥性有關,因此早期檢測出細菌感染和耐藥菌對治療方案的選擇非常重要。然而,檢測感染的常用方法受到對專業人員的需求以及昂貴儀器的限制。

世界衛生組織(WHO)受便攜式和低成本設備的啟發,認為紙質設備(PBD)的可持續性、生物安全性、低成本和易於制作的特性有望成為有前途的抗菌治療平臺。近年來,PBD已被廣泛用於便攜式生物傳感器和滅菌紙。但是,尚未出現通過PBD來實現細菌的感測與治療功能的報道。

亮點

近期,中科院長春應用化學研究所的曲曉剛研究員開發瞭一種用於感測和治療耐藥菌的便攜式紙基創可貼(PBA)該創可貼就像細菌耐藥性比色卡一樣通過顏色變化來判斷是否存在抗藥性細菌,並實施選擇性抗菌策略。研究人員通過PBA成功地檢測並有效地治療瞭大腸桿菌(E. coli)的藥物敏感(DS)和耐藥(DR)菌株。該設計可以最大化治療效果並用肉眼實時跟蹤檢測耐藥菌,同時制作成本低且易於操作,為細菌感染的檢測和治療開辟瞭一條新的途徑。

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PBA的設計與制備

研究人員首先在90°C下合成瞭基於卟啉的MOF納米顆粒PCN-224;然後將殼聚糖(CS)附著在PCN-224表面上得到PCN-224@CS(CP)以實現酸響應特性。圖1的SEM和TEM顯示CS的修飾不會影響MOF結構的完整性。

隨後,如圖1C所示,將CP固定在無菌纖維素紙上得到便於攜帶的Paper@CP,纖維素紙的羥基被高碘酸鹽氧化成醛基;然後通過形成的仲胺將CP均勻分佈在紙上,從而成功得到瞭CP改性的纖維素紙PBA

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圖1. PBA的制備與表征

PBA感測細菌感染

研究人員將大腸桿菌與CP和BTB的混合物共同孵育,結果如圖2B所示,隨著細菌濃度的增加,添加DS或DR的E. coli,PBA均會變成黃色,表明其具有酸響應性的能力。

隨後將E. coli溶液滴到PBA試紙上,如圖2C所示,在DR E. coli存在下,PBA從綠色變為紅色,並且細菌濃度越高,PBA的紅色越深,這符合臨床診斷的需要。這表明瞭可通過PBA的顏色變化感測細菌感染並提示細菌的耐藥性。

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圖2.PBA檢測細菌感染和耐藥菌

PBA在選擇性治療中的應用

隨後,研究人員進行瞭圖3所示的選擇性抗菌實驗。制備瞭四個CP量的PBA,對於DS E. coli,其存活率隨CP量的增加而明顯降低;而CP濃度變化對DR E. coli的存活率沒有顯著影響,但在光照射後其生存能力變得極低。這表明,單獨的化學療法可以治療DS E. coli感染,而DR E. coli則需要化學療法和光動力療法相結合。這也表明瞭PBA是選擇性抗菌的有前途的方法。

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圖3. PBA的選擇性治療表征

有效期檢測

有效期是設備在實際應用中的重要指標,研究人員將PBA置於4°C下密封保存,然後取出進行感測和抗菌實驗,結果如圖4所示,一個月後PBA仍然對DS和DR E. coli顯示出相應的顏色變化,並保持瞭對E. coli有效的滅菌能力。因此,PBA的有效期至少為一個月。

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圖4. PBA有效期的檢測

PBA消毒小鼠傷口

研究人員將PBA用於感測和治療受傷的小鼠。如圖5A所示,將傷口分別用DS和DR E. coli感染,並將PBA附著在傷口上。

對於DS E. coli感染,所有試紙均呈黃色,傷口在第三天幾乎完全愈合;對於DR E. coli感染,PBA均顯示紅色,並且當采用光動力療法和PBA組合治療時,傷口愈合得更好。這表明瞭PBA可有效地對E. coli的感染進行感測,從而有助於治療方案的選擇。

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圖5.PBA消毒小鼠傷口

PBA的應用潛力

最後,研究人員構建瞭圖6所示的受感染番茄模型,並將PBA附著在感染部位,以進一步證明PBA的感測和治療潛力。

在混合菌株組中,PBA在第二天出現紅色,如果不加任何光處理,3天後西紅柿的感染部位就會變軟且凹陷,並且表面出現瞭數千種細菌。進一步證實瞭PBA具有感知細菌感染並實時監測耐藥菌的能力。

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圖6.PBA治療期間的番茄照片

在本篇文章中,研究人員構建瞭一種可視化的便攜式PBA,可感測耐藥菌並實施選擇性抗菌策略,與傳統的抗菌策略相比,該PBA可以通過肉眼實時跟蹤耐藥菌,減輕瞭脫靶效應的副作用,符合臨床診斷的需要。我們相信這項技術有望為細菌感染的檢測和治療提供新的方法,將極大地推動新一代醫療應用的開發!

原文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.9b01104

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