本文要点：体内荧光成像技术能够准确获取动态生物信息，对于细菌感染病症的早期诊断和治疗起到了至关重要的作用。本研究中，使用Cy7-CH₃作为碳源，多巴胺盐酸盐作为表面缓冲剂，合成了一种近红外II发射的碳点纳米探针（CyCDs）。值得注意的是，碳源的π共轭体系和刚性平面结构可以扩展吸收和发射波长范围。氨基的存在使得CyCDs具有正电荷的zeta电位（+0.32 mV），有助于促进CyCDs与细菌的相互作用。有趣的是，CyCDs只能染色耐药细菌的细胞壁，而正常细菌在整个细胞上都有明亮的荧光信号。这一现象使得能够在体外鉴别出耐药细菌。此外，CyCDs可以用于监测免疫系统与感染细菌之间的相互作用，并指导及时使用抗生素。

CyCDs的制备可以通过在甲醇溶液中将Cy7-CH₃和多巴胺盐酸盐在高压釜中加热至180摄氏度，保持4小时，然后通过硅胶柱色谱纯化（见图1）来轻松完成。

图2介绍了通过溶剂热处理法合成的具有NIR-II发射的碳点（CyCDs）的性质和特征。CyCDs呈球状结构，平均直径为3.11nm，具有良好的晶格结构。XRD和HR-TEM表征确认它们为晶体，具有高稳定性，其成分主要为由C（80.82%）、O（15.08%）和极低比例的N（4.1%）组成；表面带正电性质，富含氨基。光学性质方面，CyCDs在近红外区域显示荧光，并具有稳定的荧光特性，可作为生物成像的荧光探针。其绝对荧光量子效率（Φf）达到15.3%，相比于前体物质Cy7-CH3有显著提升。

图2.CyCDs的表征结果

图3说明了CyCDs表面上的氨基使其能够快速接近并与金黄色葡萄球菌等细菌发生作用。细菌的细胞壁含有带负电荷的磷酸成分，可以与CyCDs表面的磷酸基团结合。在共聚焦激光扫描显微镜下观察到，金黄色葡萄球菌的细胞表面在与CyCDs共孵育1分钟后会快速发亮。随着共孵育时间的增加，细菌的荧光信号明显增强，但仍然保持在细菌的表面上，类似的现象也在与其他耐药细菌混合后与CyCDs接触时观察到。与此同时，CyCDs也能迅速穿透正常细菌，并发出强烈的荧光信号，表明基于CyCDs的荧光成像能够实现对耐药细菌的特异性识别。

图3.NIR-II成像CyCDs特异性识别耐药细菌

图4说明了对于实现近红外二区荧光成像，首先进行了CyCDs溶液的体外成像实验。随着CyCDs浓度增加，溶液的NIR-II荧光信号相应增强。此外，在低浓度下也可以通过调整曝光时间产生NIR-II荧光信号，为体内细菌检测提供了可能。接着，通过将CyCDs与细菌（金黄色葡萄球菌和大肠杆菌）在体外共培养5分钟，研究了CyCDs对细菌的标记效率。结果显示，在细菌沉淀中能检测到强烈的荧光信号，而在离心后上清液中没有荧光信号，证明了CyCDs能够迅速成功地标记细菌。此外，在使用1100纳米长通滤光片过滤后，细菌沉淀中观察到最强的荧光信号，暗示了与细菌相互作用后，CyCDs的发射峰可能发生了红移。总的来说，CyCDs在体外表现出高效的细菌标记能力，为体内细菌检测提供了有前景的探针。

图4.NIR-II体外成像实验结果

图5描述了在活体BALB/c小鼠模型中进行的针对金黄色葡萄球菌感染的近红外二区荧光成像实验。实验结果显示，在感染部位迅速出现了荧光信号，而对照组则没有。随后观察到荧光信号区域从注射后的10分钟到5小时内增加，并在5小时时达到峰值，反映了细菌数量的激增。随后在注射后24小时，荧光信号区域下降，表明免疫系统攻击了侵入的细菌，导致了细菌负载的减少。最后，在缺乏进一步处理的情况下，从注射后48小时开始，荧光信号和区域增加，表明细菌负载随时间增加。此外，通过姬式染色法进一步验证了感染部位7天后的细菌残留情况。这些实验结果表明，NIR-II成像可以准确监测整个细菌感染过程。同时，通过分析炎症因子，如IL-6、CD11B、TNF-α和MCP-1，也可以评估免疫和炎症反应的变化，进一步研究了细菌感染与免疫系统的相互作用。

在这项研究中，科研人员通过将青菁染料和多巴胺盐酸盐作为原材料，采用溶剂热反应形成了CyCDs（直径约3.11nm），其在1100至1200nm范围内显示明显的NIR-II发射，峰值位于1160nm。CyCDs表面的氨基使其能够迅速高效地与细菌结合，使得其在PBS缓冲液中具有低背景荧光的特点，从而实现了高性能的无水洗细菌成像。由于耐药细菌表面存在外流泵系统，CyCDs只能染色耐药细菌表面，而正常细菌的荧光信号会覆盖整个细胞，这实现了对耐药细菌的体外识别。NIR-II荧光成像实验证明，所得的CyCDs可以长期检测细菌负载的动态变化，并反映了免疫系统与细菌感染之间的关系，有助于未来临床实践中抗生素治疗的优化。

参考文献

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.