Nature子刊：何耀/洪佳旭团队开发新型体内生物发光成像系统，实现深层组织活细菌成像

微生物在健康和疾病中发挥着许多重要作用。细菌在体内的活动很大程度上受到它们在宿主体内的位置的影响。现有的临床影像学方法如计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）等均可提供体内细菌感染的无创成像。然而，由于它们的选择性相对较差，无法区分细菌感染引起的炎症和其他原因如癌症或自身免疫性疾病引起的炎症。

近年来，光学成像技术可以在分子水平上提供定位、定性和定量的细菌信息。荧光成像作为应用最广泛的光学成像方法，需要实时的光激发，但这可能导致生物组织的背景自身荧光，导致信背比相对较差。

由于无需外部光照射，生物发光成像（BLI）具有比荧光成像更低的背景、更高的灵敏度等优点。目前，用于细菌检测的生物发光成像系统基本可以分为两类：

1）内源性BLI系统，涉及细菌基因工程表达荧光素酶；

2）外源性BLI系统，在细菌裂解产生的ATP存在下，外源性荧光素酶催化外源性荧光素或笼状荧光素底物氧化产生自发光。

尽管生物发光成像（BLI）取得了很大的进步，但它在细菌成像方面仍存在固有不足，主要表现在两方面，一是内源性BLI系统需要对细菌进行基因改造；二是外源性BLI系统需要破坏细菌细胞以消耗细胞内ATP，因此无法对活细菌进行成像。

2023年4月22日，苏州大学何耀教授、王后禹研究员、复旦大学附属眼耳鼻喉科医院洪佳旭主任医师等在 Nature Communications 期刊发表了题为：In vivo bioluminescence imaging of natural bacteria within deep tissues via ATP-binding cassette sugar transporter 的研究论文。

该研究利用细菌特异性ATP结合盒（ABC）糖转运蛋白，开发了高效的体内生物发光成像系统——特洛伊-生物发光成像（Trojan-BLI）系统。该成像系统能够对从细菌性眼内炎患者收集的含有十种病原体的人玻璃体进行体外生物发光成像。通过这一成像平台，还能进一步区分化学发光技术无法区分的小鼠细菌性和非细菌性肾炎和结肠炎。此外，还可以对深层组织中的病原体进行光热治疗。

将生物发光报告物选择性转运到细菌细胞中，直接消耗细菌内部的ATP，是一种有希望的对活细菌进行生物发光成像（BLI）的方法。早在1980年代，科学们家们提出了抗生素的“特洛伊木马”策略，将抗生素与铁载体结合，从而通过细菌的铁转运系统将抗生素转运到细菌细胞内。

研究团队此前已经证明了研究团队已经证明了葡萄糖聚合物（GP）修饰的纳米探针可以通过细菌特异性ABC糖转运蛋白途径内化到各种细菌中。而目前还没研究尝试使用“特洛伊木马”策略选择性地将生物发光指示器递送到细菌中。

为了填补这一技术空白，研究团队通过细菌特异性ATP结合盒（ABC）糖转运体将荧光素酶（Luciferase）和荧光素（Luciferin）选择性递送到不同的天然细菌中，具体方法是将它们搭便车到α(1-4)-糖苷连接的葡萄糖聚合物（GP）连接的纳米颗粒上，GP是普遍存在的碳源，可以通过ABC糖转运体被稳健地摄取并内化到细菌细胞中。

以大肠杆菌中的ABC糖转运蛋白为例，它有5个亚基：LamB、MalE、MalF、MalG和MalK。其中，LamB是典型的外膜扩散孔蛋白，MalE可以识别α(1-4)-糖苷连接的GP分子。利用这种摄取机制，小尺寸（~5nm）的GP修饰的纳米颗粒，包括硅纳米颗粒、金纳米颗粒和碳点，最近被证明可以选择性和稳健地摄取并内化到细菌细胞中。

类似地，在这项研究中，实验结果显示，革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均能积极吞噬合成的生物发光探针（葡萄糖聚合物、荧光素酶、Cy5和ICG修饰的硅纳米颗粒，GP-Si-BPs）及其底物（葡萄糖聚合物、D-Lucifein修饰的硅纳米颗粒，GP-Si-luc）。GP-Si-Luc中的荧光素（D-Lucifein）内化到细菌细胞后，直接被细菌内的ATP激活，然后由GP-Si-BPs中的荧光素酶（Luciferase）催化氧化。

通过进一步采用能量转移中继，整合荧光素酶和Cy5之间的生物发光能力共振转移（BRET）和Cy5和ICG之间的荧光能量共振转移（FRET），开发的特洛伊-生物发光成像（Trojan-BLI）探针，能够对深层组织内的细菌进行近红外（NIR）成像。此外，负载的ICG还允许在近红外照射下光热杀死细菌。

该研究证明了特洛伊-生物发光成像（Trojan-BLI）策略允许在细菌性眼内炎患者的玻璃体中对十种细菌进行体外生物发光成像，还证明了该策略不仅可以在小鼠细菌性肾炎和结肠炎的概念验证模型中实现选择性和灵敏性成像，还可以对深层组织中的病原体进行光热治疗。

基于特洛伊-生物发光成像（Trojan-BLI）策略的小鼠结肠炎模型的体内成像

基于特洛伊-生物发光成像（Trojan-BLI）策略的细菌性肾炎小鼠体内抗菌活性研究

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-37827-9