隨著抗生素的濫用,臨床多重耐藥菌(超級細(xì)菌)的出現(xiàn)嚴(yán)重危害了住院病人和老齡人口的生命健康,由此,對于超級細(xì)菌便捷、快速的探測將有助于細(xì)菌感染的早期診斷和精準(zhǔn)治療。針對傳統(tǒng)微生物檢測技術(shù)操作繁復(fù)、耗時長、對儀器設(shè)備要求高等缺陷,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種新型簡易的多色熒光傳感陣列,實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌的高效識別與區(qū)分。前期研究工作中,團(tuán)隊(duì)與美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Jonathan Sessler教授團(tuán)隊(duì)合作,對FDA批準(zhǔn)的一種鐵螯合劑藥物Deferasirox (ExJade)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性,合成了具有熒光性質(zhì)的ExJade衍生物,并初步驗(yàn)證了其在細(xì)菌生物被膜熒光可視化中的應(yīng)用(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 1278-1283)。
在上述研究基礎(chǔ)上,團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對ExJade的多個苯環(huán)取代位點(diǎn)進(jìn)行化學(xué)修飾,通過調(diào)控母體結(jié)構(gòu)的電子供受體效應(yīng),構(gòu)建了熒光發(fā)射幾乎涵蓋全可見光譜帶的ExJade衍生物庫。理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究表明,這些衍生物在水溶液中表現(xiàn)出包括聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)、激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移(ESIPT)和電荷轉(zhuǎn)移等在內(nèi)的混合發(fā)光機(jī)制,并可通過與三價鐵離子的螯合猝滅本征熒光。熒光成像實(shí)驗(yàn)表明,該系列衍生物可實(shí)現(xiàn)細(xì)菌的多熒光通道成像,且與商業(yè)細(xì)菌染料Syto 9不串光,為細(xì)菌的精準(zhǔn)可視化研究提供了新的化學(xué)工具。此外,團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了基于ExJade多色熒光衍生物庫的細(xì)菌傳感陣列,針對細(xì)菌對該系列衍生物不同的內(nèi)化動力學(xué),以及衍生物對細(xì)菌內(nèi)源性三價鐵離子差異化的熒光猝滅動力學(xué),選取最大熒光差異窗口獲得該陣列對不同細(xì)菌的高通量特征識別信號,繼而應(yīng)用主成分分析法對獲取信號進(jìn)行降維分析,成功實(shí)現(xiàn)了革蘭氏陽性菌和陰性菌,臨床分離耐藥菌和藥敏菌,以及經(jīng)藥物誘導(dǎo)產(chǎn)生不同耐藥性金黃色葡萄球菌之間的精準(zhǔn)區(qū)分,從而為臨床超級細(xì)菌的快速甄別提供了一種高效、簡易的新型化學(xué)探測工具。
化學(xué)與分子工程學(xué)院青年教師胡習(xí)樂博士、美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Adam Sedgwick博士和Daniel Mangel博士為本文共同第一作者,賀曉鵬教授、Jonathan Sessler教授和Adam Sedgwick博士為本文共同通訊作者,研究工作得到了田禾院士的悉心指導(dǎo)。研究工作的光學(xué)性能測試和微生物實(shí)驗(yàn)主要由化學(xué)學(xué)院博士研究生尚瑩、甘慧麒協(xié)助完成。本研究獲得了國家自然科學(xué)基金委、材料生物學(xué)與動態(tài)化學(xué)教育部前沿科學(xué)中心、上海市科技重大專項(xiàng)、上海市科委國際合作項(xiàng)目資助。
原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c01155。
參考資料:https://chem.ecust.edu.cn/2022/0604/c6623a145462/page.htm
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