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为解决细胞内细菌感染检测与治疗难题，研究人员开展 “超分子识别与诊断引导治疗细胞内细菌” 研究。构建超分子传感器阵列识别细菌，筛选出 ManAC4A 载药系统。该研究为治疗细胞内细菌感染提供新范式，意义重大。
在全球范围内，细菌感染已然成为严重威胁公众健康的一大 “劲敌”。2019 年，细菌感染导致 770 万人丧生，它也因此成为全球第二大死因。而那些狡猾地藏身于细胞内的细菌，更是难对付的 “顽固分子”。像金黄色葡萄球菌（SA）、单核细胞增生李斯特菌（LM）和鼠伤寒沙门氏菌（ST）等，它们不仅能巧妙地躲避抗生素的攻击，还能逃过免疫细胞的 “追捕”，在哺乳动物细胞，尤其是巨噬细胞内安营扎寨。巨噬细胞本应是细菌的 “克星”，但在这些细胞内细菌面前，却常常 “缴械投降”，不仅无法消灭细菌，反而成为细菌繁殖的 “温床”，助力细菌扩散到身体各个组织，引发败血症、骨髓炎甚至癌症转移等严重疾病。临床治疗细胞内细菌感染效果不佳，主要原因有两个：一是难以快速准确地识别细菌种类，导致无法及时进行精准治疗；二是宿主细胞的细胞膜屏障，使得抗生素难以在细胞内有效积累。这不仅容易造成抗生素的不当使用，还会加剧细菌的耐药性。所以，准确识别细胞内细菌种类并实现诊断引导治疗，成为亟待解决的关键问题。
为了攻克这一难题，南开大学的研究人员开展了深入研究。他们提出了一种串联诊断引导治疗范式，构建了超分子传感器阵列用于识别细胞内细菌，并筛选出定制的宿主 - 客体药物递送系统（DDS），为细胞内细菌感染的治疗带来了新希望。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员在研究过程中用到了多个关键技术方法。在细菌识别方面，运用线性判别分析（LDA）和主成分分析（PCA）对传感器阵列的荧光响应数据进行处理和分析；通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察细胞内细菌与相关物质的共定位情况；利用紫外 - 可见光谱（UV - Vis）定量分析细胞摄取的杯芳烃浓度以及监测杯芳烃的还原动力学。在动物实验中，建立小鼠腹腔感染模型，通过平板菌落计数法测定小鼠腹腔液中细胞内、外及总细菌数量，并利用酶联免疫吸附测定（ELISA）检测细胞因子水平。
下面来看具体的研究结果：
- 超分子传感器阵列的设计：研究人员设计了三类不同上缘修饰的偶氮杯 [4] 芳烃，包括碳水化合物修饰、氨基酸修饰和羧基 / 磺酸基修饰的偶氮杯 [4] 芳烃。它们能与感染细胞和细菌发生不同程度的相互作用，并对细菌感染诱导的缺氧微环境产生响应。这些偶氮杯 [4] 芳烃与荧光指示剂结合形成超分子传感器阵列，通过多种机制感知感染细胞的表型变化，实现对细胞内细菌的简单、快速、准确识别。
- 细胞内细菌的鉴别：以 SA、MRSA 等八种细菌为目标病原体，将含有偶氮杯 [4] 芳烃和荧光指示剂 CY5 的传感器单元与感染及未感染的巨噬细胞共孵育。结果显示，每个传感器单元对不同的细胞内细菌呈现出不同的荧光强度，通过 LDA 分析，能将感染不同细菌的巨噬细胞和未感染的巨噬细胞清晰区分开，交叉验证的鉴别准确率达到 100%。对于混合病原体样本，以及不同浓度的细菌样本，该传感器阵列也能有效区分，在对小鼠腹腔液样本的检测中，成功识别出盲法样本中的细菌种类，初步证明了其实际诊断应用潜力。
- 鉴别原理分析：研究人员推测传感器阵列产生差异信号的过程包括：细胞表面的竞争客体通过指示剂置换分析（IDA）使 CY5@偶氮杯 [4] 芳烃报告对的荧光猝灭得以恢复；细菌感染的巨噬细胞对不同修饰基团的偶氮杯 [4] 芳烃摄取能力不同；偶氮杯 [4] 芳烃的偶氮键在细胞内细菌感染导致的缺氧微环境中被还原，释放指示剂的程度不同。通过实验验证，发现不同偶氮杯 [4] 芳烃与感染巨噬细胞的相互作用不同，巨噬细胞对不同偶氮杯 [4] 芳烃的摄取量存在差异，且不同偶氮杯 [4] 芳烃在缺氧条件下的还原动力学也不同。其中，ManAC4A 在被测试的感染细菌的巨噬细胞中的摄取量最高，展现出作为药物递送载体的巨大潜力。
- 宿主 - 客体 DDS 的体外抗细胞内细菌活性：以经传感器阵列识别的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）盲法样本为例，研究 ManAC4A 作为缺氧响应性药物递送载体的性能。实验表明，ManAC4A 能自组装成纳米颗粒，与 MRSA 有良好的共定位效果，促进抗生素多西环素（Dox）进入细菌。在体外抗菌实验中，Dox@ManAC4A 在缺氧条件下对 MRSA 的杀菌效果显著优于其他对照组，能有效减少细胞内 MRSA 数量，降低巨噬细胞中促炎细胞因子 TNF - α 和 IL - 6 的表达水平。
- 生物相容性和体内抗菌功效评估：对 ManAC4A 进行生物安全性评估，结果显示其对 RAW 264.7 巨噬细胞的毒性极低，在小鼠体内也未表现出明显毒性。在 MRSA 感染的腹膜炎小鼠模型中，Dox@ManAC4A 能有效清除细胞内、外的 MRSA，调节炎症反应，减轻肝脏和肺组织损伤，降低血液中白细胞计数和中性粒细胞比例，展现出优异的体内抗菌疗效。
研究结论表明，该研究提出的串联诊断引导治疗范式，通过超分子传感器阵列实现了对细胞内细菌的快速准确鉴别，基于鉴别原理筛选出的 ManAC4A 作为药物载体，显著提高了抗生素对细胞内细菌感染的治疗效果。这一研究成果为细胞内细菌感染的治疗提供了全新的范式，在对抗细菌感染性疾病方面具有广阔的应用前景，有望为临床治疗带来新的突破和变革，推动生命科学和健康医学领域的进一步发展。
