多剤耐性細菌感染症のin situ蛍光イメージングと局所光熱治療のための酵素応答性ターンオンナノプローブ

Enzyme-responsive turn-on nanoprobes for in situ fluorescence imaging and localized photothermal treatment of multidrug-resistant bacterial infections.

• Xuancheng Du
• Weijie Wang
• Chun Wu
• Bingqing Jia
• Weifeng Li
• Lin Qiu
• Pengju Jiang
• Jianhao Wang
• Yong-Qiang Li

抄録

多剤耐性菌感染症の早期診断・排除が最重要課題となっている。ここでは、我々は、in vivoのメチシリン耐性黄色ブドウ球菌（MRSA）感染症のin situ近赤外（NIR）蛍光イメージングと局所光熱治療（PTT）のためのゼラチナーゼ応答性ターンオンナノプローブを提示します。設計されたナノプローブ（AuNS-Apt-Cyと名付けられた）は、MRSA識別可能なアプタマーとゼラチナーゼ応答性ヘプタペプチドリンカー（CPLGVRG）-cypate複合体で機能化された金ナノスターをベースにしています。AuNS-Apt-Cyナノプローブは、金ナノスターコアとシペート色素との間の蛍光共鳴エネルギー移動により、水性環境下では非蛍光性である。我々は、AuNS-Apt-Cyナノプローブが、CPLGVRGリンカーの切断によるゼラチナーゼ（MRSA環境で過剰発現）応答性ターンオンNIR蛍光と、細菌の細胞壁と膜の破壊に関与するメカニズムを介した局所的なin vitro PTTを達成することができることを示しています。In vivo実験では、AuNS-Apt-Cyナノプローブは、糖尿病性創傷および移植骨プレートマウスモデルにおいて、高感度（105コロニー形成単位）で迅速（投与後1時間）およびin situターンオンNIR蛍光イメージングを可能にすることができることを示しています。驚くべきことに、AuNS-Apt-Cyナノプローブは、ターンオン近赤外蛍光イメージングのガイダンスの下で、糖尿病性創傷および移植骨プレートに関連するMRSA感染症の効率的な局所PTTを可能にし、in vivoでのMRSA感染症の早期診断および治療のための堅牢な能力を示しています。さらに、このナノプローブは、MRSA感染部位にターゲットを絞って蓄積されるため、PTT中に周囲の健康な組織へのダメージはほとんどなく、その優れた生体適合性を保証し、PTTベースの抗菌戦略の臨床応用を妨げる主なボトルネックを解決しています。

Sensitive diagnosis and elimination of multidrug-resistant bacterial infections at an early stage remain paramount challenges. Herein, we present a gelatinase-responsive turn-on nanoprobe for in situ near-infrared (NIR) fluorescence imaging and localized photothermal treatment (PTT) of in vivo methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) infections. The designed nanoprobe (named AuNS-Apt-Cy) is based on gold nanostars functionalized with MRSA-identifiable aptamer and gelatinase-responsive heptapeptide linker (CPLGVRG)-cypate complexes. The AuNS-Apt-Cy nanoprobe is non-fluorescent in aqueous environments due to the fluorescence resonance energy transfer between the gold nanostar core and cypate dye. We demonstrate that the AuNS-Apt-Cy nanoprobe can achieve MRSA targeting and accumulation as well as gelatinase (overexpressed in MRSA environments)-responsive turn-on NIR fluorescence due to the cleavage of the CPLGVRG linker and localized in vitro PTT via a mechanism involving bacterial cell wall and membrane disruption. In vivo experiments show that the AuNS-Apt-Cy nanoprobe can enable rapid (1 h post-administration) and in situ turn-on NIR fluorescence imaging with high sensitivity (105 colony-forming units) in diabetic wound and implanted bone plate mouse models. Remarkably, the AuNS-Apt-Cy nanoprobe can afford efficient localized PTT of diabetic wound and implanted bone plate-associated MRSA infections under the guidance of turn-on NIR fluorescence imaging, showing robust capability for early diagnosis and treatment of in vivo MRSA infections. In addition, the nanoprobe exhibits negligible damage to surrounding healthy tissues during PTT due to its targeted accumulation in the MRSA-infected site, guaranteeing its excellent in vivo biocompatibility and solving the main bottlenecks that hinder the clinical application of PTT-based antibacterial strategies.