新型化学生物学细菌表面双酶锚定策略助力尿路感染局部精准成像

尿路感染（Urinary tract infections，UTI）仍然是临床中一种普遍且复发率高的传染病，对人类健康构成了重大威胁。据统计，全球每年有超过1.5亿人受到UTI的困扰，且这一数字还在不断上升。UTI不仅给患者带来极大的痛苦，同时也造成了沉重的医疗负担。并且随着抗生素耐药性的不断增强，传统的尿路感染诊断方法已难以满足当前医疗需求。目前已知，在与尿路感染发展相关的各种泌尿系统病原体中，约70-90%的尿路感染由尿路致病性大肠杆菌（Uropathogenic Escherichia coli，UPECs）引起。作为尿路感染的主要病原体，UPECs快速准确的诊断对于及时治疗和防止抗生素耐药性的发展至关重要。然而，传统的诊断方法包括标准尿液培养和细菌分离等存在诸多限制，其耗时长、临床检测操作繁琐，且准确性不足等缺点迫切需要一种新的诊断思路来突破现有技术瓶颈。

针对这些难题，新加坡南洋理工大学邢本刚教授课题组、厦门大学刘刚教授课题组合作开发了一种技术创新、设计新颖的受环境响应激发、准确病灶定位的小分子多肽近红外荧光探针——NO-AH。该多肽探针巧妙地利用UPECs细菌生物膜结构的特点，根据不同蛋白酶在细菌膜结构不同部位的空间分布，使其能够特异性地被UPECs细菌表面的OmpT以及膜周质APN酶层级识别并激活。具体而言，外膜OmpT酶首先触发探针的初步切割，释放出可被UPECs周质APN酶进一步识别的中间产物，在双酶协同作用下，最终特异性地将激活的近红外半花菁荧光探针锁定在UPECs膜间质区域。这种双重酶协同分子切割激活机制不仅确保了探针只在UPECs存在时才会发光，并且其荧光信号能够在UPECs细菌的周质空间实现特异定位，这使得在体外和活体内实验中对UTI感染部位的精准成像成为可能（图1）。

图1. NO-AH探针被UPECs双酶特异性激活机制

研究团队通过体外实验验证了NO-AH探针的稳定性和光学特性（图2a,b），实验结果显示，NO-AH探针在同时孵育OmpT和APN时，荧光强度显著增强，证明了双酶协同作用在探针识别中的重要性。为了验证NO-AH探针在实际细菌中的成像效果，研究团队选择了三种高OmpT表达的UPECs菌株（E. coli CFT073, E. coli UTI89和E. coli J96）进行测试（图2c,d）。结果显示，这三种菌株在NO-AH探针孵育后，均表现出强烈的荧光信号，而对照菌株（如MRSA, E. faecalis和P. mirabilis）则无明显荧光增强。这一结果清晰地展示了NO-AH探针在特异性靶向UPECs方面的优越性能。特别值得一提的是，放大的荧光成像显示了CFT073菌株表面形成了一个独特的轮廓（见图2e），这预示了探针NO-AH在细菌的周质空间具有精确的定位。此外，通过构建小鼠UTI模型，研究团队还证实了该探针在活体内的成像效果（图2f-i）。无论是通过膀胱内注射还是静脉注射，NO-AH探针都能在感染部位产生明显的荧光增强且信号持久，证实了其在实时监测和定位UTI感染方面的潜力和准确性。这项研究为UTI的诊断提供了一种新颖、快速且准确的化学生物学成像方法。与传统的尿液培养相比，NO-AH探针能够实现对UPECs感染的直接可视化，从而有望减少误诊的风险，提高治疗的及时性和有效性。随着进一步的研究和开发，NO-AH探针有望成为临床上UTI诊断和管理的重要工具。

图2：NO-AH探针的体外表征及体内成像

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的共同第一作者分别是南洋理工大学硕士生研究生Evelias Yan Hui Xin、博士研究生Germain Kwek和厦门大学博士生Xiaoyu An。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Enzymes in Synergy: Bacteria Specific Molecular Probe for Locoregional Imaging of Urinary Tract Infection in vivo 

Evelias Yan, Germain Kwek, Xiaoyu An, Caixia Sun, Songhan Liu, Shuang Qing Ng, Shonya Lingesh, Lai Jiang, Gang Liu, Bengang Xing

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202406843

邢本刚教授简历

邢本刚，南洋理工大学（NTU）化学、化工和生物技术学院（CCEB）教授。邢本刚博士近年来主要从事化学生物学，分子探针及标示设计、近红外光控生物调节以及纳米医药等交叉领域方面的研究。迄今为止，邢本刚博士在Sci Adv, Nat Comm, Chem Soc Rev., Angew Chem Intl Ed., J Am Chem Soc., 等国际知名学术期刊上发表学术论文160余篇，20篇国际专利，7本专著等。担任若干学术杂志编辑委员会委员，执行副主编等，并在多个国际学术组织担任职务。

课题组网页: 

https://personal.ntu.edu.sg/bengang/  

https://www.x-mol.com/university/faculty/4461