本文要點：細菌感染性疾病嚴重威脅人類生命安全，亟需開發簡便、快速、高效且安全的精準診療協同技術。本研究成功合成發射峰位于1190 nm的近紅外CuInSe?量子點，經ZnS包覆后發射峰遷移至1026 nm。通過在親水性CuInSe?/ZnS量子點上修飾萬古霉素，構建了可靶向金黃色葡萄球菌的熒光納米探針（Van-CuInSe?/ZnS），實現了體內細菌感染進程的實時監測。該納米體系兼具優異的光熱轉換特性和生物相容性，不僅能實現體內細菌性炎癥的精準靶向NIR-II熒光成像，還能有效治療小鼠皮下細菌感染及創面細菌感染，在細菌感染性疾病治療領域展現廣闊應用前景。

活體成像

方案1. 基于Van-CuInSe2/ZnS量子點NIR-II發光的小鼠細菌性傳染病監測與治療示意圖

本工作中，通過熱注射法在不同時間合成CuInSe2。隨后，將薄層ZnS殼包覆至CuInSe2上以保護表面Cu?離子免受氧化并減少表面缺陷，從而增強了CuInSe2量子點的NIR-II光致發光強度及光穩定性。此外，CuInSe2/ZnS量子點已成功相轉移至水相介質并經萬古霉素(Van)功能化修飾，該診斷工具通過特異性結合細菌細胞壁上的D-Ala-D-Ala末端肽，展現出對革蘭氏陽性菌的優先選擇性活性，這不僅促進監測細菌感染與免疫系統的相互作用，還能在808 nm激光照射下實現體內細菌感染的精準治療，如方案1所示。該多功能納米平臺為細菌感染提供了靶向熒光成像引導的可視化光熱治療。

圖1. Van-CuInSe2/ZnS QDs的表征

為實現生物成像目的，需通過配體交換使親水功能化的CuInSe?/ZnS量子點與萬古霉素偶聯，以應用于生物體系，該探針在PBS溶液中具有良好分散性。如圖1A和B所示，傅里葉變換紅外光譜(FTIR)驗證了CuInSe?@ZnS量子點的MPA與Van表面修飾：在MPA-CuInSe?/ZnS量子點中觀察到~1719 cm?1處MPA分子的C=O特征吸收峰，在Van-CuInSe?/ZnS量子點中觀察到~1655 cm?1處Van分子的–NH?特征吸收峰，證實MPA與Van已成功組裝于CuInSe?@ZnS表面。圖1C顯示了配體交換前后CuInSe?與CuInSe?/ZnS量子點的熒光光譜。CuInSe?量子點的光致發光強度因表面缺陷和表面Cu?離子氧化而被顯著抑制；引入ZnS后，在808 nm激發光下光致發光峰從1190 nm偏移至1026 nm，這可能歸因于核/殼界面處形成合金以及CuInSe?量子點表面寬禁帶ZnS薄殼過度生長導致核心CuInSe?有效尺寸收縮。XRD結果顯示如圖1D所示，MPA-CuInSe?量子點的特征峰與CuInSe?及CuInSe?/ZnS量子點幾乎重疊，表明配體交換后未引入異相。

圖2. Van-CuInSe2/ZnS QDs的熱成像實驗

圖4A-D展示了Van-CuInSe?/ZnS量子點在808 nm激光照射下的光熱性能系統性評估（選擇該波長因其對組織、血液和水的低吸收性及皮膚高穿透性）。使用功率密度0.7 W/cm2的808 nm近紅外激光照射不同濃度Van-CuInSe?/ZnS量子點的PBS溶液時，溶液溫度隨量子點濃度增加和照射時間延長而快速上升。當量子點濃度為0.4 mg/mL時，10分鐘照射后溫度從21.7°C升至46.6°C，該溫度可使細菌生命活動相關酶失活從而殺菌濃度達1.6 mg/mL時，溶液溫度可達77.9°C，而純PBS溶液溫度變化可忽略（圖4A）。選用0.4 mg/mL量子點溶液考察激光功率密度的影響（圖4B）：當功率密度從0.7 W/cm2增至1.6 W/cm2時，最終溫度由46.3°C升至71.9°C。圖4C顯示，經過三次照射循環，溫度-時間曲線未記錄到顯著變化，證實其優異的光熱穩定性。圖4D進一步通過熱成像圖直觀呈現了0.7 W/cm2功率密度下不同濃度量子點溶液的溫度分布差異。綜上，光熱性能確保了Van-CuInSe?/ZnS量子點作為抗感染治療潛在光熱制劑的應用前景。

圖3. 不同處理后金黃色葡萄球菌的成像

采用活/死細菌細胞染色分析表征Van-CuInSe?/ZnS量子點的殺菌效果。存活的金黃色葡萄球菌被DAPI標記為藍色熒光，而死菌則被碘化丙啶(PI)標記為紅色熒光。如圖3A所示，PBS組未檢測到金黃色葡萄球菌的紅色熒光；相反，經Van-CuInSe?/ZnS量子點處理并施加808 nm激光照射的組別出現明顯紅色熒光，表明該組具有強抗菌效應，此結果與前述抗菌實驗結果一致。為進一步驗證抗菌效果，利用掃描電鏡(SEM)觀察不同處理后金黃色葡萄球菌的形態變化。圖3B顯示：對照組與單純808 nm激光照射組的菌體表面光滑、細胞膜完整無損；而Van-CuInSe?/ZnS量子點+808 nm激光聯合處理組出現明顯的細胞膜形變，印證了該協同體系的強抗菌能力。有趣的是，SEM圖像中可見量子點附著在金黃色葡萄球菌周圍，表明Van-CuInSe?/ZnS量子點對金黃色葡萄球菌具有良好的靶向能力。

圖4. Van-CuInSe2/ZnS QDs體內腫瘤成像實驗

為研究Van-CuInSe2/ZnS量子點的體內成像潛力，將小鼠背部皮下感染25 μL金黃色葡萄球菌于彼此遠離的四個位點，菌濃度分別為0 CFU/mL、1 × 10^3 CFU/mL、1 × 10^7 CFU/mL、1 × 10^11 CFU/mL。隨后，在同四個位點皮下注射25 μL Van-CuInSe2/ZnS量子點。之后，在不同時間點記錄NIR-II熒光圖像。金黃色葡萄球菌感染高效監測的示意圖如圖4A所示。如圖4B和C所示，注射Van-CuInSe2/ZnS量子點的小鼠在感染區域和對照組顯示出更高的熒光信號。在感染0 CFU/mL、1 × 10^3 CFU/mL、1 × 10^7 CFU/mL的位點顯示出相對簡單的光致發光強度趨勢，而在感染10^11 CFU/mL金黃色葡萄球菌的位點呈現波動模式；感染位點Van-CuInSe2/ZnS量子點標記的金黃色葡萄球菌的光致發光強度變化模式證明了體內金黃色葡萄球菌負荷的實時監測，這反過來反映了金黃色葡萄球菌感染的發展過程：金黃色葡萄球菌感染發生后，入侵的金黃色葡萄球菌會首先受到先天免疫系統的攻擊，導致細菌負荷降至清除，因此，在1 × 10^3 CFU/mL和1 × 10^7 CFU/mL位點，光致發光強度隨時間開始下降。然而，在1 × 10^11 CFU/mL位點，Van-CuInSe2/ZnS量子點標記金黃色葡萄球菌的光致發光強度起初注射后呈現增加，這表明量子點的聚集是由靶向作用引起的。隨后，光致發光強度下降至谷底，這反映了由于免疫反應導致的細菌數量減少。隨后，熒光信號增加，這反映了在免疫反應間歇期由于增殖導致的細菌數量激增。最終，熒光信號隨時間下降，表明從感染中自我康復。

圖5.（A）小鼠皮下感染金黃色葡萄球菌模型構建及治療過程示意圖（4h）；（B）金黃色葡萄球菌感染小鼠在不同時間段以不同方式處理的數碼照片；（C）不同處理后注射Van-CuInSe2/ZnS量子點的小鼠的NIR II成像

受到Van-CuInSe2/ZnS量子點優異的體外抗菌效果和令人滿意的體內生物相容性鼓舞。Van-CuInSe2/ZnS量子點在體內抗菌治療中的潛在應用通過金黃色葡萄球菌誘導的皮膚感染模型進行了評估。具體而言，在小鼠背部皮下注射1 × 10^9 CFU/mL的金黃色葡萄球菌導致皮下膿腫形成，隨后在注射后4小時進行不同處理。圖5A展示了高效消除金黃色葡萄球菌誘導皮膚感染模型的實驗方案。如圖5B所示，在對照組、808 nm組和Van-CuInSe2/ZnS量子點組中，皮下注射金黃色葡萄球菌第二天后，膿皰從皮膚內部出現；隨后，感染區域出現潰瘍，在第六天仍出現大面積傷口。對照組傷口面積最大，而Van-CuInSe2/ZnS量子點組觀察到輕微傷口。相比之下，及時使用Van-CuInSe2/ZnS量子點+808 nm治療的感染區域沒有出現膿皰。此外，注射Van-CuInSe2/ZnS量子點的小鼠在808 nm光照下膿腫區域顯示熒光。在Van-CuInSe2/ZnS量子點組中，熒光信號在第四天仍然出現；然而，在Van-CuInSe2/ZnS量子點+808 nm組進行光熱治療后，炎癥逐漸愈合，熒光減少，在第四天幾乎觀察不到，如圖5C所示。當Van-CuInSe2/ZnS量子點+808 nm用于治療12小時感染金黃色葡萄球菌的小鼠時，也獲得了類似的抗菌效果。這些結果表明Van-CuInSe2/ZnS量子點在808 nm激光照射下在體內具有優異的抗感染治療效果。

圖6. Van-CuInSe2/ZnS量子點治療細菌性傷口感染（A）小鼠細菌性傷口感染的紅外熱像圖；（B）第0天至第13天小鼠傷口的數碼照片；（C）分別在第1天和第13天在傷口中的金黃色葡萄球菌菌落板

此外，還采用金黃色葡萄球菌感染的小鼠皮膚傷口模型評估治療效果。首先評價了Van-CuInSe?/ZnS量子點的光熱性能：如圖6A所示，在近紅外光照射下，含量子點實驗組的傷口區域溫度在5分鐘內急速升至51.6°C，證實該量子點可實現體內高效光熱治療。隨后構建金黃色葡萄球菌感染的皮膚創傷模型進行療效研究，圖6B顯示不同處理組在第0、1、3、5、7、9、11和13天的創面照片。Van-CuInSe?/ZnS量子點+808nm激光組的創面愈合優于其他組，表明該量子點在808nm激光照射下具備抗菌性能。為驗證治療效果，分別在第1天和第13天采集創面分泌物進行瓊脂平板活菌定量。如圖6C所示，量子點+近紅外組的菌落數量最少，顯著低于其余三組。上述結果證明：經808nm激光激發的Van-CuInSe?/ZnS量子點能有效對抗金黃色葡萄球菌感染。在實驗過程中，由于正常生長，各組小鼠的體重呈現類似的增加趨勢，表明Van-CuInSe2/ZnS量子點和808 nm光照對小鼠沒有明顯的副作用。

參考文獻

Geng H, Wang C, Dong Y, et al. In vivo dynamic monitoring and photothermal therapy of bacterial infection by NIR-II CuInSe2 quantum dots[J]. Chemical Engineering Journal, 2025, 508: 160924.

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動物活體熒光成像系統 - MARS 

In Vivo Imaging System

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