中科院福建物构所稀土纳米光学诊疗材料研究获进展

细菌生物膜具有感染能力，几乎可以侵袭人体任何器官，对人类健康造成严重威胁。尤其是对于免疫功能低下的人群，细菌生物膜引发的严重慢性和持续性感染可能导致致命后果。当前，治疗生物膜感染常依赖于强化抗生素，但长期用药易导致耐药性，不仅削弱治疗效果，还可能诱发二重感染。准确诊断生物膜感染对于有效治疗至关重要，而传统的诊断方法如组织活检具有侵入性，耗时且可能延误治疗。因此，研发非侵入性诊疗手段，以实现对细菌生物膜感染的精准诊断和治疗，成为医学领域的迫切需求。

近日，中科院福建物质结构研究所研究员卢珊、陈学元等研发出新型向日葵结构的藻酸盐裂解酶（Aly）-NaNdF4纳米杂化诊疗材料。这种纳米杂化材料在小鼠模型中实现了对铜绿假单胞菌生物膜诱导肺部感染的非侵入性光学诊疗。研究人员采用独特的富集-包覆策略，将数百个超小NaNdF4纳米颗粒封装在介孔二氧化硅内核中，形成尺寸均匀、单分散性好、介孔负载量大的纳米杂化材料（NaNdF4@DMS-Aly）。该纳米材料具备优异的光热转换效率和近红外二区发射性能，在体内治疗和成像方面展示出良好潜力。此外，尺寸约为220 nm的NaNdF4@DMS-Aly更易递送到肺部，提高了其生物利用度。

研究发现，在感染肺部，Aly酶因低pH环境而响应释放，降解生物膜中的藻酸盐；材料表面转变为强正电性，增强与铜绿假单胞菌的相互作用，延长在肺部的停留时间。研究通过监测肺部纳米杂化材料的发光强度，可以实时评估生物膜感染程度。此外，Aly酶解与光热杀菌的协同作用可实现对生物膜的强力清除，体外杀菌率为5.3 log10，达到消毒级别；对小鼠肺部细菌清除率达到了94%。该纳米杂化材料主要经肝和脾代谢，并且在静脉注射8天后从体内基本清除，有效避免了纳米材料潜在的长期毒性问题。

该工作基于稀土纳米光学诊疗材料在生物膜诱导的肺部感染小鼠模型中实现了原位诊断、精准治疗和实时疗效评估，对推动精准医学研究和治疗生物膜相关感染的临床实践具有重要意义。

相关研究成果以Customized Lanthanide Nanobiohybrids for Noninvasive Precise Phototheranostics of Pulmonary Biofilm Infection为题，发表在ACS Nano上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00777