BioNavis MP-SPR在監(jiān)測(cè)納米粒子與生物膜相互作用方面的應(yīng)用
細(xì)菌生物膜會(huì)導(dǎo)致頑固性感染，由于其對(duì)抗生素具有抗藥性，這在醫(yī)療保健領(lǐng)域構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。納米粒子（NPs）作為一種對(duì)抗生物膜相關(guān)感染的有前景的方法，可能通過增強(qiáng)藥物輸送來發(fā)揮作用，也可能自身就具有抗菌特性。在這項(xiàng)研究中，需要多參數(shù)表面等離子體共振（MP-SPR）儀監(jiān)測(cè)細(xì)菌生物膜的形成。
多參數(shù)表面等離子體共振（MP-SPR）被用作一種無需標(biāo)記、實(shí)時(shí)的分析平臺(tái)，能夠在廣闊的角范圍內(nèi)（40-78度）進(jìn)行測(cè)量（捕獲完整的SPR曲線）。這使得能夠?qū)Ψ肿优c薄膜之間的相互作用進(jìn)行表征，以及測(cè)量層厚度和折射率，范圍涵蓋納米尺度至微尺度。此外，在實(shí)驗(yàn)過程中，MP-SPR會(huì)測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)，如峰值角位置（PAP）、峰值最小強(qiáng)度（PMI）和全內(nèi)反射（TIR）角度（圖1）。在關(guān)于細(xì)菌生物膜形成及其與納米粒子（NPs）相互作用的應(yīng)用說明中，這些參數(shù)揭示了表面的物質(zhì)積累和生物膜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化。
圖1. MP-SPR 能夠持續(xù)測(cè)量完整的表面等離子共振（SPR）曲線，并且能夠?qū)崟r(shí)追蹤多個(gè)參數(shù)，包括峰值角度位置（PAP）、峰值最小強(qiáng)度（PMI）以及全內(nèi)反射（TIR）角度。多參數(shù)表面等離子體共振（MP-SPR）被用作一種無需標(biāo)記、實(shí)時(shí)的分析平臺(tái)，能夠在廣闊的角范圍內(nèi)（40-78度）進(jìn)行測(cè)量（捕獲完整的SPR曲線）。這使得能夠?qū)Ψ肿优c薄膜之間的相互作用進(jìn)行表征，以及測(cè)量層厚度和折射率，范圍涵蓋納米尺度至微尺度。此外，在實(shí)驗(yàn)過程中，MP-SPR會(huì)測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)，如峰值角位置（PAP）、峰值最小強(qiáng)度（PMI）和全內(nèi)反射（TIR）角度（圖1）。在關(guān)于細(xì)菌生物膜形成及其與納米粒子（NPs）相互作用的應(yīng)用說明中，這些參數(shù)揭示了表面的物質(zhì)積累和生物膜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化。
通過實(shí)驗(yàn)，MP-SPR成功追蹤了生物膜的生長(zhǎng)情況，并根據(jù)完整SPR曲線參數(shù)（峰值角度位置和峰值最小強(qiáng)度）的變化識(shí)別出了不同的生長(zhǎng)階段。圖2展示了隨著時(shí)間推移PAP的逐步增加，證實(shí)了細(xì)菌的黏附、指數(shù)增長(zhǎng)和成熟階段。PMI信號(hào)在指數(shù)增長(zhǎng)和成熟階段的過渡點(diǎn)達(dá)到峰值，表明細(xì)胞外基質(zhì)開始生成，隨后逐漸下降。這可以用最終形成均勻?qū)觼斫忉尅?/span>
圖2. 通過MP-SPR（波長(zhǎng)670納米）監(jiān)測(cè)的金黃色葡萄球菌原位生物膜生長(zhǎng)階段（原位監(jiān)測(cè)）。黑色和橙色線條分別表示峰值角度位置（PAP）和峰值最小強(qiáng)度（PMI）隨時(shí)間的變化情況。ΔPMI表示細(xì)菌增殖后的階段，這是由于細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的產(chǎn)生和形成均勻?qū)铀隆?/span>在納米二氧化鈰暴露后，觀察到PAP轉(zhuǎn)移（圖3），這表明其與生物膜有強(qiáng)烈的相互作用并深入滲透到生物膜中。這些結(jié)果與共聚焦激光掃描顯微鏡數(shù)據(jù)高度吻合。
圖3. 在金黃色葡萄球菌細(xì)菌生物膜生長(zhǎng)及不同帶電荷納米粒子相互作用期間，ΔPAP（上圖）和ΔPMI（下圖）的實(shí)時(shí)MP-SPR響應(yīng)的平均值。A&D）帶正電荷的納米粒子，B&E）負(fù)載SUC的帶負(fù)電荷納米粒子，C&F）帶中性ACA功能化的納米粒子。對(duì)MP-SPR數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖4）提供了生物膜（為擬合目的而分層結(jié)構(gòu)）厚度的定量測(cè)量結(jié)果。在納米顆粒（NP）引入之前，生物膜厚度約為2.7微米（折射率為約1.35）。之后，經(jīng)過處理后，可以識(shí)別出一些生物膜結(jié)構(gòu)的變化，這可能導(dǎo)致生物膜底部部分與傳感器表面的接觸點(diǎn)減少。這些發(fā)現(xiàn)與先前發(fā)表的研究結(jié)果一致，該研究表明由于與帶負(fù)電荷的生物膜基質(zhì)的靜電相互作用，陽離子納米顆粒更有效地滲入生物膜中。
圖4. MP-SPR所提供的獨(dú)特且完整的SPR曲線測(cè)量能夠不僅追蹤峰值角度的變化，還能追蹤強(qiáng)度參數(shù)，這對(duì)于本研究至關(guān)重要。完整的MP-SP曲線（在5分鐘時(shí)）在注入細(xì)菌之前（黑色），細(xì)菌注入開始后21.6小時(shí)（藍(lán)色），注入正電荷PEI包覆納米顆粒開始后3.3小時(shí)（紅色，圖3中時(shí)間為25小時(shí)）和13.3小時(shí)（綠色，圖3中時(shí)間為35小時(shí)）的時(shí)刻。MP-SPR能夠提供納米顆粒與生物膜相互作用的實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，揭示了納米顆粒暴露于生物膜后其結(jié)構(gòu)發(fā)生的重新排列。與傳統(tǒng)的諸如共聚焦顯微鏡和流式細(xì)胞術(shù)等方法不同，MP-SPR能夠在72小時(shí)內(nèi)持續(xù)監(jiān)測(cè)而不必進(jìn)行標(biāo)記，為生物膜研究和抗菌納米顆粒的開發(fā)提供了一種強(qiáng)大的工具。
MP-SPR是一種強(qiáng)大的、無需標(biāo)記的平臺(tái)，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物膜形成過程以及納米粒子（NP）之間的相互作用。MP-SPR能夠精準(zhǔn)捕捉完整的SPR曲線及其多個(gè)參數(shù)，從而為生物膜特性提供了關(guān)鍵的見解。它能夠在數(shù)天內(nèi)監(jiān)測(cè)生物膜的生長(zhǎng)情況，并通過多波長(zhǎng)分析測(cè)量厚度，同時(shí)其能夠在從納米級(jí)到微米級(jí)的層厚范圍內(nèi)工作，這使其非常適合研究生物膜的動(dòng)態(tài)變化。本次研究再次證實(shí)納米粒子表面電荷在生物膜穿透中的作用，憑借這些能力，MP-SPR將成為了推進(jìn)抗菌策略和生物膜研究的寶貴工具。
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