仪器应用 | MP-SPR监测纳米粒子与生物膜的相互作用

2025-04-17 16:45:17 6阅读次数

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MP-SPR监测纳米粒子与生物膜相互作用

细菌生物膜会导致顽固性感染，由于其对抗生素具有抗药性，这在医疗保健领域构成了重大挑战。纳米粒子（NPs）作为一种对抗生物膜相关感染的有前景的方法，可能通过增强药物输送来发挥作用，也可能自身就具有抗菌特性。在这项研究中，需要多参数表面等离子体共振（MP-SPR）仪监测细菌生物膜的形成。

MP-SPR是一种强大的分析工具

图1. MP-SPR 能够持续测量完整的表面等离子共振（SPR）曲线，并且能够实时追踪多个参数，包括峰值角度位置（PAP）、峰值最小强度（PMI）以及全内反射（TIR）角度。

多参数表面等离子体共振（MP-SPR）被用作一种无需标记、实时的分析平台，能够在广阔的角范围内（40-78度）进行测量（捕获完整的SPR曲线）。这使得能够对分子与薄膜之间的相互作用进行表征，以及测量层厚度和折射率，范围涵盖纳米尺度至微尺度。此外，在实验过程中，MP-SPR会测量关键参数，如峰值角位置（PAP）、峰值最小强度（PMI）和全内反射（TIR）角度（图1）。在关于细菌生物膜形成及其与纳米粒子（NPs）相互作用的应用说明中，这些参数揭示了表面的物质积累和生物膜内部的结构变化。

BioNavis MP-SPR

通过实验，MP-SPR成功追踪了生物膜的生长情况，并根据完整SPR曲线参数（峰值角度位置和峰值最小强度）的变化识别出了不同的生长阶段。图2展示了随着时间推移PAP的逐步增加，证实了细菌的黏附、指数增长和成熟阶段。PMI信号在指数增长和成熟阶段的过渡点达到峰值，表明细胞外基质开始生成，随后逐渐下降。这可以用最终形成均匀层来解释。

图2. 通过MP-SPR（波长670纳米）监测的金黄色葡萄球菌原位生物膜生长阶段（原位监测）。黑色和橙色线条分别表示峰值角度位置（PAP）和峰值最小强度（PMI）随时间的变化情况。ΔPMI表示细菌增殖后的阶段，这是由于细胞外基质（ECM）的产生和形成均匀层所致。

在纳米二氧化铈暴露后，观察到PAP转移（图3），这表明其与生物膜有强烈的相互作用并深入渗透到生物膜中。这些结果与共聚焦激光扫描显微镜数据高度吻合。

图3. 在金黄色葡萄球菌细菌生物膜生长及不同带电荷纳米粒子相互作用期间，ΔPAP（上图）和ΔPMI（下图）的实时MP-SPR响应的平均值。A&D）带正电荷的纳米粒子，B&E）负载SUC的带负电荷纳米粒子，C&F）带中性ACA功能化的纳米粒子。

对MP-SPR数据进行分析（图4）提供了生物膜（为拟合目的而分层结构）厚度的定量测量结果。在纳米颗粒（NP）引入之前，生物膜厚度约为2.7微米（折射率为约1.35）。之后，经过处理后，可以识别出一些生物膜结构的变化，这可能导致生物膜底部部分与传感器表面的接触点减少。这些发现与先前发表的研究结果一致，该研究表明由于与带负电荷的生物膜基质的静电相互作用，阳离子纳米颗粒更有效地渗入生物膜中。

图4. MP-SPR所提供的独特且完整的SPR曲线测量能够不仅追踪峰值角度的变化，还能追踪强度参数，这对于本研究至关重要。完整的MP-SP曲线（在5分钟时）在注入细菌之前（黑色），细菌注入开始后21.6小时（蓝色），注入正电荷PEI包覆纳米颗粒开始后3.3小时（红色，图3中时间为25小时）和13.3小时（绿色，图3中时间为35小时）的时刻。

MP-SPR能够提供纳米颗粒与生物膜相互作用的实时动力学数据，揭示了纳米颗粒暴露于生物膜后其结构发生的重新排列。与传统的诸如共聚焦显微镜和流式细胞术等方法不同，MP-SPR能够在72小时内持续监测而不必进行标记，为生物膜研究和抗菌纳米颗粒的开发提供了一种强大的工具。

MP-SPR是一种强大的、无需标记的平台，可用于实时监测生物膜形成过程以及纳米粒子（NP）之间的相互作用。MP-SPR能够精准捕捉完整的SPR曲线及其多个参数，从而为生物膜特性提供了关键的见解。它能够在数天内监测生物膜的生长情况，并通过多波长分析测量厚度，同时其能够在从纳米级到微米级的层厚范围内工作，这使其非常适合研究生物膜的动态变化。本次研究再次证实纳米粒子表面电荷在生物膜穿透中的作用，凭借这些能力，MP-SPR将成为了推进抗菌策略和生物膜研究的宝贵工具。