金纳米星SERS技术首次实现生物膜内抗生素扩散精准量化

2025-11-01 08:49 AMPX

2025年10月21日，英国Steven E. J. Bell团队在Advanced Science上发表研究，首次利用金纳米星表面增强拉曼光谱技术，实现了左氧氟沙星在金黄色葡萄球菌生物膜中的实时检测与扩散系数精确测定，为理解抗生素在生物膜中的传输行为提供了全新方法。

1. 研究背景

生物膜（biofilm）是由微生物聚集形成的复杂群落，其外部包裹着自分泌的胞外聚合物（extracellular polymeric substance, EPS），包括多糖、蛋白质和DNA等成分。这种结构使生物膜对抗生素的耐药性比浮游细菌高出10至1000倍，成为临床和工业环境中难以清除的顽固问题。传统上，人们认为抗生素在生物膜中渗透受限是导致其耐药的重要原因之一，然而由于缺乏能够在复杂生物环境中进行无标记（label-free）、定量监测的技术，抗生素在生物膜内的传输机制一直难以准确揭示。近年来，表面增强拉曼光谱（surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS）因其高灵敏度和分子特异性，被广泛用于生物样品分析，但在生物膜这类高粘度、非均匀体系中，其应用仍面临信号干扰、重复性差等挑战。

2. 主要结果

2.1 金纳米星作为SERS增强基底在复杂基质中表现优异

选用了金纳米星（gold nanostars, NS）作为SERS增强基底，其优势在于无需聚集即可产生强烈的等离子共振效应，且能在生物膜中实现均匀分散，显著提高了信号的重现性。透射电子显微镜图像显示NS形态完整，粒径超过100 nm，其在生物膜表面形成均匀覆盖层，光学与扫描电镜图像进一步证实了NS在生物膜表面的分布均匀性。此外，NS在生物膜环境中仍保持良好的等离子特性，其消光峰位于760 nm，未发生明显位移，表明其在复杂基质中仍具备稳定的增强能力。

2.2 离体生物膜中左氧氟沙星的定量检测能力得到验证

首先在离体（ex situ）培养的金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）生物膜中进行了左氧氟沙星（levofloxacin, Levo）的SERS检测。Levo在1620 cm⁻¹和1395 cm⁻¹处具有特征拉曼峰，分别对应喹诺酮环的C=C振动和羧基对称伸缩。实验表明，尽管生物膜基质成分（如核酸、蛋白质）会干扰信号，导致检测灵敏度下降，但在10⁻³ mol dm⁻³浓度下仍可清晰识别Levo特征峰。通过与水溶液中的校准曲线对比，研究发现生物膜中Levo的检测限（LOD）显著升高，推测是由于EPS组分竞争性吸附于NS表面，阻碍了Levo与增强基底的接触。

2.3 完整生物膜中实现抗生素渗透过程的实时、无标记监测

为模拟真实感染环境，研究团队进一步在完整生物膜（intact biofilm）中嵌入了NS层，并通过控制生物膜生长时间将NS层定位在特定深度（如16 μm）。在此基础上，将Levo溶液施加于生物膜表面，利用SERS技术实时监测其在NS层处的积累过程。结果显示，Levo在2分钟内即可在表面NS层被检测到，而在嵌入层中其信号随时间逐渐增强，表明抗生素正在缓慢穿透生物膜基质。该方法首次实现了在不使用荧光或同位素标记的情况下，对生物膜内抗生素渗透过程的深度分辨（depth-resolved）监测。

2.4 左氧氟沙星在生物膜中的扩散系数被精确测定

通过监测Levo在嵌入NS层处的信号强度随时间变化，利用菲克第二定律（Fick’s second law）拟合数据，计算得出Levo在生物膜中的扩散系数为。该值比其在水溶液中的典型扩散系数（约）低了三个数量级。这一结果不仅证实了生物膜对抗生素扩散的强烈阻碍作用，也揭示了单纯物理屏障不足以解释如此显著的扩散减缓，推测Levo与EPS中DNA、蛋白质等组分的特异性结合是导致其扩散受阻的关键因素。

2.5 方法具备良好的重复性与广泛适用潜力

尽管生物膜本身具有高度异质性，本研究在三个独立制备的样品中测得的扩散系数高度接近，误差范围在可接受范围内，表明该方法具备良好的重复性与可靠性。此外，该SERS策略不依赖于特定抗生素或菌种，未来可拓展至多种药物-生物膜体系，用于研究pH、营养条件、生物膜成熟度等因素对药物渗透的影响，或评估新型穿透增强剂与给药系统的效果。

3. 结论

本研究首次证明了表面增强拉曼光谱（SERS）结合金纳米星（NS）可用于生物膜内抗生素的无标记、定量、实时监测，并成功测定了左氧氟沙星在生物膜中的扩散系数。这一方法不仅揭示了生物膜对抗生素扩散的强烈阻碍机制，也为理解细菌耐药性提供了新的实验依据。未来，该技术可进一步结合空间映射分析，揭示生物膜内部的局部异质性，为开发针对生物膜感染的新型治疗策略提供强有力的工具支持。

原文链接：

Aljuhani, W.; Zhang, Y.; Wylie, M. P.; McCoy, C. P.; Bell, S. E. J. Quantification of Antibiotic Diffusion in Biofilms Using Gold Nanostar Surface‐enhanced Raman Spectroscopy. Adv. Sci. 2025, e10346. https://doi.org/10.1002/advs.202510346.