BioNavis MP-SPR在監(jiān)測納米粒子與生物膜相互作用方面的應(yīng)用
細菌生物膜會導(dǎo)致頑固性感染，由于其對抗生素具有抗藥性，這在醫(yī)療保健領(lǐng)域構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。納米粒子（NPs）作為一種對抗生物膜相關(guān)感染的有前景的方法，可能通過增強藥物輸送來發(fā)揮作用，也可能自身就具有抗菌特性。在這項研究中，需要多參數(shù)表面等離子體共振（MP-SPR）儀監(jiān)測細菌生物膜的形成。
多參數(shù)表面等離子體共振（MP-SPR）被用作一種無需標(biāo)記、實時的分析平臺，能夠在廣闊的角范圍內(nèi)（40-78度）進行測量（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行表征，以及測量層厚度和折射率，范圍涵蓋納米尺度至微尺度。此外，在實驗過程中，MP-SPR會測量關(guān)鍵參數(shù)，如峰值角位置（PAP）、峰值最小強度（PMI）和全內(nèi)反射（TIR）角度（圖1）。在關(guān)于細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)測量完整的表面等離子共振（SPR）曲線，并且能夠?qū)崟r追蹤多個參數(shù)，包括峰值角度位置（PAP）、峰值最小強度（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、實時的分析平臺，能夠在廣闊的角范圍內(nèi)（40-78度）進行測量（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行表征，以及測量層厚度和折射率，范圍涵蓋納米尺度至微尺度。此外，在實驗過程中，MP-SPR會測量關(guān)鍵參數(shù)，如峰值角位置（PAP）、峰值最小強度（PMI）和全內(nèi)反射（TIR）角度（圖1）。在關(guān)于細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。
通過實驗，MP-SPR成功追蹤了生物膜的生長情況，并根據(jù)完整SPR曲線參數(shù)（峰值角度位置和峰值最小強度）的變化識別出了不同的生長階段。圖2展示了隨著時間推移PAP的逐步增加，證實了細菌的黏附、指數(shù)增長和成熟階段。PMI信號在指數(shù)增長和成熟階段的過渡點達到峰值，表明細胞外基質(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670納米）監(jiān)測的金黃色葡萄球菌原位生物膜生長階段（原位監(jiān)測）。黑色和橙色線條分別表示峰值角度位置（PAP）和峰值最小強度（PMI）隨時間的變化情況。ΔPMI表示細菌增殖后的階段，這是由于細胞外基質(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菌生物膜生長及不同帶電荷納米粒子相互作用期間，ΔPAP（上圖）和ΔPMI（下圖）的實時MP-SPR響應(yīng)的平均值。A&D）帶正電荷的納米粒子，B&E）負載SUC的帶負電荷納米粒子，C&F）帶中性ACA功能化的納米粒子。對MP-SPR數(shù)據(jù)進行分析（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所提供的獨特且完整的SPR曲線測量能夠不僅追蹤峰值角度的變化，還能追蹤強度參數(shù)，這對于本研究至關(guān)重要。完整的MP-SP曲線（在5分鐘時）在注入細菌之前（黑色），細菌注入開始后21.6小時（藍色），注入正電荷PEI包覆納米顆粒開始后3.3小時（紅色，圖3中時間為25小時）和13.3小時（綠色，圖3中時間為35小時）的時刻。MP-SPR能夠提供納米顆粒與生物膜相互作用的實時動力學(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胞術(shù)等方法不同，MP-SPR能夠在72小時內(nèi)持續(xù)監(jiān)測而不必進行標(biāo)記，為生物膜研究和抗菌納米顆粒的開發(fā)提供了一種強大的工具。
MP-SPR是一種強大的、無需標(biāo)記的平臺，可用于實時監(jiān)測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)測生物膜的生長情況，并通過多波長分析測量厚度，同時其能夠在從納米級到微米級的層厚范圍內(nèi)工作，這使其非常適合研究生物膜的動態(tài)變化。本次研究再次證實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將成為了推進抗菌策略和生物膜研究的寶貴工具。
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