佛羅里達大學譚蔚泓和廈門大學楊朝勇Angew. Chem. Int. Ed.：NIR-II染料對肽聚糖的代謝標記可實現腸道菌群的體內成像

【引言】

在過去的二十年中，人們對腸道菌群（被許多人視為長期隱藏的器官）的各種生理和病理學作用的理解已取得長足進步。通過固有地參與免疫和代謝功能，這些腸道微生物被證明對其哺乳動物宿主的幾乎每個系統都具有廣泛而深遠的影響。但是，當需要實時和體內生物分布信息時，成像和跟蹤腸道細菌的技術缺陷嚴重阻礙了人們對這些生物學過程的了解。毋庸置疑，成像技術在研究高度復雜和異質性生物系統（如腸道菌群）方面的能力無可爭議。勝任的可視化方法可以幫助研究人員從許多方面了解腸道菌群，例如微生物與微生物和微生物與宿主的相互作用，細菌的時間和空間組織以及宏觀上的更多細菌群落。成像方案不僅應與對氧敏感的腸道微生物具有生物相容性，而且還應具有很高的覆蓋率，以覆蓋數百種不同的細菌，其中許多細菌仍無法進行培養或基因工程。此外，由于哺乳動物菌群總是嵌入厚組織中，因此該方法應具有出色的組織穿透能力以實現體內成像。

【成果簡介】

佛羅里達大學的譚蔚泓教授和廈門大學楊朝勇教授報道了腸道細菌體內成像的第二種基于近紅外（NIR-II）的方法的發展。作者使用D-炔丙基甘氨酸，然后與含疊氮化物的NIR-II染料發生點擊反應，供體小鼠的腸道菌群在其肽聚糖上被NIR-II熒光強烈標記。細菌很容易在近紅外輻射下以高空間分辨率和深層組織穿透力在受體小鼠腸道中可視化。然后，作者采用這種化學策略對不同細菌種類進行成像，從而擴大了其在微生物學中的適用性。此外，通過采用這種方法，作者發現腸道菌群的生物地理學受到宿主胃腸動力的顯著影響。據我們所知，此處報道的基于NIR-II的代謝標記策略為在體內深層組織中的腸道微生物群提供了便捷的體內可視化方法，并為解密這些腸道“暗物質”的復雜生物學提供了一種工具。該成果以題為“Metabolic Labeling of Peptidoglycan with NIR-II Dye Enables in vivo Imaging of Gut Microbiota”發表在國際著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖1.NIR-II的腸道菌群熒光成像示意圖

（a）基于NIR-II的腸道菌群熒光成像方案

（b）本研究中使用的代謝標記探針D-炔丙基甘氨酸（DPG）和NIR-II染料IR-FGN的化學結構

（c）本研究中使用的IR-FGN的歸一化吸收和發射光譜

（d）在明場或NIR-II照明下與IR-FGN發生點擊反應之前和之后DPG標記的菌群的成像

圖2.SPF和GF小鼠移植后不同時間點的標記腸道菌群的基于NIR-II的熒光成像

圖3.SPF小鼠移植后標記細菌的基于NIR-II的熒光成像

（a）NIR-II成像顯示，在體外用DPG代謝標記的三種細菌，即大腸桿菌，枯草芽孢桿菌和腸炎沙門氏菌血清鼠傷寒沙門氏菌，在用IR-FGN單擊后均顯示強熒光

（b-d）在對相應細菌進行管飼后5小時，對標記細菌進行體內NIR-II成像

圖4.NIR-II熒光成像顯示胃腸蠕動顯著影響腸道菌群的分布

【總結】

在這個工作中，作者建立了一種體內成像方法，通過整合基于DAA的代謝標記和NIR-II熒光成像策略來滿足腸道菌群可視化的未滿足需求。基于DAA的代謝標記可以輕松、準確地標記微生物群和單個細菌物種，其中一些可能未經培養或基因工程。NIR-II熒光增強了成像深度，并具有較高的空間分辨率，可以實時、生動地觀察深層組織中包埋的細菌。胃腸動力引起的腸道菌群生物分布變化的研究也證明了該技術的適用性。該方法的進一步發展以允許更長的觀察窗口，將能夠進行更多的微生物群分析，例如不同細菌群之間的競爭實驗，這將大大增加該方法的功能。這種新的成像策略將對多種微生物學研究具有通用性和實用性，并為深入了解腸道菌群鋪平了一條新途徑。

文獻鏈接：Metabolic Labeling of Peptidoglycan with NIR-II Dye Enables in vivo Imaging of Gut Microbiota. Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201910555.

本文由tt供稿。?

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip，我們會邀請各位老師加入專家群。?