巨噬细胞可以转变为智能病原体探测器
病原体感染是全球死亡的主要原因，也是全球公共卫生的主要威胁。近年来，各种耐药菌株的出现已成为临床感染的严重问题。英国发表的《AMR Review●估计，全球每年约有70万人死于耐药细菌感染，到2050年这一数字将增至1000万，预计经济损失达100万亿美元。因此，迫切需要有效的病原体识别方法来控制细菌传播并促进抗感染治疗。
目前，平板培养广泛用于细菌鉴定；然而，该方法的主要缺点是分析时间长（通常超过48小时）并且需要专门的培养条件，这限制了其速度和可用性。使用核酸引物进行核酸检测（如PCR）具有优异的灵敏度，但这些检测的工作流程复杂（如细胞裂解、核酸提取、磁力分离、洗涤和扩增等），并且需要昂贵的蛋白酶和试剂。热循环。免疫测定法，例如基于侧流试纸的免疫测定法，简单、成本低并且能够快速产生信号。然而，传感器的设计和部署需要筛选和优化。同时，还需要提前了解目标细菌的信息。当病原体未知时，很难选择合适的生物受体来捕获和检测细菌。
经过数百万年的进化，先天免疫细胞，如巨噬细胞、树突状细胞和中性粒细胞，已经优化了它们识别广泛病原体及其毒力因子的能力。这些免疫细胞依靠一组表面受体，例如Toll样受体（TLR）、甘露糖受体（MR）、清道夫受体（SR）和补体受体（CR）来结合病原体的特定成分。然而，由于以下原因，将免疫细胞开发为能够有效识别、富集和报告特定病原体的智能探针仍然是一个巨大的挑战。首先，活的 M 酶机械稳定性低，对各种操作都很脆弱，并且容易损坏。其次，细胞在常规应用中不容易操作。最后，免疫细胞无法区分特定的细菌种类，更不用说产生可检测的信号了。
近日，来自中国的研究团队在《自然·通讯●杂志上发表了题为“A smart Pathogen detector Engineered from Intracellular Hydrogelation of DNA Decorated Macrophages”的文章。作者报告了一个简单的策略，通过结合细胞内水凝胶技术和 DNA 纳米技术，将活体 M 酶转化为智能细菌检测器。这种方法有几个好处：(1) GM酶具有坚固的凝胶核心和完整的细胞膜，可以承受恶劣的环境。(2)利用磁力分离可以方便地将细菌吸附的GM酶从复杂的生物介质中分离出来。(3) GM酶可以有效地识别、捕获和富集广谱细菌到其表面。(4) GM酶可以用响应性DNA元件（例如DNA酶）进行修饰，用于特定细菌的生物传感以及使用捕获和检测策略分析细菌相关毒素。
昏昏鍐呭
DNA-GM酶的制备
DNA修饰的凝胶巨噬细胞（DNA-GM酶）的制备过程如下图所示。M酶首先与超顺磁性氧化铁纳米颗粒一起孵育以获得磁性细胞。同时使用 IL-4 等细胞因子会诱导 MR 和 CD163 等病原体结合受体上调。然后通过光引发剂和单体的直接渗透，然后进行紫外线照射来实现细胞内水凝胶化。最后，可以在凝胶细胞上轻松修改对特定细菌做出反应的 DNA 传感元件（例如 DNAzyme），以实现方便、快速和高灵敏度的荧光读数。因此，产生了能够识别、富集和检测多种微生物的磁性DNA-GM酶。作者使用不同的技术证实了DNA-GM酶的成功制备。
DNA-GM 酶的稳定性
为了评估 DNA-GM 酶的稳定性，作者将细胞置于不同的条件下，例如高渗、重复冻融循环、超声处理、高速离心和长期储存（30 天）。与活的 M 酶 (LM 酶) 和多聚甲醛固定的 M 酶 (FM 酶) 对上述环境的脆弱性相反，DNA-GM 酶在所有条件下都能存活，细胞形态和数量的变化可以忽略不计。总的来说，这些结果证实了 DNA-GM 酶的高稳定性，从而促进了其下游应用，例如病原体捕获和检测。
GM酶识别和捕获不同微生物的能力
以革兰氏阴性大肠杆菌（E.coli）和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌（S.aureus）两种代表性细菌为模型病原体，测试GM酶结合和分离病原体的性能。结果表明，GM酶与菌悬液孵育15min后，用磁铁收集细胞颗粒，成功捕获细菌，且IL-4激活的GM酶的捕获能力远优于IL-4激活的GM酶。未激活的 GM 酶
GM酶可用于捕获其他微生物，包括铜绿假单胞菌、副溶血性弧菌、肠炎沙门氏菌和白色念珠菌。当三种细菌（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌）混合在一份样品中时，GM酶可以同时捕获所有物种，证明了GM酶的广谱捕获能力。与传统的抗体修饰磁珠（ab-mb）不同，GM酶的捕获能力不受复杂介质的影响，进一步凸显了其优势。
使用 DNAzyme 修饰的 GM 酶特异性检测捕获的细菌
对 GM 酶进行修饰的大肠杆菌靶向 DNAzyme（称为 DzEC-GM 酶）可用于检测活大肠杆菌。在没有大肠杆菌的情况下，DzEC-GM 酶的荧光可以忽略不计，表明这种基于细胞的传感器的背景信号较低。一旦细菌被捕获，细胞膜周围就会观察到强烈的绿色荧光。LOD 约为 500 CFU/mL，具有高度特异性，其他细菌（如金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、副溶血性弧菌、化脓性链球菌和白色念珠菌）无法产生可检测的信号。
两种针对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的 DNAzyme（称为 DzECSA-GM 酶）在细胞膜上进行了修饰（底部 h）。每种用荧光团（FITC 或 Rh）标记的酶都可以与相应的细菌分泌的 CEM 结合并裂解其底物，从而恢复荧光。将两种细菌中的一种引入样品中会恢复特异性荧光信号，并且只有两种细菌同时存在时才能同时观察到两种荧光信号
使用 GM 酶分析成孔毒素
GM酶膜和目标毒素之间的结合导致细胞膜上孔的形成，促进碘化丙啶的渗透。在没有H1α的情况下，GM酶在实验过程中保持黑暗。添加100nM Hlα后，红色荧光逐渐出现并在25分钟时达到平台。实验结果表明，通过PI染色检测H1α的检测限(LOD)估计为10fM。
使用 DzSA-GM 酶对当地医院金黄色葡萄球菌肺炎患者的真实痰样本进行分析。在该实验中，样品中金黄色葡萄球菌的存在激活了 DNAzyme，在细胞膜上产生绿色荧光，而 Hlα 则导致 PI 荧光增加。如下图 f 所示，所有患者样本均产生金黄色葡萄球菌阳性信号。同时，PI染色实验表明，并非所有金黄色葡萄球菌都分泌H1α（即P2和P5）。结果证明该方法能够快速分析临床样本中的细菌和毒素。
