佛罗里达大学谭蔚泓和厦门大学杨朝勇Angew. Chem. Int. Ed.：NIR-II染料对肽聚糖的代谢标记可实现肠道菌群的体内成像

【引言】

在过去的二十年中，人们对肠道菌群（被许多人视为长期隐藏的器官）的各种生理和病理学作用的理解已取得长足进步。通过固有地参与免疫和代谢功能，这些肠道微生物被证明对其哺乳动物宿主的几乎每个系统都具有广泛而深远的影响。但是，当需要实时和体内生物分布信息时，成像和跟踪肠道细菌的技术缺陷严重阻碍了人们对这些生物学过程的了解。毋庸置疑，成像技术在研究高度复杂和异质性生物系统（如肠道菌群）方面的能力无可争议。胜任的可视化方法可以帮助研究人员从许多方面了解肠道菌群，例如微生物与微生物和微生物与宿主的相互作用，细菌的时间和空间组织以及宏观上的更多细菌群落。成像方案不仅应与对氧敏感的肠道微生物具有生物相容性，而且还应具有很高的覆盖率，以覆盖数百种不同的细菌，其中许多细菌仍无法进行培养或基因工程。此外，由于哺乳动物菌群总是嵌入厚组织中，因此该方法应具有出色的组织穿透能力以实现体内成像。

【成果简介】

佛罗里达大学的谭蔚泓教授和厦门大学杨朝勇教授报道了肠道细菌体内成像的第二种基于近红外（NIR-II）的方法的发展。作者使用D-炔丙基甘氨酸，然后与含叠氮化物的NIR-II染料发生点击反应，供体小鼠的肠道菌群在其肽聚糖上被NIR-II荧光强烈标记。细菌很容易在近红外辐射下以高空间分辨率和深层组织穿透力在受体小鼠肠道中可视化。然后，作者采用这种化学策略对不同细菌种类进行成像，从而扩大了其在微生物学中的适用性。此外，通过采用这种方法，作者发现肠道菌群的生物地理学受到宿主胃肠动力的显着影响。据我们所知，此处报道的基于NIR-II的代谢标记策略为在体内深层组织中的肠道微生物群提供了便捷的体内可视化方法，并为解密这些肠道“暗物质”的复杂生物学提供了一种工具。该成果以题为“Metabolic Labeling of Peptidoglycan with NIR-II Dye Enables in vivo Imaging of Gut Microbiota”发表在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文导读】

图1.NIR-II的肠道菌群荧光成像示意图

（a）基于NIR-II的肠道菌群荧光成像方案

（b）本研究中使用的代谢标记探针D-炔丙基甘氨酸（DPG）和NIR-II染料IR-FGN的化学结构

（c）本研究中使用的IR-FGN的归一化吸收和发射光谱

（d）在明场或NIR-II照明下与IR-FGN发生点击反应之前和之后DPG标记的菌群的成像

图2.SPF和GF小鼠移植后不同时间点的标记肠道菌群的基于NIR-II的荧光成像

图3.SPF小鼠移植后标记细菌的基于NIR-II的荧光成像

（a）NIR-II成像显示，在体外用DPG代谢标记的三种细菌，即大肠杆菌，枯草芽孢杆菌和肠炎沙门氏菌血清鼠伤寒沙门氏菌，在用IR-FGN单击后均显示强荧光

（b-d）在对相应细菌进行管饲后5小时，对标记细菌进行体内NIR-II成像

图4.NIR-II荧光成像显示胃肠蠕动显着影响肠道菌群的分布

【总结】

在这个工作中，作者建立了一种体内成像方法，通过整合基于DAA的代谢标记和NIR-II荧光成像策略来满足肠道菌群可视化的未满足需求。基于DAA的代谢标记可以轻松、准确地标记微生物群和单个细菌物种，其中一些可能未经培养或基因工程。NIR-II荧光增强了成像深度，并具有较高的空间分辨率，可以实时、生动地观察深层组织中包埋的细菌。胃肠动力引起的肠道菌群生物分布变化的研究也证明了该技术的适用性。该方法的进一步发展以允许更长的观察窗口，将能够进行更多的微生物群分析，例如不同细菌群之间的竞争实验，这将大大增加该方法的功能。这种新的成像策略将对多种微生物学研究具有通用性和实用性，并为深入了解肠道菌群铺平了一条新途径。

文献链接：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.

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