Research Progress of Bacterial Infection Imaging

doi:10.7503/cjcu20210461

Abstract

Abstract:

As one of the major causes for death， bacterial infection is caused by pathogenic bacteria or opportunistic pathogens that invade the human body and proliferate， producing toxins and other metabolites. Early diagnosis of infectious diseases is an important approach to effective treatment and control of infectious diseases. The rapid development of molecular imaging technology has brought unprecedented changes and opportunities to the evaluation of bacterial infection in vivo. This article reviews the research progress and the future development direction of imaging of bacterial infection in vivo based on the imaging methods such as computed tomography， ultrasound imaging， magnetic resonance imaging， fluorescence imaging， photoacoustic imaging， and others， aiming to provide reference for the development of detecting bacterial infection in vivo.

Key words: Bacterial infection, Molecular imaging, Multimodal imaging

CLC Number:

O651

TrendMD:

ZHANG Yaqing, LI Linyao, HAO Mengqi, LUO Qin, DENG Siyu, YANG Yun, LIANG Xuewei, FANG Weiwei, SONG Erqun. Research Progress of Bacterial Infection Imaging[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(11): 3265.

Figures/Tables 8

References 66

67	Tenzer S.， Docter D.， Kuharev J.， Musyanovych A.， Fetz V.， Hecht R.， Schlenk F.， Fischer D.， Kiouptsi K.， Reinhardt C.， Landfester K.， Schild H.， Maskos M.， Knauer S. K.， Stauber R. H.， Nat. Nanotechnol.，2013， 8（10）， 772—781
68	Li L. L.， Ma H. L.， Qi G. B.， Zhang D.， Yu F.， Hu Z.， Wang H.， Adv. Mater.，2016， 28（2）， 254—262
69	Lee S. Y.， Jeon S. I.， Jung S.， Chung I. J.， Ahn C. H.， Adv. Drug Deliver Rev.， 2014， 76， 60—78
70	Li D. Z.， Chen H. D.， Bi F.， Wang Z. X.， Chinese J. Anal. Chem.，2016， 44（10）， 1609—1617
71	Fan S. S.， Zhang Y.， Tan H. S.， Xue C. L.， He Y.， Wei X. Y.， Zha Y. Q.， Niu J. Q.， Liu Y. L.， Cheng Y. S.， Cui D. X.， Nanoscale， 2021， 13（10）， 5383—5399
72	Lin X.， Zhu R.， Hong Z.， Zhang X.， Chen S.， Song J.， Yang H.， Adv Funct. Mater.，2021， 31（24）， 2101278
73	Bernthal N. M.， Taylor B. N.， Meganck J. A.， Wang Y.， Shahbazian J. H.， Niska J. A.， Francis K. P.， Miller L. S.， J. Vis. Exp.， 2014，（92）， e51612
74	Xiu W.， Gan S.， Wen Q.， Qiu Q.， Dai S.， Dong H.， Li Q.， Yuwen L.， Weng L.， Teng Z.， Mou Y.， Wang L.， Research， 2020， 2020， 1—15
75	Thwaites G. E.， Gant V.， Nat. Rev. Microbiol.，2011， 9（3）， 215—222
76	Thakur A.， Mikkelsen H.， Jungersen G.， J. Immunol. Res.，2019， 2019， 1356540
77	Hu F.， Qi G. B.， Mao， Zhou S. W.， Wu M.， Wu W. B.， Liu B.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（24）， 9288—9292
78	Fung T. C.， Olson C. A.， Hsiao E. Y.， Nat. Neurosci.，2017， 20（2）， 145—155
79	Nejman D.， Livyatan I.， Fuks G.， Gavert N.， Zwang Y.， Geller L.T.， Rotter⁃Maskowitz A.， Weiser R.， Mallel G.， Gigi E.， Meltser A.， Douglas G. M.， Kamer I.， Gopalakrishnan V.， Dadosh T.， Levin⁃Zaidman S.， Avnet S.， Atlan T.， Cooper Z. A.， Arora R.， Cogdill A. P.， Khan M. A. W.， Ologun G.， Bussi Y.， Weinberger A.， Lotan⁃Pompan M.， Golani O.， Perry G.， Rokah M.， Bahar⁃Shany K.， Rozeman E. A.， Blank C. U.， Ronai A.， Shaoul R.， Amit A.， Dorfman T.， Kremer R.， Cohen Z. R.， Harnof S.， Siegal T.， Yehuda⁃Shnaidman E.， Gal⁃Yam E. N.， Shapira H.， Baldini N.， Langille M. G. I.， Ben⁃Nun A.， Kaufman B.， Nissan A.， Golan T.， Dadiani M.， Levano K.， Bar J.， Yust⁃Katz S.， Barshack I.， Peeper D. S.， Raz D. J.， Segal E.， Wargo J. A.， Sandbank J.， Shental N.， Straussman R.， Science， 2020， 368（6494）， 973—980
80	Geller L. T.， Barzily⁃Rokni M.， Danino T.， Jonas O. H.， Shental N.， Nejman D.， Gavert N.， Zwang Y.， Cooper Z. A.， Shee K.， Thaiss C. A.， Reuben A.， Livny J.， Avraham R.， Frederick D. T.， Ligorio M.， Chatman K.， Johnston S. E.， Mosher C. M.， Brandis A.， Fuks G.， Gurbatri C.， Gopalakrishnan V.， Kim M.， Hurd M. W.， Katz M.， Fleming J.， Maitra A.， Smith D. A.， Skalak M.， Bu J.， Michaud M.， Trauger S. A.， Barshack I.， Golan T.， Sandbank J.， Flaherty K. T.， Mandinova A.， Garrett W. S.， Thayer S. P.， Ferrone C. R.， Huttenhower C.， Bhatia S. N.， Gevers D.， Wargo J. A.， Golub T. R.， Straussman R.， Science，2017， 357（6356）， 1156—1160
81	Yu T. C.， Guo F. F.， Yu Y. N.， Sun T. T.， Ma D.， Han J. X.， Qian Y.， Kryczek I，， Sun D. F.， Nagarsheth N.， Chen Y. X.， Chen H. Y.， Hong J.， Zou W. P.， Fang J. Y.， Cell，2017， 170（3）， 548—563
82	Fu F.， Zhang Y. Q.， Li L. Y.， Wang H.， Li Q. J.， Tao X. Q.， Song Y.， Song E. Q.， Anal. Chem.， 2020， 92（16）， 11462—11468
83	Cai Q.， Fei Y.， Hu L. M.， Huang Z. J.， Li L. L.， Wang H.， Nano Lett.， 2018， 18（10）， 6229—6236
1	Lambert M. L.， Suetens C.， Savey A.， Palomar M.， Hiesmayr M.， Morales I.， Agodi A.， Frank U.， Mertens K.， Schumacher M.， Wolkewitz M.， Lancet Infect. Dis.，2011， 11（1）， 30—38
2	Hui J.， Dong P. T.， Liang L.， Mandal T.， Li J.， Ulloa E. R.， Zhan Y.， Jusuf S.， Zong C.， Seleem M. N.， Liu G. Y.， Cui Q.， Cheng J. X.， Adv. Sci.，2020， 7（6）， 1903117
3	Li Y.， Liu F.， Zhang J.， Liu X.， Xiao P.， Bai H.， Chen S.， Wang D.， Sung S. H. P.， Kwok R. T. K.， Shen J.， Zhu K.， Tang B. Z.， Adv. Sci.，2021， 8（9）， 2001750
4	Welling M. M.， Hensbergen A. W.， Bunschoten A.， Velders A. H.， Scheper H.， Smits W. K.， Roestenberg M.， van Leeuwen F. W. B.， Clin. Transl. Imaging，2019， 7（2）， 125—138
5	Welling M. M.， de Korne C. M.， Spa S. J.， van Willigen D. M.， Hensbergen A. W.， Bunschoten A.， Duszenko N.， Smits W. K.， Roestenberg M.， van Leeuwent F. W. B.， ACS Infect. Dis.，2019， 5（7）， 1160—1168
6	Kumar R.， Basu S.， Torigian D.， Anand V.， Zhuang H.， Alavi A.， Clin Microbiol. Rev.，2008， 21（1）， 209—224
7	Polvoy I.， Flavell R. R.， Rosenberg O. S.， Ohliger M. A.， Wilson D. M.， J. Nucl. Med.，2020， 61（12）， 1708—1716
8	Xu T.， Chen Y.， Mol. Imaging Biol.，2020， 22（1）， 22—32
9	Liu Z.， Liu J.， Wang R.， Du Y.， Ren J.， Qu X.， Biomaterials，2015， 56， 206—218
10	Koudrina A.， DeRosa M. C.， ACS Omega，2020， 5（36）， 22691—22701
11	Mahan M. M.， Doiron A. L.， J. Nanomater.，2018， 2018， 5837276
12	Huo D.， He J.， Li H.， Yu H.， Shi T.， Feng Y.， Zhou Z.， Hu Y.， Colloids Surf. B，2014， 117， 29—35
13	Huo D.， Ding J.， Cui Y. X.， Xia L. Y.， Li H.， He J.， Zhou Z. Y.， Wang H. W.， Hu Y.， Biomaterials，2014， 35（25）， 7032—7041
14	Liao W.， Lei P.， Pan J.， Zhang C.， Sun X.， Zhang X.， Yu C.， Sun S. K.， Biomaterials，2019， 203， 1—11
15	Zu Y.， Yan L.， Wang T.， Ma D.， Dong X.， Du Z.， Yin W.， J. Mater. Chem. B，2020， 8（4）， 666—676
16	Li Y.， Daryaee F.， Yoon G. E.， Noh D. Smith⁃Jones P. M.， Si Y.， Walker S. G.， Turkman N.， Meimetis L.， Tonge P. J.， ACS Infect. Dis.，2020， 6（8）， 2249—2259
17	Mota F.， Ordonez A. A.， Firth G.， Ruiz⁃Bedoya C. A.， Ma M. T.， Jain S. K.， J. Med. Chem.， 2020， 63（5）， 1964—1977
18	Wardak M.， Gowrishankar G.， Zhao X. Liu Y.， Chang E.， Namavari M.， Haywood T.， Gabr M. T.， Neofytou E.， Chour T.， Qin X.， Vilches⁃Moure J. G.， Hardy J.， Contag C. H.， McConnell M. V.， Wu J. C.， Gambhir S. S.， Circulation，2020， 141（21）， 1729—1731
19	Ning X.， Seo W.， Lee S.， Takemiya K.， Rafi M.， Feng X.， Weiss D.， Wang X.， Williams L.， Camp V. M.， Eugene M.， Taylor W. R.， Goodman M.， Murthy N.， Angew. Chem. Int. Ed.，2014， 53（51）， 14096—14101
20	Gowrishankar G.， Hardy J.， Wardak M.， Namavari M.， Reeves R. E.， Neofytou E.， Srinivasan A.， Wu J. C.， Contag C. H.， Gambhir S. S.， J. Nucl. Med.，2017， 58（10）， 1679—1684
21	Weinstein E. A.， Ordonez A. A.， DeMarco V. P.， Murawski A. M.， Pokkali S.， MacDonald E. M.， Klunk M.， Mease R. C.， Pomper M. G.， Jain S. K.， Sci. Transl. Med.，2014， 6（259）， 259ra146
22	Zhu W.， Yao S.， Xing H.， Zhang H.， Tai Y. C.， Zhang Y.， Liu Y.， Ma Y.， Wu C.， Wang H.， Li Z.， Wu Z. Zhu Z.， Li F.， Huo L.， Mol. Imaging Biol.，2016， 18（5）， 782—787
23	Fan D.， Fang Q. J.， Int. J. Pharmaceut.，2021， 597， 120306
24	Petrik M.， Umlaufova E.， Raclavsky V.， Palyzova A.， Havlicek V.， Haas H.， Novy Z.， Dolezal D.， Hajduch M.， Decristoforo C.， Sci. Rep.，2018， 8（1）， 15698
25	Renick P. J.， Mulgaonkar A.， Co C. M.， Wu C. Y.， Zhou N.， Velazquez A.， Pennington J.， Sherwood A.， Dong H.， Castellino L.， Oz O. K.， Tang L.， Sun X.， ACS Infect. Dis.，2021， 7（2）， 347—361
26	Pidgeon S. E.， Fura J. M.， Leon W.， Birabaharan M.， Vezenov D.， Pires M. M.， Angew. Chem. Int. Edit.， 2015， 54（21）， 6158— 6162
27	Stewart M. N.， Parker M. F. L.， Jivan S.， Luu J. M.， Huynh T. L.， Schulte B.， Seo Y.， Blecha J. E.， Villanueva⁃Meyer J. E.， Flavell R. R.， VanBrocklin H. F.， Ohliger M. A.， Rosenberg O.， Wilson D. M.， ACS Infect. Dis.，2020， 6（1）， 43—49
28	Parker M. F. L.， Luu J. M.， Schulte B.， Huynh T. L.， Stewart M. N.， Sriram R.， Yu M. A.， Jivan S.， Turnbaugh P. J.， Flavell R. R.， Rosenberg O. S.， Ohliger M. A.， Wilson D. M.， ACS Cent. Sci.，2020， 6（2）， 155—165
29	Neumann K. D.， Villanueva⁃Meyer J. E.， Mutch C. A.， Flavell R. R.， Blecha J. E.， Kwak T.， Sriram R.， VanBrocklin H. F.， Rosenberg O. S.， Ohliger M. A.， Wilson D. M.， Sci. Rep.，2017， 7（1）， 7903
30	Zhang Z.， Ordonez A. A.， Wang H.， Li Y.， Gogarty K. R.， Weinstein E. A.， Daryaee F.， Merino J.， Yoon G. E.， Kalinda A. S.， Mease R. C.， Iuliano J. N.， Smith⁃Jones P. M.， Jain S. K.， Tonge P. J.， ACS Infect. Dis.，2018， 4（11）， 1635—1644
83	† Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos.21974110， 21976145） and the College Students’ Innovation and Entrepreneurship Training Program of Chongqing， China（No.S202110635038）.
31	Mutch C. A.， Ordonez A. A.， Qin H.， Parker M.， Bambarger L. E.， Villanueva⁃Meyer J. E.， Blecha J.， Carroll V.， Taglang C.， Flavell R.， Sriram R.， VanBrocklin H.， Rosenberg O.， Ohliger M. A.， Jain S. K.， Neumann K. D.， Wilson D. M.， ACS Infect. Dis.， 2018， 4（7）， 1067—1072
32	Sellmyer M. A.， Lee I.， Hou C.， Weng C. C.， Li S.， Lieberman B. P.， Zeng C.， Mankoff D. A.， Mach R. H.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA，2017， 114（31）， 8372—8377
33	Vilche M.， Reyes A. L.， Vasilskis E.， Oliver P.， Balter H.， Engler H.， J. Nucl. Med.， 2016， 57（4）， 622—627
34	Wang Y.， Zhang C.， Lai J.， Zhao Y.， Lu D.， Bao R.， Feng X.， Zhang T.， Liu Z.， Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging，2020， 47（4）， 991—1002
35	Stride E.， Saffari N.， Proc. Inst. Mech. Eng. H.，2003， 217（6）， 429—447
36	Wu M.， Chen W.， Chen Y.， Zhang H.， Liu C.， Deng Z.， Sheng Z.， Chen J.， Liu X.， Yan F.， Zheng H.， Adv. Sci.，2018， 5（4）， 1700474
37	Shapiro M. G.， Goodwill P. W.， Neogy A.， Yin M.， Foster F. S.， Schaffer D. V.， Conolly S. M.， Nat. Nanotechnol.， 2014， 9（4）， 311—316
38	Pfeifer F.， Nat. Rev. Microbiol.，2012， 10（10）， 705—715
39	Bourdeau R. W.， Lee⁃Gosselin A.， Lakshmanan A.， Farhadi A.， Kumar S. R.， Nety S. P.， Shapiro M. G.， Nature，2018， 553（7686）， 86—90
40	Farhadi A.， Sigmund F.， Westmeyer G. G.， Shapiro M. G.， Nat. Mater.， 2021， 20（5）， 585—592
41	Lakshmanan A.， Jin Z.， Nety S. P.， Sawyer D. P.， Lee⁃Gosselin A.， Malounda D.， Swift M. B.， Maresca D.， Shapiro M. G.， Nat. Chem. Biol.，2020， 16（9）， 988—996
42	Kromrey M. L.， Gohler A.， Friedrich N.， Kindermann K.， Hadlich S.， Puls D.， Steinmetz I.， Kuhn J. P.， Eur. J. Clin. Microbiol.，2017， 36（2）， 373—378
43	Zhang L.， Liu Y.， Zhang Q.， Li T.， Yang M.， Yao Q.， Xie X.， Hu H. Y.， Anal. Chem.，2018， 90（3）， 1934—1940
44	Wang D.， Cheng D. B.， Ji L.， Niu L. J.， Zhang X. H.， Cong Y.， Cao R. H.， Zhou L.， Bai F.， Qiao Z. Y.， Wang H.， Biomaterials， 2021， 264， 120386
45	Flogel U.， Ding Z.， Hardung H.， Jander S.， Reichmann G.， Jacoby C.， Schubert R.， Schrader J.， Circulation，2008， 118（2）， 140—148
46	Hertlein T.， Sturm V.， Kircher S.， Basse⁃Lusebrink T.， Haddad D.， Ohlsen K.， Jakob P.， PLoS One， 2011， 6（3）， e18246
47	Close D. M.， Xu T. T.， Sayler G. S.， Ripp S.， Sensors⁃Basel， 2011， 11（1）， 180—206
48	Kong J.， Wang Y.， Qi W.， Huang M.， Su R.， He Z.， Adv. Colloid Interface Sci.，2020， 285， 102286
49	Bardhan N. M.， Ghosh D.， Belcher A. M.， Nat. Commun.， 2014， 5， 4918
50	Van Oosten M.， Schafer T.， Gazendam J. A.， Ohlsen K.， Tsompanidou E.， de Goffau M. C.， Harmsen H. J.， Crane L. M.， Lim E.， Francis K. P.， Cheung L.， Olive M.， Ntziachristos V.， van Dijl J. M.， van Dam G. M.， Nat. Commun.，2013， 4， 2584
51	Yang C.， Ren C.， Zhou J.， Liu J.， Zhang Y.， Huang F.， Ding D.， Xu B.， Liu J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2017， 56（9）， 2356— 2360
52	Yang C.， Hu F.， Zhang X.， Ren C.， Huang F.， Liu J.， Zhang Y.， Yang L.， Gao Y.， Liu B.， Liu J.， Biomaterials， 2020， 244， 119972
53	Leevy W. M.， Gammon S. T.， Johnson J. R.， Lampkins A. J.， Jiang H.， Marquez M.， Piwnica⁃Worms D.， Suckow M. A.， Smith B. D.， Bioconjugate Chem.，2008， 19（3）， 686—692
54	Thakur M. L.， Zhang K.， Paudyal B.， Devakumar D.， Covarrubias M. Y.， Chen C. P.， Gray B. D.， Wickstrom E.， Pak K. Y.， Mol. Imaging Biol.， 2012， 14（2）， 163—171
55	Ning X.， Lee S.， Wang Z.， Kim D.， Stubblefield B.， Gilbert E.， Murthy N.， Nat. Mater.，2011， 10（8）， 602—607
56	Wang W.， Yang Q.， Du Y.， Zhou X.， Du X.， Wu Q.， Lin L.， Song Y.， Li F.， Yang C.， Tan W.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（7）， 2628—2633
57	Zhao T.， Zhang J.， Han X.， Yang J.， Wang X.， Vercruysse M.， Hu H. Y.， Lei X.， CCS Chemistry， 2020， 2405—2417
58	Dumont A.， Malleron A.， Awwad M.， Dukan S.， Vauzeilles B.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2012， 51（13）， 3143—3146
59	Wang W.， Zhu Y. T.， Chen X.， Biochemistry⁃Us， 2017， 56（30）， 3889—3893
60	Wang J.， Zhu Y.， He N.， Sun Y.， Grimes C. A.， Cai Q.， Sens. Actuators， B，2020， 305， 127427
61	Lin A.， Liu Y.， Zhu X.， Chen X.， Liu J.， Zhou Y.， Qin X.， Liu J.， ACS Nano，2019， 13（12）， 13965—13984
62	Chen J.， Feng S.， Chen M.， Li P.， Yang Y.， Zhang J.， Xu X.， Li Y.， Chen S.， Small，2020， 16（34）， e2002054
63	Roy E.， Nagar A.， Chaudhary S.， Pal S.， Chemistry Select.，2020， 5（2）， 722—735
64	Mao D.， Hu F.， Kenry Q. G.， Ji S.， Wu W.， Kong D.， Liu B.， Mater. Horiz.，2020， 7（4）， 1138—1143
65	Galanzha E. I.， Shashkov E.， Sarimollaoglu M.， Beenken K. E.， Basnakian A. G.， Shirtliff M. E.， Kim J. W.， Smeltzer M. S.， Zharov V. P.， PLoS One，2012， 7（9）， e45557
66	Lu S. Z.， Guo X. Y.， Zou M. S.， Zheng Z. Q.， Li Y. C.， Li X. D.， Li L. L.， Wang H.， Adv. Healthcare Mater.，2020， 9（1）， e1901229

Imaging modality	Imaging information	Advantage	Disadvantage
CT^{［12—15］}	Anatomical	High spatial resolution； good anatomical structure	Radioactive； pool soft tissue discrimination
PET^{［19—34］}	Physiological	High sensitivity； quantitative	Radioactive； low spatial resolution
US^{［39，41］}	Anatomical； physiological	Good spatial resolution； portable	Lacking available probe
MRI^{［43—46］}	Anatomical； physiological	Good spatial resolution； superb soft tissue discrimination	Long imaging time； low sensitivity
FL^{［49—59，62—64］}	Physiological	High sensitivity； low equipment requirements	Limited imaging depth
PAI^{［65，66，68］}	Physiological	Good contrast and resolution	Limited imaging in bone and air tissue

Imaging modality	Imaging information	Advantage	Disadvantage
CT^{［12—15］}	Anatomical	High spatial resolution； good anatomical structure	Radioactive； pool soft tissue discrimination
PET^{［19—34］}	Physiological	High sensitivity； quantitative	Radioactive； low spatial resolution
US^{［39，41］}	Anatomical； physiological	Good spatial resolution； portable	Lacking available probe
MRI^{［43—46］}	Anatomical； physiological	Good spatial resolution； superb soft tissue discrimination	Long imaging time； low sensitivity
FL^{［49—59，62—64］}	Physiological	High sensitivity； low equipment requirements	Limited imaging depth
PAI^{［65，66，68］}	Physiological	Good contrast and resolution	Limited imaging in bone and air tissue

[1]	LI Wanming, FANG Jin. Quantitative Multi-targeted Imaging of Metastatic Colorectal Cancer Cells Using Aptamer Probes in Combination^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(7): 1262.
[2]	ZHU Hua, LI Yilin, ZHAO Chuanke, XIE Qinghua, LIU Fei, HAN Xuedi, GAO Jing, XIA Chuanqin, SHEN Lin, YANG Zhi. Design and Bio-evaluation of ⁶⁴Cu-NOTA-Herceptin for Tumor Targeted Micro-PET Imaging^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(12): 2132.
[3]	ZHANG Bing-Bo, GONG Xiao-Qun, LI Zhuo-Quan, GUO Fang-Fang, CAI Shao-Yu, .... Preparation of Gd^Ⅲ/Quantum Dots Multimodal Imaging Probes for Disease Diagnosis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2010, 31(5): 982.