Rapid Antibiotic Susceptibility Testing by Reflectometric Interference Fourier Transform Spectroscopy on pH-responsive Hydrogel Infiltrated Porous Silicon Integrated into Microchips
本文提出了一种快速、无标记的抗菌药物敏感性测试平台，该平台将 pH 响应型水凝胶浸渍多孔硅微芯片与微流控技术相结合，通过光学干涉术检测细菌代谢引起的酸化，从而在 1.5 小时内实现对大肠杆菌准确的抗生素敏感性结果检测。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
当细菌感染来袭时，医生们面临着一场与时间的赛跑。他们必须选择一种能够阻止引起疾病的特定病原体的抗生素，但细菌并非全都相同；有些足够强韧，能够抵御某些药物，而另一些则很容易被击败。寻找正确药物的标准方法是在实验室中培养细菌，并观察它们在不同药物作用下的挣扎过程，这个过程需要近一个全天或更长时间。在等待期间，医生通常不得不猜测使用哪种药物，如果猜测错误，这种策略可能会失败，并导致细菌大量繁殖或产生耐药性。科学家们长期以来一直在寻求一种更快速的方法来观察细菌对药物的反应，一种不依赖于等待可见生长或使用荧光染料追踪细胞的方法。
一支研究团队现在构建了一个微小的集成设备，通过观察细菌如何改变其环境的化学性质来加速这一测试过程。该系统依赖于一个简单的生物学事实：随着细菌进食和生长，它们会释放酸，使周围环境变得更加酸涩。如果药物有效，细菌就会停止进食，酸的产生也会停止。研究人员创建了一种传感器，能够几乎瞬间检测到这些细微的酸度变化。他们将一个微型硅芯片（其作用类似于高度敏感的光学尺）与一种在遇水时会膨胀并在酸度变化时改变大小的柔软凝胶状材料相结合。通过将这种凝胶捕捉在硅芯片的微小孔洞内，他们创建了一个传感器，该传感器会根据流经其液体的 pH 值发生物理上的扩张或收缩。这种物理变化是通过将光线反射回芯片并分析其模式来测量的，从而使设备能够“看到”细菌培养物内部发生的化学变化。
研究人员使用一个作为浓度梯度发生器的 3D 打印微芯片构建了这个系统。该设备将两股液体——一股含有细菌，另一股含有抗生素——在流经微小通道时以精确的比例进行混合。这种设置允许系统在单次运行中同时测试五种不同的抗生素浓度。混合后的液体随后流过五个独立的传感区域，每个区域都持有一个涂有 pH 敏感凝胶的硅芯片片。当特定通道中的细菌自由生长时，它们会产生酸，导致凝胶膨胀并改变光线在硅片上的反射方式。如果该通道中的抗生素有效，细菌就会停止生长，不再产生酸，凝胶也保持不变。整个过程由一套专门的光学装置进行实时监测。
为了证明该系统的有效性，团队使用了名为大肠杆菌（Escherichia coli）的常见细菌以及三种不同的抗生素：环丙沙星、庆大霉素和头孢他啶。他们首先通过将传感器暴露在已知 pH 水平的缓冲溶液中，验证了传感器能够准确检测酸度的变化，确认了光学信号与化学现实相匹配。随后，他们展示了传感器可以在没有任何抗生素存在的情况下，检测到生长中细菌所产生的酸。最后，他们进行了完整的测试，将细菌暴露于这三种药物中。结果令人瞩目。该设备能够在短短一个半小时内确定哪些抗生素浓度能阻止细菌生长。这仅为传统方法所需时间的极小部分，传统方法通常需要八小时或更长时间才能产生可靠的结果。
该快速设备收集的数据与较慢的常规测试结果高度一致。对于环丙沙星和庆大霉素，新方法与旧标准之间几乎达到了完美的契合，而对于头孢他啶，这种匹配度甚至更高。研究人员确认，他们观察到的变化确实是由细菌的代谢活动引起的，而不是由与其他传感器的其他相互作用引起的。通过将 3D 打印混合芯片与灵敏的光学传感器相结合，该团队展示了一种无需化学标记、使用极少量液体即可同时筛选多种药物浓度的方案。这种方法为更快、更精准地做出细菌感染治疗决策提供了极具前景的路径，有望帮助医生比目前所能实现的更早地选择正确的治疗方案。
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