用于数字单细胞抗菌敏感性检测的独立自隔离微流控芯片

《Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis》：Standalone Self-Compartmentalizing Microfluidic Chip for Digital Single-Cell Antimicrobial Susceptibility Testing

　　抗生素耐药性威胁促使开发快速便捷的抗生素敏感性检测（AST）方法。本研究提出基于被动微流控picochamber阵列的数字细胞级AST新方法，通过随机单细胞约束和resazurin荧光检测，实现4小时内定量细菌生长和确定庆大霉素MIC阈值，临床验证10株菌与标准实验室结果完全一致。

　　这项研究提出了一种全新的数字细胞基础抗菌敏感性测试（AST）方法，旨在应对抗生素耐药菌日益严重的威胁。传统的AST方法通常需要较长的时间，例如盘扩散法和肉汤稀释法，通常需要16到24小时，甚至更长时间来检测耐药性。这种方法虽然准确，但耗时且需要专门的设备和复杂的操作流程，难以在临床环境中广泛应用。随着全球范围内抗生素耐药问题的加剧，迫切需要一种快速、简便且易于操作的替代方案。

研究团队开发了一种基于微流控技术的新型设备，该设备能够实现单细胞分辨率的抗菌敏感性测试。设备的核心是一个由12,800个微升级的微型腔室组成的阵列，这些腔室通过毛细作用阀实现自动引导液体进入，并且仅需使用移液器和注射器即可完成样本加载和分区。这一创新方法不仅简化了操作流程，还提高了测试的效率和准确性，能够在短短4小时内完成细菌浓度的定量分析和抗生素最小抑制浓度（MIC）的确定。

在测试过程中，研究人员首先将含有细菌的培养液（如Mueller Hinton肉汤）与抗生素和荧光检测剂（如resazurin）混合，然后通过设备的入口将该混合液加载到微流控芯片中。随后，通过设备的出口引入空气，以实现微腔室内的样本分区。这种方法能够确保每个微腔室中仅包含一个细菌细胞，从而避免了传统方法中可能存在的样本混合问题，提高了检测的灵敏度和特异性。

resazurin是一种常用的细胞活力检测剂，它在细菌代谢活跃时会从蓝色变为粉色，这种颜色变化可以通过比色或荧光检测的方式进行量化。在本研究中，通过将resazurin与细菌细胞结合，研究人员能够实时监测细菌的生长情况，并据此判断其对特定抗生素的敏感性。这种方法不仅提高了检测的速度，还减少了对复杂设备和专业人员的依赖，使得在资源有限的环境中也能实现快速的抗菌敏感性测试。

此外，研究团队还测试了十种临床分离株，结果显示该设备在抗菌敏感性分类方面与传统实验室方法达到了100%的分类一致性。这一结果表明，该设备在临床应用中具有很高的可靠性。同时，该设备的设计也具有良好的可扩展性，可以用于大规模的抗菌敏感性测试，从而为临床诊断和公共卫生管理提供有力支持。

在设备的操作过程中，研究人员发现，使用毛细作用阀可以有效地引导液体进入微腔室，并且在样本加载完成后，通过引入空气可以实现微腔室的自动分区。这种方法不仅简化了操作流程，还提高了设备的自动化程度，使得测试更加高效。此外，该设备采用热塑性材料制造，避免了传统微流控设备中对气体渗透材料（如PDMS）的依赖，这不仅降低了制造成本，还提高了设备的稳定性和耐用性。

在实际应用中，该设备能够显著缩短抗菌敏感性测试的时间，使得医生可以在短时间内获得准确的检测结果，从而做出更合理的抗生素使用决策。这种快速、简便的检测方法对于减少抗生素滥用、控制抗生素耐药性的传播具有重要意义。同时，该设备的可扩展性也意味着它可以在不同的医疗机构中广泛应用，包括资源有限的地区，从而提高全球范围内抗菌敏感性测试的可及性和准确性。

该研究还强调了设备在操作过程中的用户友好性。通过使用简单的移液器和注射器，研究人员能够轻松完成样本加载和分区，而无需复杂的外部设备或专业的操作培训。这种设计使得设备更加适合在临床环境中使用，尤其是在缺乏专业设备和人员的地区，能够有效提升抗菌敏感性测试的普及率和实用性。

此外，该设备的性能测试显示，其在检测细菌浓度和确定抗生素最小抑制浓度方面具有很高的准确性。研究人员通过对比传统方法，发现该设备能够在更短的时间内提供可靠的结果，这对于需要快速决策的临床环境尤为重要。同时，该设备还能够实现对细菌生长的数字化评估，通过统计生长阳性的微腔室数量，研究人员能够更精确地量化细菌的浓度，从而提供更详细的抗菌敏感性信息。

在实验设计方面，研究人员采用了多种方法来确保设备的稳定性和可靠性。例如，通过使用毛细作用阀，研究人员能够实现液体的自动引导和分区，而无需额外的泵或真空装置。这种方法不仅简化了设备的结构，还提高了其操作的便捷性。此外，研究人员还优化了微腔室的设计，使其能够容纳更多的细菌细胞，从而提高检测的效率和准确性。

总的来说，这项研究提出了一种全新的数字细胞基础抗菌敏感性测试方法，该方法结合了微流控技术和荧光检测，能够在短时间内完成细菌浓度的定量分析和抗生素敏感性的判断。这种方法不仅提高了检测的速度，还降低了对复杂设备和专业人员的依赖，使得在临床环境中广泛应用成为可能。同时，该设备的设计也具有良好的可扩展性和用户友好性，能够满足不同规模和资源条件下的需求。这些创新成果为抗菌敏感性测试提供了新的思路和技术支持，有望在未来的临床诊断和公共卫生管理中发挥重要作用。