期刊：Science Advances （IF=12.5） 发表日期：2025年7月4日 DOI号： 10.1126/sciadv.adv4558 瑞典乌普萨拉大学的研究者们开发了一种基于液滴微流控技术的新方法，用于检测大肠杆菌中罕见的抗生素耐药亚群。该方法通过将细菌封装在含有抗生素的微滴中，并通过显微镜观察微滴的体积变化来检测耐药亚群的生长。研究验证了该方法对三种临床重要抗生素的检测效果，并展示了其在检测频率低至10-6的耐药亚群时的高效性和准确性。该技术为快速、精准的抗生素耐药性检测提供了新的思路，有望改善临床感染的诊断和治疗。该研究成果以“Droplet microfluidics-based detection of rare antibiotic-resistant subpopulations in Escherichia coli from bloodstream infections”为题，发表在《Science Advances》期刊上。
✦ ✦ 背景知识 ✦ 🔵细菌表型的群体异质性，如抗生素耐药性，已成为医学关注的问题。异质性耐药是指主要为敏感的细菌群体中存在罕见的耐药亚群，在抗生素暴露时，这些耐药细菌可能被选择出来并导至治疗失败。 🔵标准的抗生素敏感性检测方法由于耐药亚群频率低而难以可靠检测，目前检测异质性耐药的金标准是群体分析谱（PAP）测试，但该方法耗时且费力，在临床微生物实验室中很少使用。 🔵大肠杆菌的异质性耐药尤其受关注，因为它是世界卫生组织优先关注的病原体，也是败血症和菌血症的主要原因，其菌血症死亡。 ✦ ✦ 研究方法 ✦ 🔵微滴封装与培养：利用微流控芯片生成微滴，将细菌（约100–3000个/滴）与抗生素共同封装于微滴中，在37℃条件下孵育24h，通过显微镜实时监测微滴体积变化。 🔵耐药亚群检测原理：耐药菌在抗生素存在下持续生长，导至微滴内渗透压变化，引起微滴体积缩小（约10%），通过图像处理算法定量分析微滴尺寸变化，识别耐药亚群。 🔵多路复用芯片设计：开发集成多个微滴生成器和独立孵育腔的多路复用微流控芯片，实现单一样本同时检测多种抗生素，显著提高检测通量和效率。 ✦ ✦ 关键结论 ✦ 🔵液滴微流控方法能有效检测大肠杆菌中低至 10-6频率的抗生素耐药亚群，优于传统方法和其他液滴基 AST 方法，所需液滴数量大幅减少。 🔵该方法在检测时间和自动化能力上优于当前的 PAP 测试，可在 12 - 24 h内获得结果，且能减少抗生素消耗。 🔵多重微流控芯片实现了同时对多种抗生素的耐药亚群检测，提高了检测效率，且具有进一步开发以增加分析通量的潜力。 ✦ ✦ 图片解析 ✦
图1通过示意图清晰地展示了本研究所采用的微流控技术原理与芯片设计思路，说明了如何利用微滴生成与孵育系统实现细菌与抗生素的共封装，并基于微滴体积变化实现耐药亚群的高效检测，同时提出了多路复用芯片的设计方案，为后续高通量检测奠定了基础。
图2通过不同细菌初始浓度条件下的微滴实验，验证了微滴体积变化与细菌生长之间的对应关系，证明了即使在极低细菌封装比例（1%）下，该方法仍能灵敏地检测到细菌生长引起的微滴体积变化，体现了该技术在低丰度细菌检测方面的高灵敏度与可靠性。
图3通过对抗生素敏感菌株的对照实验，明确了在高浓度抗生素条件下敏感菌株无法生长，微滴体积无明显变化，排除了假阳性结果的可能性，进一步验证了该方法在耐药亚群检测中的特异性与准确性。
图 4展示了在抗生素存在下，将易感大肠杆菌与耐药大肠杆菌混合以检测耐药大肠杆菌亚群的情况。不同频率的耐药菌株在相应抗生素存在下，液滴大小随时间变化，体现了耐药亚群的生长导至液滴收缩。
图5通过临床分离的大肠杆菌菌株进行单抗生素与多路复用芯片检测，验证了该技术在实际临床样本中的应用效果，能够准确区分非异质性耐药菌株与头孢曲松或庆大霉素耐药菌株，体现了该技术在临床诊断中的实际应用潜力与可靠性。 ✦ ✦ 总结与展望 ✦ 本文介绍了一种基于滴液微流控技术的新型抗生素耐药性检测方法，能够高效、灵敏地检测大肠杆菌中的罕见耐药亚群。该方法不仅检测时间短、自动化程度高，而且显著降低了抗生素的使用量，为临床快速、精准的抗生素耐药性检测提供了新的工具。未来，该技术有望进一步扩展到其他细菌种类和抗生素，为更广泛的临床感染提供精准检测。此外，结合自动化和高通量技术，该方法有望在临床实验室中广泛应用，提高感染诊断的效率和准确性。 |
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