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港浸大研发手机可读的“条形码”芯片可用于耐药菌快速现场筛查

新冠肺炎(COVID-19)的危机使得全球对于失控的大流行病造成的破坏有了更加深入的认识。随着抗生素在治疗中的大量使用,另一种传染病危机——抗生素耐药性(AMR),一种正在导致每年全球约700,000人死亡的公共威胁,也引发了业内人士进一步的担忧。在过去的几十年中,抗生素被普遍用作预防以及治疗微生物感染的灵丹妙药。然而,公共卫生、医疗、畜牧业以及渔业等领域对抗生素的普遍滥用和误用加速了微生物耐药这一自然进化过程,使其成为目前人类文明面临的最大威胁之一。伴随老龄化人口的增长,AMR的致命性也愈加突出。根据世界卫生组织推测,如果不迅速启动全球性的应对措施,到2050年,每年将有1000万人死于抗生素耐药相关的疾病。


为减缓抗生素耐药性的发展速度,医学界提出了使用药敏试验 (AST) 以确定抑制微生物生长的最小抗生素浓度,从而帮助药剂师开出合适的抗生素处方并监测个体以及环境中耐药病原体的出现,以减少抗生素的滥用和误用。然而,传统的药敏测试方法速度较慢,无法在现实场景中普及。因此,许多研究者开发出了各式各样的快速药敏测试方法,以期用于辅助诊疗。这些方法虽然加快了测试速度,但仍有一些局限性,例如测试成本高、需要昂贵的仪器(如显微镜、PCR仪)等。这些缺点导致其无法在资源有限(例如在现代化医疗系统以外)的条件下进行快速、大规模的耐药性测试,例如对水源、食品、养殖场、公共设施等的监测、大流行期间对大量样本的紧急排查,或在低收入国家进行简易耐药性筛查等场景。而研究表明,大量的耐药性威胁恰恰是在这些医疗系统以外的环境中存在的,因而针对的测试办法亟待开发。


为此,香港浸会大学化学系副教授任康宁点击查看介绍)带领的研究团队基于微流控技术以及条形码原理,发明了一种适用于资源受限场景的快速药敏筛查系统(图1)。此系统可通过使用配套手机应用“扫描”测试结果所形成的“条形码”,得知测试样品中是否存在耐药病原体,在3小时内完成就地快速筛查。快筛检出的存在耐药病原体风险的样品可被送往专业机构进行进一步分析。

图1. “条形码”快速药敏筛查系统


此系统的核心部件之一为微通道阵列所形成的“条形码”,每个阵列由8个可实现自适应过滤、线性堆积滤得细胞的微型过滤器组成(图2)。每个过滤器由中间的收集微通道、两侧的排液微通道以及连接二者的横向纳米通道组成,利用流体和颗粒的惯性行为,使得微生物细胞从收集微通道的末端而非纳米通道所在的侧壁开始堆积。这些过滤器可收集来自上游药敏测试通道的微生物细胞以堆积形成长条,长条长度同细胞数量成正比。在进行简单的革兰氏染色后,使用配备微距镜头的手机以及配套应用可立即获取测试结果。

图2. 自适应线性过滤器


该系统只需简单地使用手机扫描“条形码”即可快速得到结果,不依赖专业检测仪器,可在条件受限的情况下实现便捷、高通量的耐药性筛查,有望在公共卫生常规安全检测、大样本紧急筛查以及低收入国家微生物耐药性普查等场景中大量投入使用。除了快速筛选环境和临床样本中的耐药性微生物外,本系统还可用于药物开发和抗生素功效测试等研究领域。


该研究团队由香港浸会大学化学系副教授任康宁领导,同时浸大计算机科学系褚晓文教授和斯坦福大学医学院教授兼临床微生物实验室主任Niaz Banaei教授也参与了这项研究。研究成果已发表于著名的学术期刊Biosensors and Bioelectronics 上。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

“Barcode” Cell Sensor Microfluidic System: Rapid and Sample-to-Answer Antimicrobial Susceptibility Testing Applicable in Resource-Limited Conditions

Chiu-Wing Chan, Han Sun, Yisu Wang, Zhihao Zhao, Ryan O'Neill, Sin-Yung Siu, Xiaowen Chu, Niaz Banaei, Kangning Ren

Biosens. Bioelectron., 2021192, 113516, DOI: 10.1016/j.bios.2021.113516


导师介绍

任康宁

https://www.x-mol.com/groups/ren_kangning 


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