抗生素耐藥性（AMR）已成為21世紀人類的主要健康威脅之一。為了減輕其威脅，通過抗菌藥物敏感性試驗（AST）測定最低抑菌濃度（MIC），即經(jīng)過一夜培養(yǎng)后抑制細菌可見生長的抗生素的最低濃度，已成為一種金標準方法。如果能在短時間內(nèi)準確測定抗生素的最低抑菌濃度，就可以及時為患者開具適當?shù)目股兀苑乐惯^量用藥，從而減輕抗生素耐藥性。
為了實現(xiàn)這一目標，過去已經(jīng)試驗了多種基于微流控的平臺，包括微芯片、基于液滴的平臺、微通道、浸入式測試條和微流控圓盤等。微流控技術的優(yōu)勢已被證明優(yōu)于傳統(tǒng)方法，在即時診斷（POCT）方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，這類平臺的發(fā)展仍面臨著各種挑戰(zhàn)。
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，香港大學和香港城市大學的研究人員近期在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了一篇題為“Rapid antimicrobial susceptibility tests performed by self-diluting microfluidic chips for drug resistance studies and point-of-care diagnostics”的研究成果。研究人員在這項新研究中旨在利用微流控芯片的特性，提高此類器件在抗菌藥物敏感性試驗和即時診斷中應用的可能性。尤其，研究人員研究了SlipChip，這是一種通過滑動操作在預制微結構之間切換液體路徑，實現(xiàn)控液和反應操作的微流控芯片。SlipChip無需泵或閥門，就能完成多路微流控過程，并且可以根據(jù)應用需求預先加載試劑或用戶現(xiàn)場加載。
盡管仍存在一些缺點，但SlipChip AST的可行性之前已有研究證明。不過，以往的研究大多集中于少數(shù)幾個最低抑菌濃度范圍較小的突出物種，而在臨床環(huán)境中，測試條件可能要復雜的多。這包括多種細菌物種和寬泛的最低抑菌濃度，以及需要區(qū)分最低抑菌濃度差異較小的細菌物種等。
SDFAST與目前傳統(tǒng)方法的比較示意圖
因此，在本研究中，研究人員引入了SDFAST（自稀釋快速抗菌藥物敏感性測試），它可以克服傳統(tǒng)方法和先前SlipChip AST研究的缺點。與傳統(tǒng)方法相比，研究人員將微芯片與比色水溶性四唑鹽-8（WST-8）測定法結合，在孵育4-6小時后即可產(chǎn)生結果，顯著縮短了周轉(zhuǎn)時間。傳統(tǒng)方法依賴于瓊脂上的濁度或抑菌區(qū)的變化。當兩個樣本之間的最低抑菌濃度存在微小差異時（≤1 μg/mL），很難從這些指標中識別出來。相比之下，比色測定法顯示出易于識別的特征性顏色變化。此外，它很容易以低成本量化顏色變化。研究中，研究人員利用免費的圖像處理程序ImageJ分析了每個孔的顏色強度。在即時診斷應用環(huán)境中，這可以通過智能手機進行簡單拍攝和深度學習來完成。這些特性可以確保該方法的準確性。
SDFAST器件（a）：包含一個頂層芯片（b）和一個底層芯片（c）
與以往的研究相比，研究人員的設計能夠?qū)崿F(xiàn)“自稀釋”，即在微流控系統(tǒng)中進行抗生素的連續(xù)稀釋，該過程僅需幾秒鐘。這一特性消除了在系統(tǒng)外手動稀釋和注射抗生素，或等待系統(tǒng)內(nèi)過夜自稀釋的需求。
SDFAST芯片工作原理
這項研究解決了兩個即時診斷問題。首先，研究人員通過利用靈敏的比色測定和ImageJ分析提供了用戶友好性，非專業(yè)人員可在短時間內(nèi)掌握。其次，研究人員證明了該器件可用于多種樣本，包括不同細菌種類和最低抑菌濃度范圍的變化。此外，該器件也可用于多種細菌種類的整體最低抑菌濃度檢測。
研究人員展示了SDFAST的能力及其在即時診斷中的潛力。例如，患者的樣本可與多種抗生素進行測試以確定最佳處方，或使用特定抗生素對多個樣本進行定期檢測以評估其療效。藥敏試驗可在樣本提交的同一日內(nèi)完成，從而在獲得結果后能夠快速開具處方，更新抗生素療效信息。
結論
SDFAST是一種有效的微流控器件，可作為即時診斷工具。該器件由兩個微芯片組成，連接芯片后可形成微流體路徑，實現(xiàn)細菌和抗生素樣本的注入。通過將一個微芯片滑向另一個微芯片的單次按壓，即可混合溶液。在研究中，SDFAST采用WST-8法進行操作，在各種抗生素下測試了包括鮑曼不動桿菌、大腸桿菌、肺炎克雷伯菌和葡萄球菌在內(nèi)的常見細菌。結果表明，該器件具有顯著優(yōu)勢：非專業(yè)人員無需分光光度計即可通過簡單快捷的方式確定最低抑菌濃度，且與傳統(tǒng)方法相比，該器件所需醫(yī)療資源大幅減少。實驗證明，SDFAST能有效混合細菌和抗生素，并給出易于理解和分析的讀數(shù)，即使是對相關領域了解甚少的使用者也能輕松操作。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-00938-y
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