血流感染（BSI）是一种由病原微生物侵入血流引起的传染病。在某些情况下，血流感染可发展为脓毒症，这是可能导致患者被重症监护室（ICU）收治的危重疾病之一。根据美国一项长达6年的回顾性研究结果显示，住院患者的血流感染发病率为5.9%，其中，发病患者的死亡率为15.6%。发病率和死亡率高的主要原因是临床医生无法在患者发病早期给予有效的抗生素治疗。因此，快速准确的抗微生物药物处方对于降低血流感染患者的死亡率至关重要。然而，用于血流感染诊断的传统抗微生物药敏试验（AST）既耗时又繁琐，导致临床医生倾向于依据自身的经验来开处方。近年来，微流控技术因为具有快速、高通量以及小型化的优点被广泛应用于微生物分析。目前，已经涌现出多种用于快速抗微生物药敏试验和最低抑菌浓度（MIC）测定的微流控平台。
据麦姆斯咨询报道，为了满足对快速诊断工具的需求，来自山东大学、中国科学院（CAS）青岛生物能源与过程研究所（QIBEBT）和青岛大学附属医院的研究人员开发了一种集成式微流控芯片（BSI-AST芯片），用于从阳性血培物（PBCs）中提取微生物并进行快速抗微生物药敏试验。使用该微流控芯片，在3.5小时以内即可完成从微生物提取到获得抗微生物药敏试验结果的整个过程，因此有望成为管理血流感染的强大新工具。相关研究成果以“Integrated Microfluidic Chip for Rapid Antimicrobial Susceptibility Testing Directly from Positive Blood Cultures”为题发表在Analytical Chemistry期刊上。
图1 BSI-AST芯片的设计与制作示意图
图2 从阳性血培物中快速分离微生物以及抗微生物药敏试验的工作流程
“目前，在阳性血培养流程开始后，利用传统的抗微生物药敏试验方法至少需要两天时间才能获得诊断结果。这种诊断方法的延迟性往往会迫使临床医生选择依据自身的经验进行抗生素给药，而这一行为不仅具有使患者病情恶化的风险，还有可能会促进抗生素耐药性的出现。”该研究的合著者、中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心MA Bo教授说，“因此，迫切需要能够提供准确及时的诊断和药物敏感性试验的新技术。”
在一项概念验证研究中，研究人员利用BSI-AST芯片以及18种抗生素直接对含有大肠杆菌的人工阳性血培物进行抗微生物药敏试验，试验结果在3.5小时内即可获得，从而证明了所开发的BSI-AST芯片的有效性。
此外，在临床阳性血培物的诊断应用中，这种集成式微流控芯片的诊断结果与临床标准方法的绝对一致性为93.3%。因此，该微流控芯片的抗微生物药敏试验结果可靠、快速，在临床诊断中具有巨大的潜力。
该研究的第一作者、山东大学博士生ZHU Meijia表示：“在以前的研究中，微流控装置主要用于纯化和浓缩来自传代培养或成分简单的尿液样本的活性微生物。由于缺乏片上复杂样品制备的工艺，这些微流控装置的实际应用面临着重大挑战。”
来自中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心的助理研究员和合著者XU Teng表示，BSI-AST芯片是一个“重大进步”，因为其可以直接对阳性血培物进行抗微生物药敏试验，而不需要对微生物进行传代培养。
此外，研究人员首次在微流控芯片中引入分离凝胶，实现了阳性血培物中微生物的快速提取和富集。离心微流控富集技术也是该工艺的核心。此外，利用通过抗生素干燥和阵列并行化实现的多路分析能力，该微流控芯片能够支持临床医生对血流感染患者的抗生素治疗进行优化。
图3 利用分离凝胶从阳性血培物中分离微生物的原理
中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心负责人XU Jian教授表示，BSI-AST芯片可以与该团队发明的临床抗微生物药敏检测拉曼仪（CAST-R）结合使用，从而为样品预处理提供快速方便的解决方案。
该研究的通讯作者、山东大学教授CHENG Yongqiang说：“基于血培物的快速抗微生物药敏试验对临床败血症患者具有重要意义，并有可能挽救其生命。”接着，CHENG Yongqiang教授进一步指出了这项技术在“抗击微生物抗药性对人类的严重威胁”方面发挥的价值。
论文信息：
DOI: 10.1021/acs.analchem.3c02737
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《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
