開發(fā)一種具有梯度設(shè)計的微流控系統(tǒng)

抗生素耐藥性（Antibiotic resistance，AR）危機在全球范圍內(nèi)日益嚴(yán)重?？股啬退幮缘脑黾雍艽蟪潭壬鲜怯捎谠谌祟愥t(yī)學(xué)、獸醫(yī)學(xué)以及畜牧業(yè)中對抗生素的過度使用而導(dǎo)致的?？股啬退幮杂啥喾N因素引起，包括過度使用抗生素、缺乏可確定抗生素敏感性的快速實驗室測試，以及使用無效或效果較差的抗生素等。因此，推進抗生素敏感性快速測試技術(shù)的開發(fā)和使用，以識別和表征耐藥細菌，從而有針對性地給藥是對抗抗生素耐藥性的關(guān)鍵。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國康奈爾大學(xué)（Cornell University）研究人員開發(fā)了一種具有梯度設(shè)計的微流控系統(tǒng)，可產(chǎn)生與當(dāng)前國家和國際標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)?shù)?倍連續(xù)稀釋的抗生素。研究人員的整合設(shè)計，通過最少的處理步驟，將抗生素敏感性測試時間從16~20小時縮短至4~5?小時。研究人員的可行性測試結(jié)果與商用抗生素敏感性測試（AST）結(jié)果一致，從尿路感染（UTI）的犬類中分離的革蘭氏陰性和革蘭氏陽性細菌的一致性顯示為91.75%，并且可在沒有預(yù)先分離或濃縮的情況下使用。該微流控平臺為抗生素敏感性測試提供了一種高效、適應(yīng)性強的診斷工具。

系統(tǒng)說明

用于抗生素敏感性測試的梯度微流控系統(tǒng)結(jié)合了基于納升級微腔室的抗生素敏感性測試的方法與梯形濃度梯度發(fā)生器（LCGG）裝置。這種組合為快速實現(xiàn)抗生素敏感性測試提供了標(biāo)準(zhǔn)化和可調(diào)控的抗生素濃度分布。該平臺由與傳統(tǒng)載玻片結(jié)合的圖案化聚二甲基硅氧烷（PDMS）層組成，可使每個裝置測試一種抗生素/細菌組合。每個裝置提供10種2倍稀釋濃度，并在每種濃度的“一式三份”微腔室中進行測試，其中包括陽性生長對照（無抗生素）微腔室。微腔室從梯形濃度梯度發(fā)生器的主要通道中分支出來，用作生物反應(yīng)器，在抗生素中培養(yǎng)細菌。

圖1：梯度微流控系統(tǒng)設(shè)計及工作原理

裝置的設(shè)計和仿真

該裝置的一個關(guān)鍵工程挑戰(zhàn)是匹配稀釋劑（純培養(yǎng)基）與進入的抗生素的流速，并在每個環(huán)路處產(chǎn)生2倍稀釋。在沒有任何控制功能的情況下，稀釋劑將僅能到達環(huán)路的一半，因為阻力最小的路徑是附近的出口，流體可以從此處流出系統(tǒng)。研究人員通過增加側(cè)通道上的液壓阻力來解決這個問題，從而驅(qū)動稀釋劑到達所有環(huán)路。在研究人員設(shè)計的梯度結(jié)構(gòu)中，所需濃度分布的阻力近似值可通過電路邏輯模型來計算。

研究人員使用計算流體動力學(xué)（CFD）仿真來確定收縮的液壓阻力作為其長度的函數(shù)（圖2b~2d）。計算流體動力學(xué)模擬結(jié)果表明，?40?μm x 655?μm（寬度x長度）的縮窄具有與混合器相同的液壓阻力（圖2d）。

圖2：計算流體動力學(xué)模擬和壓力節(jié)點網(wǎng)絡(luò)

操作原理

梯度微流控系統(tǒng)的操作遵循研究人員之前制定的方案。研究人員使用標(biāo)準(zhǔn)化陽離子調(diào)節(jié)的Mueller-Hinton肉湯來制備所有溶液，?添加2%v/v PrestoBlue（細胞活力檢測試劑）作為細胞代謝指標(biāo)。該平臺的加載包括以下三個步驟：（1）使用注射器將細菌懸浮液加載到裝置中；（2）使用注射泵將培養(yǎng)基中的抗生素溶液和清潔培養(yǎng)基通過兩個不同的端口加載到裝置中，以在主通道網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生濃度分布。這一步驟沖走了主通道中的細菌，但留下了那些在終端微室中的細菌?？股馗鶕?jù)特定的藥物加載時間擴散到微腔室中；（3）系統(tǒng)加載生物級礦物油以隔離微腔室。一旦微腔室被密封，芯片上的水浴池就裝滿了水，然后該裝置在37?°C下培養(yǎng)?4~5小時。

在細菌加載、抗生素加載和微腔室密封這三個步驟中，只有步驟2的加載時間隨所測試的抗生素的不同而變化。表征抗生素加載到微腔室和產(chǎn)生的濃度分布是最重要的，以確定該系統(tǒng)的操作程序。

圖3：梯度濃度的表征

對臨床分離株進行抗生素敏感性測試

研究人員用來自犬尿路感染樣本中的細菌分離物檢測梯度微流控系統(tǒng)在確定最低抑菌濃度（MIC）時的性能特征，這些樣本被提交給康奈爾動物健康診斷中心（AHDC）進行抗生素敏感性測試（圖4a）。研究人員重點研究了2007~2017年間在該設(shè)施培養(yǎng)的犬尿路感染中最常見的四種傳染性微生物：大腸桿菌（EC）、奇異變形桿菌（PRM）、糞腸球菌（EF）和假中間葡萄球菌（SP）。研究人員總共檢測了30株細菌分離株。這四種細菌占所有病例的66.7%。

圖4：梯度微流控系統(tǒng)對臨床獸醫(yī)樣本中細菌分離物抗生素敏感性測試效果

綜上所述，研究人員設(shè)計、優(yōu)化并使用了一種進行抗生素敏感性測試的梯度微流控系統(tǒng)；包含標(biāo)準(zhǔn)化、易理解的測試參數(shù)；然后測試從培養(yǎng)皿分離出的細菌或直接從尿液樣品分離的細菌。該系統(tǒng)利用階梯狀網(wǎng)絡(luò)生成連續(xù)2倍稀釋的濃度，遵循當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)化方法和規(guī)定，并且可調(diào)節(jié)以適應(yīng)大量臨床相關(guān)的抗生素和抗生素組合。當(dāng)使用單一抗生素測試時，包括細菌加載、抗生素加載和油加載在內(nèi)的總制備時間，最快可達10分鐘，而抗生素組合測試也不超過15分鐘。該梯度微控控系統(tǒng)的一個重點考慮因素是在微尺度和小空間內(nèi)對抗生素進行2倍連續(xù)稀釋。該梯度微流控系統(tǒng)是迄今為止第一個使用電路邏輯在微流控中產(chǎn)生梯度濃度的系統(tǒng)。

醫(yī)療設(shè)備想要通過審批，需要與如敏化獸醫(yī)尿路感染臺（SVU）等金標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備達成95%以上的一致性，因此，盡管梯度微流控芯片很有前景，但仍缺乏可接受性。未來，梯度微流控系統(tǒng)應(yīng)采用自動上料、樣品處理、實時圖像分析等技術(shù)，以提高過程的準(zhǔn)確性。此外，還應(yīng)進行進一步的臨床研究，以擴大抗生素敏感性測試平臺的使用范圍，直接從含有更多相關(guān)細菌/抗生素的樣本中提取并進行測試，同時檢查尿路感染以外的其它疾病模型，以探索該梯度微流控系統(tǒng)在臨床診斷中的其它用途。

審核編輯：劉清