作者:温才妃 姜畔 来源:中国科学报 发布时间:2022/7/2 12:29:57
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荧光纸基智能检测  让耐药菌无所遁形

 

一张试纸、一个App,即可快速检测耐药菌及其抗生素敏感性。日前,南京工业大学柔性电子(未来技术)学院教授李林、副教授吴琼指导,博士研究生姬文辉等同学负责的项目“荧光纸基智能检测系统:包‘知’百菌”在第三届江苏省大学生生物医学工程创新设计竞赛中荣获一等奖。

在使用抗生素之前,如何经济、快速、有效地鉴别耐药菌及其抗生素敏感性,对合理使用抗生素、控制耐药菌程度、缩短治疗时间、提高病人生存率都起着至关重要的作用。“我们在前期的研究过程中发现随着β-内酰胺类抗生素的滥用,细菌耐药性变得越来越强,而这有可能会导致临床手术中无药可用,直接危及患者的生命。”吴琼介绍说,细菌产生耐药性的重要原因是β-内酰胺酶的过表达,这种酶可在抗生素与细菌作用之前,水解抗生素的β-内酰胺四元环,破坏抗生素原有结构从而导致其失去药物活性。”基于此,他们课题组十余年来一直聚焦“生物医学光子学”的多学科交叉研究,致力于开发疾病“全面预防-快速诊断-精准治疗”的化学-材料-光学-生物-医学融合的系统策略。

在国家积极推进健康中国建设的大背景下,该项目研究意义重大。“目前β-内酰胺类抗生素耐药菌常用的检测方法主要有四种:微生物检测法、聚合酶链反应(PCR)法、质谱检测法和基于β-内酰胺酶的显色法。这些方法存在一定的弊端,例如检测步骤繁琐、成本高、依赖于大型检测设备及专业人员等等。”团队负责人姬文辉介绍,因此,他们研发出了基于“化学+AI”的智能检测系统,检测时只需将检测原液滴加在预先固定了小分子荧光探针的试纸上,试纸感受光学信号的变化后,通过智能算法的手机App处理手机拍照的相片,计算出荧光信号强度,快速得到β-内酰胺酶浓度。该系统操作简便,无需专业技能和昂贵的大型仪器,只需在智能手机安装App即可完成检测,检测时间不超过20分钟。

吴琼介绍道,如果说抗生素结构中的β-内酰胺四元环是一扇门,那么我们设计的荧光探针就是专一开启这扇门的指纹钥匙。当探针遇到β-内酰胺四元环,会立刻结合并改变自身结构,释放荧光信号。在这一设计原理的指导下,结合课题组在柔性荧光纸基器件领域的大量探索和积累。“我们结合人工智能的AI+技术,设计了一种性能优异、检测迅速、具有全时域环境适应特性的小分子荧光探针,同时建立了云端测试数据库,构建AI智能分析测试系统,这个系统有助于在不同复杂环境(如温度、湿度、测试溶剂、pH与实验室条件不同的环境中)对生物标志物进行监控,实现不稳定条件下稳定的测试,对于治疗和手术的成功率有着重要的作用,具有成本低、操作简单、检测时间短、特异性高、全时域应用等优点,弥补了目前β-内酰胺酶传统检测方法中的一些弊端。”

“随着人们生活水平的提高,获取各类抗生素的方式越来越简单,使得抗生素使用量急剧增加,与此同时也加速了细菌耐药性的进化。”李林介绍道,过量的使用抗生素加剧了细菌的耐药性的传播。这些原因都造成了由耐药菌引发疾病的人群日趋庞大,无法治愈的几率日益增加,“我们研究的快速适应性智能荧光纸基设备能够解决目前野外、紧急手术等复杂环境中耐药菌的快速简便的问题。接下来,我们在柔性生物电子器件设计方面将持续发力,为解决更多的实际健康医学问题提供方案。”

 
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