世衛(wèi)組織專家估計，到2050年，抗生素耐藥導(dǎo)致的死亡人數(shù)可能會大幅增加。導(dǎo)致耐藥菌出現(xiàn)和蔓延的一個主要原因是在治療感染類疾病時存在濫用和過度使用抗生素的情況。目前，病原菌感染在臨床的檢驗(yàn)流程如圖1所示，需要3至7天才能從病人標(biāo)本中分析出病原菌鑒定和抗生素藥敏的結(jié)果?？焖贆z測感染細(xì)菌的藥敏特性對確保有效抗生素的使用和減少對廣譜藥物的需求發(fā)揮關(guān)鍵作用。那么，應(yīng)如何準(zhǔn)確且快速的判斷感染細(xì)菌的藥敏特性呢？

近期，中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所宋一之、復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院王明貴和英國牛津大學(xué)Wei Huang聯(lián)合團(tuán)隊合作，利用單細(xì)胞拉曼光譜-重水標(biāo)記聯(lián)用技術(shù)，開發(fā)出一種適用于血液和尿液標(biāo)本的快速藥敏檢測方法（FRAST），該方法將尿液和血液標(biāo)本的藥敏檢測時間由3至4天分別縮短為3小時和21小時。

圖1 傳統(tǒng)尿液和血液樣本的藥敏檢測時間與FRAST的比較

FRAST方法基于拉曼光譜——重水標(biāo)記聯(lián)用技術(shù)，其主要原理為：細(xì)菌可通過重水（氘代水）培養(yǎng)可實(shí)現(xiàn)氘元素的標(biāo)記，使拉曼光譜中的碳-氘峰成為單細(xì)胞水平細(xì)菌代謝活動的標(biāo)記物。在抗生素作用下，易感菌代謝活性會受到抑制，耐藥菌則不受影響并產(chǎn)生明顯的碳-氘峰，因此，可克服臨床微生物試驗(yàn)對長時間培養(yǎng)的要求，使快速藥敏成為可能。

FRAST方法的具體流程如圖2所示。對于尿液感染標(biāo)本，研究人員首先進(jìn)行離心收集細(xì)菌，然后在共聚焦顯微拉曼系統(tǒng)下對細(xì)菌觀察并采集拉曼指紋圖譜，這一過程可判斷尿液中是否有菌及菌量，同時將采集到的圖譜利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型與革蘭氏陰性菌和陽性菌的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，準(zhǔn)確預(yù)測樣品中細(xì)菌的革蘭氏陰陽性并以此選擇合適的藥敏板。將尿液加入到藥敏板并作用1 h后加入重水，待重水標(biāo)記1 h后離心洗滌樣品并采集拉曼信號，通過對抗生素作用下的C-D峰的強(qiáng)度的統(tǒng)計計算讀取最小抑菌濃度（MIC）。對于血液標(biāo)本，則是在血培養(yǎng)瓶內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，血培養(yǎng)瓶報陽后用同樣的方法采集拉曼光譜并計算MIC值。

圖2 FRAST用于臨床尿液樣本和血液樣本的藥敏試驗(yàn)流程圖

該研究中，研究人員對包含質(zhì)控菌株和臨床原始標(biāo)本在內(nèi)的超過3000個樣本采集了6萬余張單細(xì)胞拉曼光譜，并與臨床金標(biāo)準(zhǔn)（微量肉湯稀釋法或臨床自動藥敏系統(tǒng)）進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，F(xiàn)RAST方法對革蘭氏染色結(jié)果的預(yù)測準(zhǔn)確率為100%（圖3），藥敏結(jié)果與金標(biāo)準(zhǔn)總體一致率大于88%。與其他基于Raman-DIP的病原菌藥敏研究相比，該研究在國際上首次證明單細(xì)胞拉曼與重水標(biāo)記結(jié)合可用于分析真實(shí)的尿液或血液標(biāo)本中病原菌的耐藥性，而且基于拉曼的革蘭氏染色預(yù)測方法的整合使FRAST成為相對獨(dú)立完整的測試方法，臨床醫(yī)生無須其他手段輔助，即可完成“從樣本到報告”的快速診斷。與近年來發(fā)展較快的耐藥分子診斷技術(shù)相比，F(xiàn)RAST藥敏是基于抗生素對細(xì)菌作用的表型，因此，該結(jié)果不會因未知的耐藥機(jī)制或基因表達(dá)調(diào)控影響而產(chǎn)生對藥敏的誤判。

圖3 FRAST方法可以準(zhǔn)確預(yù)測病原菌的革蘭氏染色分類結(jié)果

相關(guān)研究成果以Development of a Fast Raman-Assisted Antibiotic Susceptibility Test (FRAST) for the Antibiotic Resistance Analysis of Clinical Urine and Blood Samples為題，發(fā)表在Analytical Chemistry上。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部重點(diǎn)研發(fā)計劃、中科院科研儀器設(shè)備研制等的資助。

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