圣安德魯斯大學(xué)的微流控聲學(xué)拉曼光譜研究項目可用于監(jiān)測環(huán)境對結(jié)核病的影響。

用光和聲波來分析細(xì)菌

研究微生物及其變化的組成極具挑戰(zhàn)，通常需要重復(fù)的采樣技術(shù)，而這些技術(shù)本身會影響目標(biāo)生物。

捕獲和檢查細(xì)菌但不改變它們將是更好的解決方案。據(jù)麥姆斯咨詢報道，由圣安德魯斯大學(xué)（University of St Andrews）領(lǐng)導(dǎo)的一個項目目前已經(jīng)開發(fā)出這種技術(shù)，使用微流控平臺和波長調(diào)制拉曼光譜（wavelength modulated Raman spectroscopy, WMRS）來檢測結(jié)核菌模型。

結(jié)核病在全球部分地區(qū)構(gòu)成了重大的公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)，越來越多的證據(jù)表明結(jié)核細(xì)胞中脂質(zhì)體的存在會直接影響對抗生素治療的反應(yīng)。含有脂質(zhì)包裹體的細(xì)菌數(shù)量越多，對抗生素的耐藥性就越強。

圣安德魯斯大學(xué)研發(fā)的新平臺整合了光學(xué)拉曼光譜和對恥垢分枝桿菌（M. smegmatis bacteria，一種結(jié)核病的典型生物）的聲波捕獲，并評估其對抗生素治療的反應(yīng)?，F(xiàn)在可以將其應(yīng)用于其他微生物的研究，以動態(tài)監(jiān)視它們對不同條件和刺激的反應(yīng)。研究結(jié)果被發(fā)表在《自然》（Nature）期刊的子刊《通訊生物學(xué)》（Communications Biology）上。

這項新技術(shù)的原理是利用聲波捕獲技術(shù)將活細(xì)菌懸浮并固定在一個小的微流控腔室內(nèi)，然后應(yīng)用波長調(diào)制拉曼光譜記錄細(xì)菌的拉曼信號，從而揭示細(xì)菌的分子組成。

聲波捕獲腔室的設(shè)計

圣安德魯斯大學(xué)光學(xué)操縱小組的Mingzhou Chen評論道，“這是首個利用激光和聲音來解決傳染病問題并借此展開的研究。我們希望研究人員能夠用這種創(chuàng)新的方法來研究活細(xì)菌和其他生物。”

測試新藥物

在試驗中，工作波長785納米的共聚焦拉曼系統(tǒng)被用于靶向聲波捕獲在該項目中定制的120微米微通道中的細(xì)菌。在樣品平面上施加100毫瓦的激光，以獲取足夠強的信號而不會干擾聲波捕獲。

在含有或不含有異煙肼（isoniazid，簡稱INH，一種通常用于治療結(jié)核病的抗生素）的情況下，研究人員監(jiān)測了與特定脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的存在相關(guān)的幾個不同的拉曼光譜峰。

該研究小組在其發(fā)表的論文中評價道，“該方法的一大關(guān)鍵優(yōu)勢是通過聲懸浮將細(xì)菌樣品保持在遠(yuǎn)離裝置表面的位置，可以顯著降低背景信號。這為細(xì)菌的實時檢測搭建了一個新的平臺，并允許研究營養(yǎng)素和抗生素動態(tài)變化的生化效應(yīng)?！?br />
恥垢分枝桿菌樣品的結(jié)果表明了這類微生物的拉曼光譜具有復(fù)雜特性，諸如細(xì)菌的聚集等因素也會對光譜信號產(chǎn)生影響。但是該項目能觀察到異煙肼影響下拉曼峰值的顯著變化模式，包括那些與脂質(zhì)相關(guān)的變化。

該項目還需進(jìn)一步的研究以充分了解聲波捕獲對菌群的影響，但是該團隊相信他們所創(chuàng)建的平臺在幫助理解細(xì)菌形為方面已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的潛力，可以作為確定治療結(jié)核病的最佳方法的途徑。

據(jù)項目研究人員報道，該平臺除了能夠監(jiān)測對抗生素的反應(yīng)，也能用于檢測對環(huán)境變化的影響，如pH值、溫度、氧氣濃度和營養(yǎng)缺乏。

圣安德魯斯大學(xué)醫(yī)學(xué)系的Stephen Gillespie總結(jié)道，“這款新工具將幫助我們理解為何結(jié)核病的治療需要花費這么長的時間，并且有望成為新藥測試的平臺?！?br />