【研究】打破传统检测方法——新传感器可以确定最有效的抗生素

生物医学工程副教授Guoan Zheng开发了一种高时空分辨率和高灵敏度的大规模微生物监测传感器技术。

这种传感器可以确定治疗病人某些细菌感染的最有效的抗生素。它为微生物学家和临床医生提供了关于微生物生长的更详细的信息，比传统方法更快，更灵敏。康涅狄格大学已经公布了这项发明的专利。

Zheng的ptychographic传感器在厘米尺度范围内实现了单细胞空间分辨率和15秒时间分辨率。

该传感器由三个主要部分组成:照亮样品的激光光源、涂有微珠散射层的图像传感器和保持设备在适当温度下运行的冷却器。微珠的散射层可作为微生物监测的计算透镜。

整个设备可以放置在普通的培养箱中，也可以作为长期实验的独立培养单元使用。

在最近发表于《Biosensors and Bioelectronics》的一篇题为“Ptychographic sensor for large-scale lensless microbial monitoring with high spatiotemporal resolution”的论文中，Zheng在大肠杆菌(一种用于微生物监测的模型生物)上测试了这项技术，取得了巨大成功。他观察了大肠杆菌对庆大霉素和氨苄西林两种不同抗生素的反应。

当病人进入医院或其他医疗机构，有潜在的细菌感染时，医护人员将从感染部位提取样本，并在专门的培养基上培养，如琼脂平板。在培养基中加入不同浓度的抗生素，以确定药物的最低抑菌浓度。这些结果使医生能够使用最有效的抗生素，同时降低耐药性的风险。

“我们的想法是找到正确的药物和剂量来治疗病人，”Zheng说。

在Zheng的传感器中，样本被置于图像传感器之上进行数据采集。当激光照射到样品上时，光被样品衍射并被微珠的散射层调制以进行检测。通过将该装置平移到不同的x-y位置，可以获得许多衍射光模式，并用于重建细菌菌落的图像。

重建过程的核心是一种称为ptychography的成像技术。像图像传感器这样的光探测器只能测量照射到它们的光的强度变化。在记录强度的过程中，他们丢失了相位信息，这是表征光通过传播延迟了多少。Ptychography，最初是为电子成像而开发的，是一种相位检索方法，从许多不同的强度测量中恢复丢失的相位信息。

这种纹理重构过程产生了3D图像，科学家可以在计算机上查看，了解细菌是如何生长和对抗生素的反应的。

图像的三维特性对临床应用非常重要。如果一个细菌菌落是向上生长而不是向外生长，传统的传感技术无法检测到这种生长，而Zheng的传感器可以。

“对于3D模型来说，这是对细菌生长速度的精确测量，”Zheng说。“如果你只使用2D模型，就无法给出量化增长的准确指标。”

Zheng的传感器还可以在15秒内在一厘米范围内拍摄细菌生长的图像，本质上是实时监控它们。相比之下，现有技术至少需要10分钟才能捕捉到类似领域的增长变化。这意味着与传统方法相比，Zheng的技术可以更快地提供可用的结果。

Zheng的传感器可以如此迅速地恢复图像，因为它使用了一种被称为“时间相似性约束”的创新技术。这意味着在捕捉下一张图像之前，传感器使用先前的图像来预测样本将如何生长。

“在相邻的时间点，细菌看起来是相似的，”Zheng说。“他们变化不大。这就是为什么我们可以使用前一个时间点的恢复图像作为当前时间点的初始猜测，以恢复高分辨率图像。”

Zheng的传感器还可以让科学家看到抗生素诱导的丝状结构。这发生在细菌细胞停止分裂和作为菌落生长，而是开始自我延长的时候。传统方法无法在大范围内检测到这种效应，使其看起来像是细菌生长受到了抑制。这意味着使用的抗生素并不像人们预期的那样有效。

这种传感器也可以用于其他类型的测试，而不仅仅是细菌感染。Zheng说，可能的应用包括组织分析和哺乳动物细胞培养的药物筛选。（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://phys.org/news/2021-11-sensor-images-microbial-growth-quickly.html

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。