纸基传感器在抗生素耐药细菌检测中的进展

背景介绍

抗生素耐药性（Antimicrobial Resistance, AMR）是当今全球公共卫生面临的重大挑战之一。随着抗生素的广泛使用和滥用，越来越多的细菌对抗生素产生了耐药性，导致传统治疗方法失效。根据全球疾病负担研究（Global Burden of Disease Study）的数据，2019年全球约有770万人死于细菌感染，其中许多感染与抗生素耐药性有关。抗生素耐药细菌的快速传播不仅增加了医疗成本，还延长了住院时间，并显著提高了死亡率。因此，开发快速、准确且经济的检测方法，用于识别抗生素耐药细菌，成为当前医学和生物传感领域的重要研究方向。

纸基传感器（Paper-based Sensors）因其低成本、便携性和易于使用的特点，近年来在病原体检测领域得到了广泛关注。纸基传感器能够通过简单的颜色变化或荧光信号快速检测目标细菌，特别适用于资源有限的地区。本文综述了纸基传感器在抗生素耐药细菌检测中的应用，探讨了其优势、局限性及未来发展方向。

论文来源

本文由Aayushi Laliwala、Ashruti Pant、Denis Svechkarev、Marat R. Sadykov和Aaron M. Mohs共同撰写，作者分别来自University of Nebraska Medical Center、University of Nebraska at Omaha等机构。论文于2024年发表在npj Biosensing期刊上，题为《Advancements of Paper-Based Sensors for Antibiotic-Resistant Bacterial Species Identification》。

论文主要内容

1. 抗生素耐药性的机制与检测工具

抗生素耐药性是指微生物在标准抗生素治疗后仍能存活的能力。细菌可以通过固有耐药性（Intrinsic Resistance）或获得性耐药性（Acquired Resistance）机制对抗生素产生耐药性。固有耐药性是由细菌染色体编码的天然特性，而获得性耐药性则通过基因突变或水平基因转移（Horizontal Gene Transfer）获得。例如，金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）通过获得mecA基因对甲氧西林产生耐药性，形成耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）。

传统的抗生素敏感性测试（Antibiotic Susceptibility Testing, AST）方法包括肉汤稀释法、琼脂稀释法和纸片扩散法，但这些方法耗时较长，通常需要2-3天才能得出结果。近年来，分子技术如聚合酶链反应（PCR）和基因组测序（Genomic Sequencing）的发展为快速检测耐药基因提供了可能，但这些技术仍需要复杂的设备和专业的技术人员。

2. 纸基传感器的优势与应用

纸基传感器因其低成本、便携性和易于使用的特点，成为抗生素耐药细菌检测的理想工具。纸基传感器通常由纤维素基质制成，具有亲水性，能够通过毛细作用将样品快速输送到检测区域。纸基传感器可以通过颜色变化、荧光信号或电化学信号检测目标细菌，适用于资源有限的地区。

纸基传感器的检测目标包括全细菌细胞、核酸和酶。全细胞检测通过观察细菌在抗生素存在下的生长动态来判断其耐药性。例如，研究人员开发了一种纸基AST芯片，通过在色谱纸上打印蜡质微通道，将抗生素和显色底物固定在测试区域。细菌在抗生素存在下的代谢活性通过显色反应（如从蓝色变为粉红色）直观显示，从而快速识别耐药菌株。

3. 纸基传感器的检测技术

纸基传感器主要采用以下几种检测技术： - 比色法（Colorimetric Detection）：通过显色底物的颜色变化检测目标细菌。例如，利用四唑盐（Tetrazolium Salts）作为显色底物，检测细菌的代谢活性。 - 荧光法（Fluorometric Detection）：通过荧光染料检测目标细菌。例如，利用SYBR Green I荧光染料检测MRSA的耐药基因。 - 表面增强拉曼光谱（Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS）：通过纳米结构表面增强拉曼散射信号，检测低浓度目标分子。例如，利用银纳米颗粒作为SERS基底，检测β-内酰胺酶（β-lactamase）活性。

4. 纳米颗粒在纸基传感器中的应用

纳米颗粒（Nanoparticles）因其独特的光学性质和功能化能力，在纸基传感器中得到了广泛应用。例如，研究人员开发了一种基于金属有机框架（Metal-Organic Framework, MOF）的纸基传感器，通过显色反应检测大肠杆菌（Escherichia coli）的耐药性。纳米颗粒的引入不仅提高了检测灵敏度，还实现了多重检测（Multiplex Detection），能够同时检测多种耐药基因或酶。

5. 纸基传感器的挑战与未来发展方向

尽管纸基传感器在抗生素耐药细菌检测中展现出巨大潜力，但其在临床应用中的推广仍面临一些挑战。例如，抗体基传感器的生产成本较高，且需要严格的存储条件。此外，纸基传感器的定量检测能力有限，通常只能进行定性或半定量分析。未来的研究方向包括将智能手机等便携设备与纸基传感器结合，开发新型传感元件（如适配体传感器），以及实现多重检测和样品预处理功能。

论文的意义与价值

本文综述了纸基传感器在抗生素耐药细菌检测中的最新进展，详细探讨了其检测技术、应用优势和未来发展方向。纸基传感器作为一种低成本、便携且易于使用的检测工具，特别适用于资源有限的地区，具有重要的公共卫生意义。通过整合纳米技术和多重检测方法，纸基传感器有望在未来成为抗生素耐药细菌检测的主流工具，为全球抗生素耐药性防控提供有力支持。

亮点总结

• 低成本与便携性：纸基传感器利用廉价的纸质材料，适用于资源有限的地区。
• 快速检测：通过比色法或荧光法，纸基传感器能够在数小时内完成抗生素耐药细菌的检测。
• 多重检测能力：结合纳米技术，纸基传感器能够同时检测多种耐药基因或酶，提高了检测效率。
• 未来潜力：纸基传感器与智能手机等便携设备的结合，有望进一步推动其在临床中的应用。

本文为抗生素耐药细菌检测领域的研究提供了重要的参考，并为未来纸基传感器的开发指明了方向。