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- 研究人員稱(chēng)，受酒精檢測(cè)儀啟發(fā)的化學(xué)傳感器可 “嗅出” 抗生素耐藥性
- 來(lái)源：Cell Press 發(fā)表于 2025/7/7
圖片來(lái)源：CC0 公共領(lǐng)域
一組工程師、微生物學(xué)家和機(jī)器學(xué)習(xí)專(zhuān)家在《細(xì)胞生物材料》雜志發(fā)表的一篇觀點(diǎn)論文中指出，類(lèi)似酒精檢測(cè)儀的微型傳感器能夠 “嗅出” 細(xì)菌感染，并在體液中檢測(cè)出具有抗微生物藥性的細(xì)菌。開(kāi)發(fā)這種技術(shù)有望提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且快速的診斷測(cè)試，從而優(yōu)化治療方案并助力對(duì)抗抗生素耐藥性。
“抗微生物藥物耐藥性的最大驅(qū)動(dòng)因素之一，是我們?nèi)狈焖僭\斷手段，” 該研究的資深作者安德烈亞斯・貢特納表示。他是瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的機(jī)械與工藝工程師，與凱瑟琳・朱策勒、托馬斯・凱斯勒、艾瑪・斯萊克和阿德里安・埃格利共同領(lǐng)導(dǎo)了這個(gè)項(xiàng)目。
“我們的設(shè)想是繞過(guò)實(shí)驗(yàn)室分析 —— 那是一個(gè)通常需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天，有時(shí)甚至數(shù)周的多步驟過(guò)程 —— 用一種能在幾秒到幾分鐘內(nèi)給出結(jié)果的簡(jiǎn)單測(cè)試取而代之�！�
從歷史上看，醫(yī)生曾通過(guò)嗅覺(jué)診斷細(xì)菌感染。例如，銅綠假單胞菌感染會(huì)散發(fā)出類(lèi)似葡萄的甜香，而梭菌感染則帶有惡臭。這些氣味源于揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）的存在，即微生物和其他生物體釋放的通常帶有獨(dú)特氣味的微小分子。
研究人員提議開(kāi)發(fā)化學(xué)傳感器，以替代人類(lèi)的嗅覺(jué)，用于檢測(cè)血液、尿液、糞便和痰液等體液中與細(xì)菌相關(guān)的揮發(fā)性有機(jī)化合物。類(lèi)似技術(shù)已被用于酒精檢測(cè)儀和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備中特定分子的檢測(cè)。
“我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)并商業(yè)化了類(lèi)似技術(shù)，用于檢測(cè)酒精飲料中的甲醇等污染物，” 貢特納說(shuō)，“現(xiàn)在，我們正嘗試將該技術(shù)應(yīng)用于更復(fù)雜的場(chǎng)景�！�
即使是同一菌種，不同的細(xì)菌菌株也可能釋放不同組合或濃度的揮發(fā)性有機(jī)化合物。作者指出，正因?yàn)槿绱�，這些傳感器可用于識(shí)別由抗微生物藥物耐藥細(xì)菌引起的感染。這一概念已在實(shí)驗(yàn)室中得到驗(yàn)證 —— 此前的一項(xiàng)研究表明，揮發(fā)性有機(jī)化合物特征可區(qū)分耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）和非耐藥菌株。然而，開(kāi)發(fā)適用于臨床實(shí)踐的傳感器仍需更多研究。
由于細(xì)菌釋放的揮發(fā)性有機(jī)化合物濃度極低，開(kāi)發(fā)合適的傳感器頗具挑戰(zhàn)性。
“想象一下，你有一個(gè)裝滿十億個(gè)小球的房間，除了一個(gè)紅球外，其余都是藍(lán)球，” 貢特納說(shuō)，“要區(qū)分不同類(lèi)型的細(xì)菌，你必須能夠在幾秒鐘內(nèi)識(shí)別并區(qū)分這種情況與存在 3 或 4 個(gè)紅球的情況�！�
由于細(xì)菌會(huì)釋放數(shù)千種不同的揮發(fā)性有機(jī)化合物，這些設(shè)備需要結(jié)合具有不同結(jié)合能力的傳感器。這些傳感器可使用金屬氧化物、聚合物、石墨烯衍生物和碳納米管等材料制造，并將利用納米和分子尺度工程的最新進(jìn)展進(jìn)行設(shè)計(jì)。為簡(jiǎn)化檢測(cè)，設(shè)備還需配備過(guò)濾器，以去除無(wú)診斷意義的化合物（例如人類(lèi)細(xì)胞產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物、所有細(xì)菌都產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物等）。
研究人員表示，機(jī)器學(xué)習(xí)算法將在指導(dǎo)傳感器設(shè)計(jì)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。
“機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)于識(shí)別能區(qū)分不同類(lèi)型細(xì)菌并提供抗微生物藥物耐藥性和毒力信息的最小揮發(fā)性有機(jī)化合物組合至關(guān)重要，” 貢特納說(shuō)。
一旦開(kāi)發(fā)成功，這些傳感器將提供一種快速、便攜的細(xì)菌感染診斷方法，且無(wú)需大量培訓(xùn)即可使用。
“總體目標(biāo)是將揮發(fā)性有機(jī)化合物分析的科學(xué)進(jìn)展轉(zhuǎn)化為可在日常醫(yī)療實(shí)踐中使用的實(shí)用、可靠工具，” 貢特納說(shuō)，“最終，我們希望這能改善患者預(yù)后并支持抗生素的合理使用。”
更多信息：《通過(guò)氣體傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行微生物及抗微生物藥物耐藥性診斷》，《細(xì)胞生物材料》（2025）。DOI：10.1016/j.celbio.2025.100125。www.cell.com/cell-biomaterials … 3050-5623(25)00116-3
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