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- 研究人員稱，受酒精檢測儀啟發(fā)的化學傳感器可 “嗅出” 抗生素耐藥性
- 來源：Cell Press 發(fā)表于 2025/7/7
圖片來源：CC0 公共領域
一組工程師、微生物學家和機器學習專家在《細胞生物材料》雜志發(fā)表的一篇觀點論文中指出，類似酒精檢測儀的微型傳感器能夠 “嗅出” 細菌感染，并在體液中檢測出具有抗微生物藥性的細菌。開發(fā)這種技術有望提供經(jīng)濟實惠且快速的診斷測試，從而優(yōu)化治療方案并助力對抗抗生素耐藥性。
“抗微生物藥物耐藥性的最大驅動因素之一，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)邦理工學院的機械與工藝工程師，與凱瑟琳・朱策勒、托馬斯・凱斯勒、艾瑪・斯萊克和阿德里安・埃格利共同領導了這個項目。
“我們的設想是繞過實驗室分析 —— 那是一個通常需要數(shù)小時到數(shù)天，有時甚至數(shù)周的多步驟過程 —— 用一種能在幾秒到幾分鐘內(nèi)給出結果的簡單測試取而代之。”
從歷史上看，醫(yī)生曾通過嗅覺診斷細菌感染。例如，銅綠假單胞菌感染會散發(fā)出類似葡萄的甜香，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特氣味的微小分子。
研究人員提議開發(fā)化學傳感器，以替代人類的嗅覺，用于檢測血液、尿液、糞便和痰液等體液中與細菌相關的揮發(fā)性有機化合物。類似技術已被用于酒精檢測儀和空氣質量監(jiān)測設備中特定分子的檢測。
“我們已經(jīng)開發(fā)并商業(yè)化了類似技術，用于檢測酒精飲料中的甲醇等污染物，” 貢特納說，“現(xiàn)在，我們正嘗試將該技術應用于更復雜的場景�！�
即使是同一菌種，不同的細菌菌株也可能釋放不同組合或濃度的揮發(fā)性有機化合物。作者指出，正因為如此，這些傳感器可用于識別由抗微生物藥物耐藥細菌引起的感染。這一概念已在實驗室中得到驗證 —— 此前的一項研究表明，揮發(fā)性有機化合物特征可區(qū)分耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）和非耐藥菌株。然而，開發(fā)適用于臨床實踐的傳感器仍需更多研究。
由于細菌釋放的揮發(fā)性有機化合物濃度極低，開發(fā)合適的傳感器頗具挑戰(zhàn)性。
“想象一下，你有一個裝滿十億個小球的房間，除了一個紅球外，其余都是藍球，” 貢特納說，“要區(qū)分不同類型的細菌，你必須能夠在幾秒鐘內(nèi)識別并區(qū)分這種情況與存在 3 或 4 個紅球的情況�！�
由于細菌會釋放數(shù)千種不同的揮發(fā)性有機化合物，這些設備需要結合具有不同結合能力的傳感器。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展進行設計。為簡化檢測，設備還需配備過濾器，以去除無診斷意義的化合物（例如人類細胞產(chǎn)生的揮發(fā)性有機化合物、所有細菌都產(chǎn)生的揮發(fā)性有機化合物等）。
研究人員表示，機器學習算法將在指導傳感器設計方面發(fā)揮關鍵作用。
“機器學習對于識別能區(qū)分不同類型細菌并提供抗微生物藥物耐藥性和毒力信息的最小揮發(fā)性有機化合物組合至關重要，” 貢特納說。
一旦開發(fā)成功，這些傳感器將提供一種快速、便攜的細菌感染診斷方法，且無需大量培訓即可使用。
“總體目標是將揮發(fā)性有機化合物分析的科學進展轉化為可在日常醫(yī)療實踐中使用的實用、可靠工具，” 貢特納說，“最終，我們希望這能改善患者預后并支持抗生素的合理使用。”
更多信息：《通過氣體傳感器和機器學習進行微生物及抗微生物藥物耐藥性診斷》，《細胞生物材料》（2025）。DOI：10.1016/j.celbio.2025.100125。www.cell.com/cell-biomaterials … 3050-5623(25)00116-3
由細胞出版社提供
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