不管是被稱為歷史重大傳染疾病的鼠疫、肺結(jié)核、霍亂，還是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷钠つw疾病，都對公共衛(wèi)生和經(jīng)濟(jì)構(gòu)成挑戰(zhàn)。快速鑒別病原體和鑒定抗生素敏感性是應(yīng)對這一危機的2項關(guān)鍵任務(wù)。當(dāng)下雖有各樣的監(jiān)測方法和系統(tǒng)，但是在效率、經(jīng)濟(jì)、操作上卻不能同時具備。
波士頓大學(xué)的程繼新教授與普渡大學(xué)的梅建國教授團(tuán)隊合作報道了一種水溶性電制變色的聚（3,4-丙二氧基噻吩-alt-3,4-亞乙基二氧基噻吩）共聚物（PPE）作為新型代謝活性細(xì)菌傳感器，當(dāng)與活菌混合后，可在30分鐘內(nèi)表現(xiàn)出明顯的比色和光譜變化，對革蘭氏陰性菌和陽性菌具有鑒別能力，區(qū)分耐藥菌和敏感菌，以及對不同抗生素的敏感性評價都有出色的效果；并且，用于生物應(yīng)用的聚合物電制變色的研究仍處于起步階段，該報道可謂是做出了巨大的進(jìn)展。相關(guān)成果以“Polymer Electrochromism Driven by Metabolic Activity Facilitates Rapid and Facile Bacterial Detection and Susceptibility Evaluation”為題于2020年9月13日發(fā)表于《Advanced Functional Materials》雜志。
[目前病原菌鑒定和藥敏試驗技術(shù)的不足]
傳統(tǒng)技術(shù)費時費力，導(dǎo)致患者治療延誤，嚴(yán)重感染的風(fēng)險高。雖然聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）和質(zhì)譜（MS）法可以實現(xiàn)特異性的分析，并將檢測時間縮短到幾個小時，但它們需要大量的數(shù)據(jù)庫，并且缺乏直接檢測活菌功能的能力；近年來，分子傳感器已被用于微生物傳感，許多微生物傳感器基于抗體抗原識別或其他特定的配體-受體相互作用，其使用僅限于某些特定的環(huán)境，不能用于未知病原體；此外，通過陽離子聚合物監(jiān)測熒光變化來鑒別細(xì)菌，但是無法區(qū)分活菌和死菌，并且一些物質(zhì)對細(xì)胞有很高的毒性；最近，通過點擊反應(yīng)感知細(xì)菌代謝已被證實，但是這種共價結(jié)合可能會擾亂細(xì)菌結(jié)構(gòu)和功能，以至于不能準(zhǔn)確進(jìn)行判斷。
[PPE/ox-PPE的電致變色性能]
電致變色通常被定義為電活性材料在化學(xué)或電化學(xué)摻雜過程中發(fā)生可逆的顏色變化，可以通過添加化學(xué)摻雜劑（還原劑/氧化劑）或施加適當(dāng)?shù)碾妷簛韺崿F(xiàn)。PPE的顏色可以通過電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)（圖1a）；如圖1b所示，在電化學(xué)氧化后，PPE膜從可見區(qū)域的藍(lán)色狀態(tài)轉(zhuǎn)換到近紅外區(qū)域的漂白狀態(tài)；并且該共聚物氧化電位很低，水溶液中的PPE可直接被環(huán)境氧化并大部分轉(zhuǎn)化為雙極性（圖1c），天然氧化的PPE（ox-PPE）在水溶液中具有高穩(wěn)定性，因此可避免使用任何有毒氧化劑以降低對哺乳動物細(xì)胞的細(xì)胞毒性。
圖1 PPE / ox-PPE的電致變色性能
[細(xì)菌驅(qū)動的電致變色機理研究]
為了弄清ox-PPE的變化是否由細(xì)菌的代謝活動介導(dǎo)，以葡萄糖為例，文章進(jìn)行了葡萄糖依賴性和溫度依賴性的測量。圖2a顯示，ox-PPE的還原水平與葡萄糖濃度有很強的相關(guān)性，表明反應(yīng)是由葡萄糖依賴的代謝過程驅(qū)動的；此外，當(dāng)代謝活性在低溫（4℃）下受到抑制時，ox-PPE的還原也隨之減少（圖2b）。因此，ox-PPE的減少是由代謝活性細(xì)菌介導(dǎo)，由此證明ox-PPE能夠區(qū)分活菌和死菌，并可用于檢測生長緩慢的細(xì)菌。通過后續(xù)研究，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)時間和反應(yīng)水平之間呈正相關(guān)（圖2c）；當(dāng)添加無細(xì)胞上清液會激發(fā)ox-PPE的還原活性，如圖2d顯示，半胱氨酸和GSH誘導(dǎo)ox-PPE明顯還原，而其他還原分子與ox-PPE的相互作用較小，因此，ox-PPE的減少可能是由半胱氨酸和GSH等細(xì)胞外代謝控制。
圖2 ox-PPE對大腸桿菌的比色反應(yīng)
[聚合物PPE性能測試]
ox-PPE對細(xì)菌的比色反應(yīng)
研究人員將PPE與大腸桿菌共同培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)在短時間內(nèi)（30分鐘）發(fā)生了明顯的顯色變化（圖3a），并且具有時間依賴性和濃度依賴性（圖3c-f），表明ox-PPE可被用作微生物探針。
圖3 ox-PPE對大腸桿菌的比色反應(yīng)
革蘭氏陰性菌與陽性菌的檢測與鑒別
研究人員用3株革蘭氏陽性菌與5株革蘭氏陰性菌驗證還原反應(yīng)的普遍性，30分鐘后發(fā)現(xiàn)ox-PPE光譜發(fā)生變化，并且革蘭氏陰性菌與陽性菌在700~900nm窗口的光譜存在一定的差異；圖4b所示的PCA結(jié)果表明，ox-PPE可在30分鐘內(nèi)鑒別出革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌。
圖4 ox-PPE對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性菌株的區(qū)分
抗生素敏感性快速檢測
抗生素的攻擊會導(dǎo)致細(xì)菌轉(zhuǎn)錄譜發(fā)生迅速而巨大的變化，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成和代謝活性的下降。這種與即時細(xì)胞反應(yīng)相關(guān)的代謝休克可以用來探測細(xì)菌對抗生素的敏感性。研究人員對環(huán)丙沙星（CIP）、氧氟沙星（OFL）、多粘菌素B（PMB）、四環(huán)素（TET）、紅霉素（ERY）、苯唑西林（OXA）等不同抗生素的療效進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)ox-PPE可以快速、高通量地評估抗生素對不同抗生素的敏感性。
圖5?大腸桿菌對不同抗生素的抗藥性
[小結(jié)]
本文介紹了一種快速、簡便、高通量的水溶性電制變色ox-PPE，以用于細(xì)菌檢測、鑒別和敏感性檢測。使得細(xì)菌檢測、革蘭氏陰性菌和陽性菌的鑒別以及抗菌藥物敏感性試驗成為可能；同時，該成果也為用于生物應(yīng)用的聚合物電致變色研究邁出巨大一步、為傳染病的個性化診斷和處方提供了巨大的前景。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202005192
