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一種新的檢測(cè)方法可以在一分鐘內(nèi)識(shí)別細(xì)菌的存在，同時(shí)區(qū)分健康細(xì)菌和非活細(xì)菌，可以挽救許多生命和大量資金。華威大學(xué)的科學(xué)家報(bào)告了這項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)基于細(xì)菌中電信號(hào)響應(yīng)外部電刺激的變化。

細(xì)菌檢測(cè)對(duì)現(xiàn)代醫(yī)療實(shí)踐至關(guān)重要。細(xì)菌培養(yǎng)方法需要數(shù)天才能獲得結(jié)果。在敗血癥中，每小時(shí)治療延遲，死亡率上升8%。同樣，尿液試紙研究中錯(cuò)過(guò)了高達(dá)30%的尿路感染，尤其是低水平感染。延遲診斷可使感染成為甚至危險(xiǎn)，導(dǎo)致死亡或殘疾。延遲檢測(cè)商業(yè)標(biāo)本的細(xì)菌污染也會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)影響。

在這種背景下，細(xì)菌中的生物電信號(hào)可以產(chǎn)生非常有用的結(jié)果。目前的研究結(jié)合了生物學(xué)，數(shù)學(xué)建模和工程原理，以快速檢測(cè)活細(xì)菌，利用靜息膜電位(跨細(xì)胞膜的基線電壓)的變化。
 

能夠同時(shí)進(jìn)行單細(xì)胞顯微術(shù)和用外源電信號(hào)刺激的裝置揭示了對(duì)電刺激的超極化反應(yīng)。(A)涂有金 - 鈦電極的定制玻璃底盤。右側(cè)的縮放圖像顯示電極之間的間隙為50微米。將培養(yǎng)皿連接到繼電器電路以對(duì)細(xì)菌細(xì)胞施加電刺激(詳見(jiàn)SI附錄，圖S1-S3)。(B)在相位對(duì)比和ThT熒光圖像中可見(jiàn)50μm電極間隙內(nèi)的枯草芽孢桿菌細(xì)胞。(C)在電刺激之前，期間和之后的枯草芽孢桿菌的ThT熒光的薄膜條帶圖像。ThT熒光的增加表明對(duì)電刺激的超極化反應(yīng)。

主要作者James Stratford解釋說(shuō)，“我們創(chuàng)建的系統(tǒng)可以產(chǎn)生類似于醫(yī)療和工業(yè)測(cè)試中使用的平板計(jì)數(shù)的結(jié)果，但速度提高了約20倍。這可以挽救許多人的生命，并通過(guò)檢測(cè)制造過(guò)程中的污染來(lái)使經(jīng)濟(jì)受益。“

動(dòng)物的生物電，包括研究暴露于外部電場(chǎng)的細(xì)胞的電特性，一直是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。細(xì)菌生物電的研究相對(duì)較新，但我們現(xiàn)在知道增殖細(xì)菌需要穩(wěn)定的靜息膜電位，并且?guī)缀踔挥幸话氲哪芰縼?lái)維持它。靜息膜電位是細(xì)胞中電信號(hào)傳導(dǎo)的關(guān)鍵。

以前，時(shí)間推移顯微鏡和熒光團(tuán)介導(dǎo)的單細(xì)胞膜電位研究都已被用于檢測(cè)增殖能力。然而，膜電位的變化在許多情況下發(fā)生，導(dǎo)致非特異性結(jié)果，除非首行復(fù)雜和細(xì)致的校準(zhǔn)。目前的研究專門研究外部場(chǎng)誘導(dǎo)的膜電位變化是否依賴于細(xì)菌增殖潛力。雷丁大學(xué)的科學(xué)家Yoshikatsu Hayashi評(píng)論說(shuō)：“利用神經(jīng)科學(xué)中廣泛使用的數(shù)學(xué)模型，我們揭示了可興奮細(xì)胞，神經(jīng)元和細(xì)菌細(xì)胞的共同機(jī)制，擴(kuò)展的神經(jīng)元模型可以解釋健康和不健康細(xì)菌細(xì)胞的兩種不同的電反應(yīng)。令人驚訝的是，代表膜上非平衡程度的單一參數(shù)足以解釋細(xì)胞的不同反應(yīng)。這是了解電信號(hào)起源的重要一步。

科學(xué)家們使用一種專門開(kāi)發(fā)的裝置來(lái)觀察細(xì)胞增殖和膜電位，并對(duì)兩種細(xì)菌物種 -枯草芽孢桿菌(枯草芽孢桿菌)和大腸桿菌(大腸桿菌)的單細(xì)胞中的電刺激作出反應(yīng)。

增殖細(xì)菌(通過(guò)相差時(shí)延顯微鏡觀察)首先將熒光染料分子作為膜電壓指示劑。施加2.5秒的電脈沖。結(jié)果是強(qiáng)烈的熒光指示超極化(細(xì)胞內(nèi)部變得比外部更帶負(fù)電荷)。

這些細(xì)胞中的一些用400nm的紫外(UV)光照射，這是常見(jiàn)的細(xì)菌生長(zhǎng)抑制劑，并且通過(guò)相差時(shí)延顯微鏡證實(shí)了生長(zhǎng)抑制。存在于相同視野的不同區(qū)域中的正常細(xì)胞充當(dāng)對(duì)照。在相同的刺激下，被照射的細(xì)胞被去極化(內(nèi)部變得更加陽(yáng)性)而其他被超極化。因此，這與健康的細(xì)菌區(qū)分開(kāi)來(lái)。這種轉(zhuǎn)變被認(rèn)為是由于受損細(xì)胞中靜息膜電位的變化，并且通過(guò)當(dāng)前研究中使用的擴(kuò)展神經(jīng)元模型預(yù)測(cè)。

然后用萬(wàn)古霉素處理這兩種細(xì)菌的​​混合培養(yǎng)物，萬(wàn)古霉素是一種抑制枯草芽孢桿菌但不抑制大腸桿菌增殖的抗生素。隨后的刺激分別在枯草芽孢桿菌和大腸桿菌中產(chǎn)生去極化和超極化。在用乙醇或質(zhì)子載體處理后觀察到相同的結(jié)果，這也導(dǎo)致細(xì)胞損傷。因此，該方法可以與選擇性培養(yǎng)組合以檢測(cè)抗生素抗性。

研究人員已經(jīng)建立了自己的創(chuàng)業(yè)公司Cytecom，并期望商業(yè)設(shè)備很快就可以用于工業(yè)和臨床用途，快速檢測(cè)活細(xì)菌并尋找抗生素對(duì)細(xì)菌培養(yǎng)的影響。Cytecom獲得了Innovate UK的資助，該獎(jiǎng)項(xiàng)旨在促進(jìn)創(chuàng)新。

研究作者M(jìn)unehiro Asally說(shuō)：“這是一個(gè)激動(dòng)細(xì)菌細(xì)胞生物電的激動(dòng)人心的時(shí)刻。這項(xiàng)工作表明，細(xì)菌電可以導(dǎo)致社會(huì)重要的技術(shù)，同時(shí)獲得對(duì)我們對(duì)細(xì)胞的基本理解的基本見(jiàn)解。我們開(kāi)發(fā)的工具可以通過(guò)允許以前無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)來(lái)提供更多機(jī)會(huì)。“

原創(chuàng)作者：上海遠(yuǎn)慕生物科技有限公司