2023
07/07
相关创新主体

创新背景

细菌耐药性是指细菌对抗生素的抵抗能力,使得抗生素在治疗感染时失去了效果,细菌可以通过多种机制获得耐药性,包括基因突变、基因水平的水平转移和表达的改变。细菌耐药性对公共卫生和医疗领域带来了严重的挑战,耐药细菌感染的治疗变得更加困难,需要使用更昂贵、毒性更大的抗生素或采用多种抗生素联合治疗,这不仅增加了医疗成本,还增加了治疗的风险和复杂性。

当细菌对抗生素产生抵抗能力时,抗生素耐药性就会发生,这种现象已经成为全球范围内的健康威胁,据统计,2019年全球因抗生素耐药性导致至少有127万人死亡,并与近500万人的死亡有关。每年,美国出现近300万例抗微生物感染,治疗六种最常见感染的费用超过46亿美元,欧盟每年发生近70万例抗生素耐药性感染,给其造成约15亿欧元的经济负担。

抗生素敏感性测试(AST)是评估细菌对抗生素的敏感性的常用方法,传统的AST方法通常需要长达24小时甚至更长时间,而慢生长细菌可能需要更长的时间,然而,在临床环境中,这样的时间延迟可能意味着生命与死亡之间的差别,近年来已经开发出一些更快速的AST方法,但它们通常较为复杂,需要高端昂贵的设备。

 

创新过程

研究采用了一种名为光学纳米运动检测(Optical Nanomotion Detection,ONMD)的新颖、高效的方法来进行快速的抗生素敏感性测试。研究人员利用光学显微镜技术观察细菌的纳米级振动,并借助深度学习技术对图像进行处理和分析。这种方法具有极高的速度、单细胞敏感性、无需标记以及只需基本的传统光学显微镜(配备相机或手机)即可进行测试。

在研究过程中,研究人员首先在光学显微镜下观察和记录细菌的纳米级振动。这种纳米级振动被认为是活体特征的一种,能够反映细菌的生命状态。细菌的纳米级振动持续存在于细菌存活时期,而在细菌死亡后立即停止。研究人员通过观察细菌的振动图像,可以对细菌的生命状态和活力进行评估。

接下来,研究人员将细菌暴露于不同的抗生素药物,并在继续观察纳米级振动的同时记录细菌的反应。通过监测细菌在接触抗生素后的纳米级振动变化,研究人员可以判断细菌对抗生素的敏感性。研究人员开发了专门的软件来处理和分析振动图像,从而准确确定细菌的敏感性。

这项研究的关键创新点在于将光学显微镜和深度学习技术相结合,实现了对细菌敏感性的快速评估。传统的抗生素敏感性测试通常需要耗费较长的时间,而该方法仅需2-4小时就能得出结果。此外,该方法不需要给细菌附加任何标记物,避免了传统方法中的复杂步骤和附加药物的使用。

通过ONMD技术,研究人员成功地检测出多种细菌对不同抗生素的敏感性。例如,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、乳酸杆菌和结核分枝杆菌等细菌对氨苄青霉素、链霉素、强力霉素和万古霉素的敏感性进行了测试,并在不到两小时的时间内得出了结果。

通过ONMD方法,研究人员还可以观察细菌在接触抗生素后的代谢变化,这为了解细菌对药物的反应机制提供了有价值的信息。该方法能够监测到细菌细胞的纳米级振动变化,这直接反映了细菌的生物活性和代谢状态。

研究人员指出,ONMD方法的简单性和高效性使其成为抗生素敏感性测试领域的重要突破。该方法适用于各种不同的细菌,具有广泛的临床和研究应用前景。与传统的AST方法相比,ONMD方法不仅速度更快,而且更简便、成本更低廉。它可以提供快速准确的敏感性评估,为医生选择适当的抗生素治疗方案提供指导。

总之,这项研究通过光学显微镜和深度学习技术的创新应用,开发出了一种快速、简单、成本低廉的抗生素敏感性测试方法。该方法的应用有助于加快临床抗生素敏感性评估的速度,提高患者的治疗效果,并减少抗生素滥用的可能性。此外,该研究方法的发展也为未来的抗生素研发和治疗方案制定提供了重要的参考。

 

创新价值

这项研究将抗生素敏感性测试方法从传统的耗时方法转变为一种快速、简单且易于操作的方法,该方法的广泛应用将对临床医疗和研究领域产生重大影响。

首先,该方法的快速性使得医生能够更迅速地确定患者感染细菌的敏感性,从而更准确地选择适当的抗生素治疗方案,这有助于减少患者因等待敏感性测试结果而延误治疗的风险,提高治疗效果,并减少抗生素滥用的可能性。

其次,这项研究提出的方法具有成本低廉和易于操作的特点,可以广泛应用于各种临床和研究环境中,与传统的AST方法相比,该方法无需复杂和昂贵的设备,只需要基本的光学显微镜和普通的摄像机或手机即可进行测试,这意味着许多医疗机构和实验室都有能力采用这种方法进行敏感性测试,从而提高了抗生素敏感性测试的普及度和可及性。

此外,该研究还为开发新型抗生素和抗生素联合治疗方案提供了重要的参考,通过监测细菌在接触抗生素后的纳米级振动,研究人员可以了解细菌对不同抗生素的反应,从而更好地了解细菌的耐药机制,这有助于指导新型抗生素的设计和开发,以及抗生素联合治疗方案的制定,从而提高抗生素治疗的效果。

这项研究通过开发一种快速、廉价且易于操作的抗生素敏感性测试方法,为解决抗生素耐药性问题提供了新的思路,该方法的应用将促进临床医疗实践中抗生素的合理使用,减少抗生素滥用和耐药性的发展,此外,这项研究还为抗生素研发和治疗方案制定提供了重要的参考,有助于改善患者的治疗效果和健康状况。

细菌的光学纳米运动检测

 

创新关键点

研究人员利用光学显微镜技术开展了一种称为光学纳米运动检测(ONMD)的技术,该技术可以在短时间内进行敏感性测试,并且无需给细菌附加任何标记,这一技术的主要优势是使用基本的光学显微镜、摄像机或手机等设备即可实施,成本较低且易于操作。

ONMD技术通过监测细菌在接触抗生素前后的微观振动来评估其敏感性,这项技术可以记录细菌的纳米级振动,这些振动在生物体存活时持续存在,一旦生物体死亡,振动即停止,通过对振动图像进行分析,研究人员可以准确判断细菌对抗生素的敏感性。

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