微流控声学拉曼光谱平台可实时监测环境对结核病的影响

用光和声波来分析细菌

    研究微生物及其变化的组成极具挑战，通常需要重复的采样技术，而这些技术本身会影响目标生物。
捕获和检查细菌但不改变它们将是更好的解决方案。据麦姆斯咨询报道，由圣安德鲁斯大学（University of St Andrews）领导的一个项目目前已经开发出这种技术，使用微流控平台和波长调制拉曼光谱（wavelength modulated Raman spectroscopy, WMRS）来检测结核菌模型。
    结核病在全球部分地区构成了重大的公共卫生挑战，越来越多的证据表明结核细胞中脂质体的存在会直接影响对抗生素治疗的反应。含有脂质包裹体的细菌数量越多，对抗生素的耐药性就越强。
    圣安德鲁斯大学研发的新平台整合了光学拉曼光谱和对耻垢分枝杆菌（M. smegmatis bacteria，一种结核病的典型生物）的声波捕获，并评估其对抗生素治疗的反应。现在可以将其应用于其他微生物的研究，以动态监视它们对不同条件和刺激的反应。研究结果被发表在《自然》（Nature）期刊的子刊《通讯生物学》（Communications Biology）上。
    这项新技术的原理是利用声波捕获技术将活细菌悬浮并固定在一个小的微流控腔室内，然后应用波长调制拉曼光谱记录细菌的拉曼信号，从而揭示细菌的分子组成。

声波捕获腔室的设计

圣安德鲁斯大学光学操纵小组的Mingzhou Chen评论道，“这是首个利用激光和声音来解决传染病问题并借此展开的研究。我们希望研究人员能够用这种创新的方法来研究活细菌和其他生物。”
测试新药物
    在试验中，工作波长785纳米的共聚焦拉曼系统被用于靶向声波捕获在该项目中定制的120微米微通道中的细菌。在样品平面上施加100毫瓦的激光，以获取足够强的信号而不会干扰声波捕获。
    在含有或不含有异烟肼（isoniazid，简称INH，一种通常用于治疗结核病的抗生素）的情况下，研究人员监测了与特定脂质和蛋白质的存在相关的几个不同的拉曼光谱峰。
    该研究小组在其发表的论文中评价道，“该方法的一大关键优势是通过声悬浮将细菌样品保持在远离装置表面的位置，可以显著降低背景信号。这为细菌的实时检测搭建了一个新的平台，并允许研究营养素和抗生素动态变化的生化效应。”
耻垢分枝杆菌样品的结果表明了这类微生物的拉曼光谱具有复杂特性，诸如细菌的聚集等因素也会对光谱信号产生影响。但是该项目能观察到异烟肼影响下拉曼峰值的显著变化模式，包括那些与脂质相关的变化。
    该项目还需进一步的研究以充分了解声波捕获对菌群的影响，但是该团队相信他们所创建的平台在帮助理解细菌形为方面已经展现出巨大的潜力，可以作为确定治疗结核病的最佳方法的途径。
    据项目研究人员报道，该平台除了能够监测对抗生素的反应，也能用于检测对环境变化的影响，如pH值、温度、氧气浓度和营养缺乏。
    圣安德鲁斯大学医学系的Stephen Gillespie总结道，“这款新工具将帮助我们理解为何结核病的治疗需要花费这么长的时间，并且有望成为新药测试的平台。”
论文链接：

https://doi.org/10.1038/s42003-020-0915-3