研究背景：
细菌感染是全球主要的疾病和死亡原因之一，每年都会有数百万人丧生于此，在发展中国家和欠发达国家，这一问题尤为严重。更令人担忧的是，细菌对抗生素的耐药性正日益加剧。世界卫生组织已将抗生素耐药性列为全球十大健康威胁之一。如果不采取行动，预计到2050年，耐药性细菌每年将导致1000万人死亡，并给全球经济造成高达100万亿美元的损失。
在此背景下，细菌筛查和抗生素敏感性测试（AST）对于感染控制、指导医疗决策、减少并发症、推进研究和维护公共卫生至关重要，尤其是在资源有限的社区和医院。然而，目前的传统检测方法不仅耗时耗力，而且并不适用于资源受限地区对于快速检测的迫切需求。
微流控芯片作为一种集成生物系统，能够以极小的样本量进行有效检测，并可通过浓度梯度生成器简化和微型化各种实验室步骤，成为微生物学研究的宝贵工具。但现有平台依赖复杂的处理方法和专业人员操作，导致成本高昂和技术门槛较高，限制了微流控技术的实际应用。因此，迫切需要开发成本低廉、简单易用的微流控平台，以促进微生物学研究和诊断的发展。
导读：
近日，华中科技大学刘笔锋教授、陈鹏副教授团队开发了一种新型微流控装置——大气压增强自封闭旋转滑动芯片（RSC），该装置配备了可编程浓度梯度生成器，为各种环境下的微生物研究和测试提供了一个方便易用的平台。相关研究以“Atmospheric Pressure Enhanced Self‐Sealing Rotation‐SlipChip with Programmable Concentration Gradient Generation for Microbiological Applications”为题目，发表在期刊《Small Methods》上。
本文要点：
1、受马德堡半球的启发，本研究利用无处不在的大气压力实现旋转-滑动芯片（RSC）的自密封，该芯片配备了三维圆形圣诞树状微流控浓度梯度发生器，可用于各种环境下的微生物研究和测试。
2、RSC可避免多重浓度梯度生成、芯片旋转和最终长期孵育反应（≥24h）期间的泄漏问题。
3、适应不同反应的RSC子类型可在15分钟内制作完成，成本不到1美元，其结果可通过指定的观察窗口以肉眼读取。
4、RSC还具有评估细菌生物标志物活性的能力，可在30分钟内快速评估β-半乳糖苷酶浓度和酶活性，检测限可降低10倍。
5、它还能在4小时内快速确定最低抗生素抑制浓度和抗生素联合用药结果。总之，这种成本低廉、使用方便的RSC为在各种环境下的微生物测定提供了宝贵的工具。
全文总结/概括：
与常规芯片相比，本研究开发的大气压增强自封闭旋转滑动芯片（RSC）具有以下优势：
1、自封闭机制：受马德堡半球实验的启发，RSC利用普遍存在的大气压力实现了自封闭，避免了常规滑动芯片易发生泄漏的问题。
2、复杂结构设计：得益于大气压力的应用，RSC能够设计并集成复杂的微流控结构，例如3D圆形浓度梯度生成器，且无需对芯片表面进行额外修饰。
3、反应时间长：RSC能够在大气压下维持长达24小时以上的反应，满足如细菌培养等需要长时间孵育的实验需求。
4、低成本易操作：RSC可在15分钟内快速制造，成本不到1美元，操作简单，无需专业人员，适合在资源有限的环境中使用。
5、结果直观观察：通过指定的观察窗口可由肉眼直接观察实验结果，无需仪器分析，降低了使用门槛。
6、多功能性：RSC可根据不同应用进行定制，展示了在细菌筛选、抗生素敏感性测试、酶活性分析等微生物学领域的广泛应用前景。
总之，RSC的自封闭、低成本、易操作等特点，使其成为一种在资源受限环境中开展微生物学研究和诊断的有价值工具。
RSC技术在微生物学研究和测试中的潜在应用包括：
1、细菌筛查：利用RSC微流控平台，可以进行快速的细菌种类鉴定和计数，有助于感染控制和疾病监测。
2、抗生素敏感性测试（AST）：RSC能够生成抗生素浓度梯度，用于测试不同细菌对多种抗生素的敏感性，指导临床合理用药。
3、微生物药物开发：通过在RSC上进行药物筛选，可以加速新型抗生素和其他抗微生物药物的开发过程。
4、细菌耐药性研究：RSC可用于研究细菌耐药性的产生机制，监测耐药性发展情况，为制定防控策略提供依据。
5、快速病原体检测：在传染病爆发或公共卫生事件中，RSC可以快速检测病原体，为疫情控制提供科学依据。
6、生物医学教育和培训：RSC作为一种直观、易于操作的实验工具，适用于教育和培训领域，帮助学生和专业人员学习和掌握微生物学实验技术。
图1.受马德堡半球的启发，利用大气压力封装芯片，并通过简单的操作实现进样和出样。
图2.A）RSC由顶部芯片和底部芯片组成，每层芯片由三层0.3毫米PMMA和0.1毫米PSA组成。B）（i）顶部芯片和底部芯片的组合通过排出两层之间的空气并利用大气压力来密封RSC。（iii-iii）芯片的重力为0.25N，10N的拉力无法将芯片分开，40倍的重力也不足以将顶部芯片和底部芯片分开。C）RSC中间反应区可根据具体反应进行编辑，在这项工作中，展示了三个独立的RSC，如RSC-I、RSC-II和RSC-III。
图3.A）生成红色和蓝色颜料浓度梯度的圆形圣诞树浓度梯度发生器，（i）不带微混合器，（ii）带微混合器。B）（i）微混合器，（ii）微混合器部分，（iii）由多个微混合器组成的混合器单元。C）有无微搅拌器的数值模拟结果：（i）无微搅拌器，（ii）有微搅拌器。D）RSC能够生成具有线性浓度梯度的溶液（R2=0.9971）。E）4个相对位置节段的浓度。（i）无微混合器，（ii）有微混合器。
图4.A）旋转RSC-I，使标准BSA浓度梯度溶液与BCA试剂混合。B）在96孔板上测定β-半乳糖苷酶蛋白浓度，并进行线性相关分析（R2=0.9942）（n=3）。样品线表示待测样品的吸光度值。C）在RSC中测定β-半乳糖苷酶蛋白浓度，并进行线性相关分析（R2=0.9952）（n=3）。样本线表示待测样品的灰度。D）芯片内与芯片外实验结果的比较，以及两组实验结果的显著性分析（P>0.05）（n=10）。E）RSC-I的检测限可降低10倍。F）芯片内和芯片外低浓度实验结果的线性分析（左侧刻度对应片上，右侧刻度对应片外）。使用RSC可以生成标准蛋白质曲线（R2=0.9938），用于低浓度下的蛋白质定量。
图5.A）用β-半乳糖苷酶水解FDG，释放出荧光素。B）旋转RSC-II，使具有FDG浓度梯度的溶液与β-半乳糖苷酶混合。C）反应结束时各反应室的荧光强度。D）50nM β-半乳糖苷酶条件下荧光强度与FDG浓度的关系（n=3）。
图6.A）旋转RSC-III可使AMP浓度梯度溶液和KAN浓度梯度溶液同时与细菌接触。B）通过分析四环素（TET）药敏试验中0小时和6小时的灰度值，断点为4μg/mL（n=3）。C）通过分析卡那霉素（KAN）药敏试验中0小时和6小时的灰度值，断点为16μg/mL（n=3）。D）TET和KAN药敏试验中灰度值与反应室时间之间的关系。E）通过分析氨苄西林（AMP）药敏试验中0小时和6小时的灰度值，发现大肠杆菌对AMP具有抗药性（n=3）。F）KAN和AMP联合使用可有效降低两种抗生素的最小抑菌浓度（n=3）。G）抗生素组合结果可直接通过肉眼观察获得。
原文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202400454
