导读：
针对病原细菌感染性疾病（如脓毒症），准确快速的抗生素敏感性测试（AST）至关重要。近期，中国药科大学李曹龙教授&王飞副教授团队开发了一种基于MnO2@ZIF-90纳米探针的高通量微流控平台，用于双重模式检测致病细菌的抗生素敏感性，为复杂生物样本中的AST分析提供了一种低成本、易于操作且快速响应的工具。相关研究以“Dual-modal detection of antimicrobial susceptibility in pathogenic bacteria based on the high-throughput microfluidic platform”为题目，发表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。
本文要点：
1、本研究设计了一种简单、快速、高通量的微流控平台，集成了细菌的分离、鉴定和检测功能，以进行抗生素敏感性分析。
2、该平台采用具有纳米酶和荧光双重功能的MnO2@ZIF-90纳米探针，通过智能手机APP进行可视化分析。
3、活性病原细菌的细胞膜氧化还原活性可分解MnO2，降低比色信号，同时释放的ATP触发ZIF-90层的分解，产生荧光信号。结合比色法和荧光法的双重检测实现了更准确的抗生素敏感性分析。
4、该平台可在5分钟内检测到10 CFU/mL的细菌，并通过临床样本验证了其临床适用性。
5、总之，该微流控设备为复杂体液样本中的抗生素敏感性检测提供了一种低成本、易操作、快速响应的高通量解决方案，具有重要的临床应用前景。
MnO2@ZIF-90纳米探针在检测抗菌药物敏感性方面具有双重功能，其具体工作原理如下：
1、结构与组成：MnO2@ZIF-90纳米探针由二氧化锰（MnO2）和锌基金属有机框架（ZIF-90）组成，其中MnO2被包裹在ZIF-90内部，具有酶样催化活性和荧光特性。
2、检测机制：
比色法检测：当存在活性病原菌时，细菌膜的氧化还原活性会将MnO2还原为Mn2+，从而削弱与MnO2反应的底物（如TMB）的比色信号。细菌浓度越高，颜色变化越明显，表明细菌的活性和抗药性
荧光检测：活性病原菌释放的腺苷三磷酸（ATP）与ZIF-90中的锌离子竞争结合，导致ZIF-90框架的解体，释放出具有荧光特性的中间体。荧光强度的变化与细菌浓度成正比。
所提出的微流控平台在抗菌药物敏感性检测（AST）方面相较于传统方法具有多个优势：
1、速度：该微流控平台能够在5分钟内提供AST结果，而传统培养基方法通常需要数小时到数天。
2、高通量：该平台适用于高通量分析，能够同时测试多个样本和抗生素组合，比传统方法更高效。
3、功能集成：将样本分离、识别和检测功能集成于一个设备中，简化了检测流程，减少了对多个步骤和设备的需求。
4、减少试剂消耗：微流控技术需要的样本体积和试剂量较少，使其在成本和环保方面更具优势。
5、双模检测：使用双功能的MnO2@ZIF-90纳米探针，能够同时进行比色法和荧光检测，相较于单一方法提供更准确和可靠的结果。
6、临床适用性：该平台已通过临床样本验证，展示了其在实际应用中的有效性，这通常是传统方法所面临的一个局限。
7、用户友好：该系统设计简单、便携，易于操作，有望用于现场检测，这在传统的实验室配置中往往难以实现。
图1.MnO2@ZIF-90纳米探针的合成过程及其表征。图中包括ZIF-90的扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像，显示了ZIF-90的均匀正十二面体形态及其尺寸。X射线衍射（XRD）图谱表明MnO2的成功合成，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）分析了纳米材料中各元素的结合状态。
图2.MnO2@ZIF-90探针的荧光和比色检测原理。图中显示了在与不同细菌反应后，TMB和OPD的UV-Vis光谱变化，表明探针的酶样催化活性和荧光特性。随着细菌浓度的增加，荧光信号增强，颜色变化明显，验证了探针的适用性。
图3.展示了微流控芯片中细菌捕获、识别和抗生素敏感性测试（AST）的过程。图中描述了样本的分离过程、细菌的识别过程以及在不同抗生素浓度下的AST测试过程，显示了颜色和荧光信号的变化。
图4.展示了通过双模微流控芯片对细菌进行定量分析的过程。图中提供了不同浓度下E. coli的比色和荧光检测的校准曲线，表明该芯片在细菌检测中的高灵敏度和快速响应能力。
图5.展示了不同病原菌在不同抗生素下的比色和荧光响应。
图6.展示了临床样本中病原菌的Gram染色显微镜图像及其在不同抗生素下的双模检测结果。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156506
