世衛組織專家估計，到2050年，抗生素耐藥導致的死亡人數可能會大幅增加。導致耐藥菌出現和蔓延的一個主要原因是在治療感染類疾病時存在濫用和過度使用抗生素的情況。目前，病原菌感染在臨床的檢驗流程如圖1所示，需要3至7天才能從病人標本中分析出病原菌鑒定和抗生素藥敏的結果。快速檢測感染細菌的藥敏特性對確保有效抗生素的使用和減少對廣譜藥物的需求發揮關鍵作用。那么，應如何準確且快速的判斷感染細菌的藥敏特性呢？

近期，中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所宋一之、復旦大學附屬華山醫院王明貴和英國牛津大學Wei Huang聯合團隊合作，利用單細胞拉曼光譜-重水標記聯用技術，開發出一種適用于血液和尿液標本的快速藥敏檢測方法（FRAST），該方法將尿液和血液標本的藥敏檢測時間由3至4天分別縮短為3小時和21小時。

圖1 傳統尿液和血液樣本的藥敏檢測時間與FRAST的比較

FRAST方法基于拉曼光譜——重水標記聯用技術，其主要原理為：細菌可通過重水（氘代水）培養可實現氘元素的標記，使拉曼光譜中的碳-氘峰成為單細胞水平細菌代謝活動的標記物。在抗生素作用下，易感菌代謝活性會受到抑制，耐藥菌則不受影響并產生明顯的碳-氘峰，因此，可克服臨床微生物試驗對長時間培養的要求，使快速藥敏成為可能。

FRAST方法的具體流程如圖2所示。對于尿液感染標本，研究人員首先進行離心收集細菌，然后在共聚焦顯微拉曼系統下對細菌觀察并采集拉曼指紋圖譜，這一過程可判斷尿液中是否有菌及菌量，同時將采集到的圖譜利用機器學習模型與革蘭氏陰性菌和陽性菌的數據庫進行比對，準確預測樣品中細菌的革蘭氏陰陽性并以此選擇合適的藥敏板。將尿液加入到藥敏板并作用1 h后加入重水，待重水標記1 h后離心洗滌樣品并采集拉曼信號，通過對抗生素作用下的C-D峰的強度的統計計算讀取最小抑菌濃度（MIC）。對于血液標本，則是在血培養瓶內進行培養，血培養瓶報陽后用同樣的方法采集拉曼光譜并計算MIC值。

圖2 FRAST用于臨床尿液樣本和血液樣本的藥敏試驗流程圖

該研究中，研究人員對包含質控菌株和臨床原始標本在內的超過3000個樣本采集了6萬余張單細胞拉曼光譜，并與臨床金標準（微量肉湯稀釋法或臨床自動藥敏系統）進行對比。結果顯示，FRAST方法對革蘭氏染色結果的預測準確率為100%（圖3），藥敏結果與金標準總體一致率大于88%。與其他基于Raman-DIP的病原菌藥敏研究相比，該研究在國際上首次證明單細胞拉曼與重水標記結合可用于分析真實的尿液或血液標本中病原菌的耐藥性，而且基于拉曼的革蘭氏染色預測方法的整合使FRAST成為相對獨立完整的測試方法，臨床醫生無須其他手段輔助，即可完成“從樣本到報告”的快速診斷。與近年來發展較快的耐藥分子診斷技術相比，FRAST藥敏是基于抗生素對細菌作用的表型，因此，該結果不會因未知的耐藥機制或基因表達調控影響而產生對藥敏的誤判。

圖3 FRAST方法可以準確預測病原菌的革蘭氏染色分類結果

相關研究成果以Development of a Fast Raman-Assisted Antibiotic Susceptibility Test (FRAST) for the Antibiotic Resistance Analysis of Clinical Urine and Blood Samples為題，發表在Analytical Chemistry上。研究工作得到科學技術部重點研發計劃、中科院科研儀器設備研制等的資助。

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