300个“水珠”锁定千万分之一的耐药细菌：新型微流控技术突破感染诊疗瓶颈

抗生素耐药性是现代医学面临的严峻挑战，而异质性耐药（Heteroresistance, HR）尤为棘手。HR指的是一种“藏兵”现象：在一个主要由敏感细菌组成的菌群中，混杂着极少量的、难以被常规方法检出的耐药亚群。当使用抗生素时，这些耐药亚群会被“筛选”出来，并导致治疗失败。大肠杆菌是导致全球脓毒症和菌血症的主要病原体，其HR问题与患者的高死亡率密切相关。

目前，临床标准的药敏试验方法，如纸片扩散法和肉汤微量稀释法，通常无法可靠地检测出这些低频率的耐药亚群。用于检测HR的“金标准”是群体分析图谱（PAP）测试，但其操作费时费力，通常需要2天以上才能获得结果，且需要大量培养基和抗生素，难以在临床常规开展。因此，迫切需要一种快速、灵敏、自动化的新方法来检测HR，以便及时调整治疗方案，改善患者预后。

这篇发表于《Science Advances》的研究，开发了一种基于液滴微流控的创新技术，能够以极高的灵敏度、在短时间内检测出临床大肠杆菌分离株中频率低至10⁻⁶（百万分之一）的耐药亚群。

该方法将100至3000个细菌与含有抗生素的培养基共同封装在皮升级的微液滴中，形成微小的独立反应器。液滴被储存在芯片上的孵育腔室中。核心检测原理基于渗透压变化：当液滴中的耐药亚群在抗生素环境下生长时，其代谢活动会消耗培养基中的小分子，导致液滴内部渗透压低于外部，从而使液滴因水分外流而“收缩”。通过显微镜自动追踪成百上千个液滴在24小时内的尺寸变化，即可判断哪些液滴中含有持续生长的耐药细菌。该方法在检测10⁻⁶频率的耐药亚群时，仅需分析200至300个液滴。相比之下，传统的基于“单个细菌封装一个液滴”的微流控方法，要达到相同的检测下限，则需要数百万个液滴。新技术将所需液滴数量降低了2万倍，极大地提升了检测效率。

图1 技术总体构架图^[1]

在仅封装了敏感菌并暴露于高浓度抗生素的对照组实验中，没有观察到任何液滴收缩，证实该方法不会产生假阳性信号。将已知比例的耐药菌“掺入”敏感菌群中（模拟HR），该技术成功检测出了10⁻³、10⁻⁵到10⁻⁶等不同频率的亚群，实验结果与预设比例高度吻合。使用经PAP测试确认的临床HR和非HR大肠杆菌分离株进行验证，新技术的结果与PAP测试结果基本一致，证明了其在真实临床场景下的有效性。

图2 利用具有HR特性的大肠杆菌临床分离株检测耐药亚群^[1]

研究还进一步开发了“多重芯片”，可同时对一个菌株进行多种抗生素的HR检测。实验证明，该芯片能够准确区分出对头孢噻肟（CTX）HR、对庆大霉素（GEN）HR以及对两种药物均不HR的菌株，展示了其作为高通量平台的潜力。

结论

这项研究开发的液滴微流控技术，为快速、灵敏地检测临床相关病原体的异质性耐药提供了一种突破性的解决方案。它解决了现有方法（特别是PAP测试）在速度、通量和资源消耗上的主要瓶颈，能够在12至24小时内（比PAP快至少一天）提供检测结果，并且将抗生素和培养基的消耗量降低了约5000倍。

参考文献：

[1] Agnihotri et al., Droplet microfluidics-based detection of rare antibiotic-resistant subpopulations in Escherichia coli from bloodstream infections. Science Advances, 2025, 11: eadv4558. DOI: 10.1126/sciadv.adv4558.