抗生素耐药性细菌是医疗和社区环境中最常见的病原体，它们往往因为诊断的延迟而导致病情恶化，甚至致命。因此，及时且恰当的抗生素治疗对于临床上有效管理细菌感染极为关键。然而，目前临床实践中用于鉴定耐药细菌的方法主要还是依赖于耗时的培养过程（通常需要1至7天），这不可避免地导致了基于经验的药物治疗。在这种治疗模式下，患者感染的严重程度与所开处方的抗生素之间往往不完全匹配，这种不匹配的情况在统计数据中占比高达50%，进而加剧了抗生素耐药性的问题。为了加快耐药菌的诊断速度，已经开发并应用了多种技术，包括RT-qPCR、基因测序技术、质谱分析、纳米机械传感技术以及等离子体纳米传感器等。尽管这些技术具有较高的精确度，但它们通常需要昂贵的设备、专业的操作人员和复杂的样本处理流程，这些因素限制了它们在实验室环境之外的应用。因此，迫切需要开发出一种既敏感又快速，且操作简便的细菌耐药性现场快速检测（POCT）方法。

在临床治疗中，第二代和第三代头孢菌素是治疗细菌感染的常用首选药物。然而，β-内酰胺酶的产生和扩散严重削弱了这些抗生素的效果。β-内酰胺酶根据其水解β-内酰胺类药物的能力范围，被分为四大主要类别：广谱β-内酰胺酶（BSBL）、扩展谱β-内酰胺酶（ESBL）、AmpC β-内酰胺酶（AmpC），以及碳青霉烯酶。其中，碳青霉烯类抗生素作为治疗严重、耐药性感染的最后防线，其有效性至关重要。因而，针对β-内酰胺酶进行快速、准确的分型具有重要的临床意义。基于此，Li等人报告了一种新型的可视化的纸基传感器（BSV传感器），其设计原理可以概括为：针对4种β-内酰胺酶亚型设计4种小型分子显色探针：CCepS-N⁺(CH₃)₃−1（靶向所有β-内酰胺酶）、CCepS-N⁺(CH₃)₃−2（靶向ESBL、AmpC和碳青霉烯酶）、CCepS-N⁺(CH₃)₃−3（靶向AmpC和碳青霉烯酶）、CCS-N⁺(CH₃)₃（靶向碳青霉烯酶），当探针被对应的目标分型水解时，吸光度会发生相应的变化，颜色也会从淡黄色变为红色，由此对β-内酰胺酶分型进行鉴定。此外，还有一个阳性对照和一个阴性对照，内含物分别为：溴酚蓝和柠檬黄，以确保检测结果的稳定性和可靠性。将这些显色探针（5μL）滴加至测试纸上，与阴阳性对照一起集成至聚乙烯传感器上，即构成了BSV传感器（6个通道）。另外，为标准化显色结果，作者引入了一种可折叠的无阴影灯，与智能手机结合使用，可以规避掉环境因素和主观感受带来的结果不稳定性，也使检测过程更加便捷（图1）。

具体地说，作者首先展示了显色探针的设计原理及合成流程，并对这些探针特异性和灵敏度进行了验证。结果显示，4种显色探针在检测灵敏度上存在差异，针对BSBL的探针的灵敏度为10⁵ CFU/mL，其余的高一个数量级。然后，作者利用不同的体液样本展示了方法的可行性。尽管应对不同的样本，样本和探针的共孵育时间存在差异，但在3 h内都能够告知结果。最后，作者利用100例临床样本展示了BSV传感器的实际应用能力。在这里，BSV传感器的β-内酰胺酶分型结果与表型结果完全一致；与RT-qPCR检测结果一致性为96%，其原因可能是所使用的针对TEM-1、TEM-2和SHV-1的引物序列，也可靶向TEM和SHV，由此4个BSBL阳性样本被误检测为ESBL阳性。另外，作者还展示了BSV传感器具备调整治疗方案的潜力。通过分析这100例感染患者的经验治疗方案，并与基于BSV传感器给出的分型数据的治疗方案进行比较，作者发现，应用此传感器，可将正确使用抗生素的概率从43%提升至83%。对于剩下的27%的缺口，作者给出的解释是：（1）BSV传感器不能检测真菌感染。如若有额外的检测技术能够确认真菌感染，抗生素的正确使用率将从50.6%（经验性）提升至97.6%；（2）剩余2例仍被误诊的，其原因是，①嗜麦芽窄食单胞菌对碳青霉烯类抗生素天然耐药，因而，BSV传感器提供的ESBL阳性结果无效；②另一患者感染病原是金黄色葡萄球菌，舒巴坦/头孢哌酮无效。因而，此结果也强调了病原鉴定的重要性。

总的来说，本研究开发的BSV传感器可以快速筛选和分类产生β-内酰胺酶的细菌，该传感器克服了细菌培养测试缓慢、操作繁琐、无法实时监测细菌耐药性等瓶颈，具备改变临床经验性用药方式的潜力。且其具有护理点应用能力，不仅可以提高资源有限地区的医疗水平，还可能推广至家庭护理中，保障人民安全。不过，此传感器也有2点不足值得关注，第一，此传感器无法对病原进行鉴定，而精准医疗的实现必须知情感染病原；第二，此方法仅关注于细菌病原，然而实际应用中，真菌感染也是一个不容忽视的问题。

图1 BSV传感器的设计原理。（A）通过常规策略和BSV传感器来管理抗生素耐药性。在常规策略中，针对疑似感染病例，临床医生初期为控制病情恶化会根据症状经验性用药，几天后在根据细菌培养结果对方案进行调整。相比之下，BSV传感器可以在0.25-3小时内报告来自疑似感染患者的各种体液样本中的β-内酰胺酶亚型。（B）BSV传感器的设计及工作原理。腔室1为阴性对照，反映BSV传感器的质量；腔室2为阳性对照，指示蛋白质的存在；腔室3-6装载有4个显色探针，用于区分BSBL、ESBL、AmpC和碳青霉烯酶。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-44984-y