基于生物传感器的微流控平台用于快速临床检测致病细菌

摘要

致病细菌通常存在于食物、水和土壤中，对全球公共卫生构成重大挑战。因此，早期、快速和高度敏感的监测细菌增殖策略对于确保公共卫生、医学诊断和食品安全至关重要。与传统技术相比，微流控平台提供了强大的检测工具，其特点是高度集成、高通量、操作简便、试剂消耗低和高灵敏度。在商业需求的推动下，基于微流控的快速检测方法和技术的研发取得了显著进展，这得益于多学科的交叉融合。本综述总结了微流控生物传感器在临床检测致病细菌方面的进展，包括用于现场快速检测（POC）的微流控设备。详细讨论了检测致病细菌的策略，包括它们的优点和缺点。强调了捕获和检测致病细菌的先进平台，如微通道、微阵列、数字微流控（DMF）和基于纸张的平台。还总结了这些微流控设备的成就和不足。此外，还列出了基于生物传感器的微流控设备用于检测由细菌失衡引起的疾病案例研究。最后，提出了进一步发展高效生物传感器基础微流控用于临床检测致病细菌的可能研究方向。

研究背景

细菌构成了一个庞大的原核微生物群体，是所有生物中最丰富的。细菌广泛分布于土壤、水、空气和地壳的深生物圈中，通常与其他生物共生。通过从大气中循环营养物质，如氮，细菌在许多营养循环阶段中起着关键作用。人体也携带着大量的细菌，它们栖息在肠道、口腔、肺部、皮肤等身体部位。一些益生菌有助于调节宿主健康，特别是那些通过肠-脑轴调节能量平衡的肠道细菌。人类活动，如奶酪和葡萄酒的生产、用工程细菌治疗疾病和废水处理，都与细菌有关。然而，致病细菌的传播是导致人类和动物疾病的主要原因。哺乳动物细菌群落的失衡与许多疾病的发生和进展密切相关，如炎症性肠病、腹泻、糖尿病和肺炎。大多数食物中毒病例是由致病细菌引起的，如大肠杆菌O157:H7（E. coli O157:H7）、沙门氏菌（S. enterica）、单核细胞增生李斯特菌（L. monocytogenes）、蜡样芽孢杆菌（B. cereus）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）。幽门螺杆菌（H. pylori）感染会引起各种胃部问题。细菌与肿瘤的关系包括由细菌代谢物引起的肿瘤微环境变化和致癌因子的上调。术后感染可能导致伤口愈合不良、手术并发症、败血症甚至死亡。因此，自从现代医学开始以来，在预防常见疾病的传播和治疗相关疾病方面，敏感和特异性的检测致病细菌一直至关重要。目前，诊断细菌感染的最常见方法包括基于培养的测定、用于分子诊断的聚合酶链反应（PCR）、用于免疫测定的电化学发光和用于吸附测定的酶联免疫吸附试验（ELISA）。然而，这些方法面临着操作复杂、耗时、样本量大和成本高的负担。随着对细菌检测速度、准确性和高通量的需求，微流控芯片或“芯片实验室”设备近年来显示出广阔的前景。微流控平台提供了许多优势，包括短检测时间、低成本、便携性和与多种设备的无缝集成。

研究图文详解

图1： 展示了结合微流控技术的传统细菌检测方法概览

图2：A) 微芯片基础微流控用于自动化生物标志物分析的示意图和实物图。B) μPAD用于血清中碱性磷酸酶分析的示意图。

图3：A) 用于细菌检测的光学生物传感器示意图。B) 在FA-MB上使用一锅RAA-CRISPR/Cas12a检测的多重检测图示。C) 完全集成的FA微流控生物传感器图示。

图4：A) 设备概览。B) 功率和流速下的捕获效率。C) 释放细胞的荧光成像。D) 使用BMC传感器系统捕获和检测细菌。E) 基于3D ZnO纳米阵列的声流控设备的示意图。F) 不同浓度E. coli的SERS光谱。

图5：A,B) 用于沙门氏菌检测的比色生物传感器图示。C) 校准曲线和D) 该生物传感器的特异性。

图6：A) 无泵微流控芯片的示意图、工作原理和实物图。B) 使用集成无泵微流控芯片检测不同浓度E. coli O157:H7的电化学信号。C) 利用3D金纳米结构集成3D金NMIs/Gr的等离子体辅助阻抗微流控设备的图示。D) 不同浓度E. coli、P. putida和S. epidermidis的EIS结果。

图7：A) 细菌检测的离心微流控芯片。B) 全自动诊断系统的工作原理。C) 芯片的物理和详细表示。

图8：A) 检测微生物细胞的示意图。B) 构建生物传感器的过程。C) 显示捕获目标细菌的实时荧光图像。D) 四种不同细菌样本的颜色强度变化。

总结和展望

快速和特定的检测方法对于多种应用中的致病细菌至关重要，包括食品安全、医学诊断和环境监测。本文综述了基于生化鉴定、免疫诊断、分子诊断和病原体单细胞的基本原理和方法。在过去几十年中，微流控芯片和基于纸张的微流控传感器（μPADs）传感器的发展取得了显著进展。利用微流控技术的平台在细菌捕获和检测方面取得了显著发展，包括微通道、微阵列、数字微流控（DMF）和基于纸张的平台。目标是实现快速、高通量、高特异性和便携式的活病原体检测系统。

尽管基于生物传感器的微流控平台在病原体检测方面展现出了巨大的应用前景，但仍存在一些挑战。解决这些挑战对于这些技术的进一步发展和实际应用至关重要。

传感器稳定性： 确保生物传感器的长期稳定性和可重复性对于一致性性能至关重要。研究应关注开发稳健的传感器材料和提高生物识别元件在各种条件下的功能稳定性。

灵敏度提升： 尽管目前的平台已经证明了微流控传感器平台可以用于检测多个病原体标志物或单细胞，但在高通量和多目标检测中容易受到交叉污染的影响。捕获单元与目标的结合特异性也成为影响检测结果准确性的重要因素。目前，大多数微流控设备仍处于概念验证的早期阶段，需要更多的实验测试和改进才能广泛使用。此外，尽管目前的平台显示出高灵敏度，但还需要进一步增强以检测更低浓度的病原体，特别是在早期感染中。信号放大技术和先进纳米材料的整合可以促进这一改进。

集成和微型化： 开发完全集成和微型化的系统，将样本制备、病原体检测和数据分析整合到单一平台，对于现场快速检测（POCT）应用至关重要。首先，尽管一些现有示例涉及样本前处理过程，但针对复杂基质干扰和低浓度目标的前处理设备仍需要改进。其次，微流控芯片的多功能整合通常依赖于微阀、微泵、微通道等，导致芯片结构复杂，需要创新。微制造和实验室芯片技术的进步将在实现这一目标中发挥关键作用。

大规模生产和成本降低： 大规模生产这些平台的可扩展性和经济可行性仍然是重大障碍。应努力优化制造过程，使用成本效益高的材料，使这些技术易于获取且负担得起。

POCT应用： 随着对POCT的迫切需求，开发准确、低成本、集成化、便携式和高灵敏度的微流控芯片已成为越来越受追捧的目标。开发简单的手持设备和芯片检测的信号传输方法，如蓝牙传输和智能手机接收，对于微流控芯片的广泛采用是必要的。芯片的智能化是时代的需求，人工智能技术如机器学习和数学建模为从整体角度分析病原体细菌提供了无与伦比的机会。总的来说，微流控平台在理想的完全集成POCT设备使用方面仍面临挑战。

监管和临床验证： 确保监管合规性和获得临床验证对于这些平台在临床设置中的采用至关重要。需要进行严格的测试和标准化，以满足监管机构的严格要求，并获得医疗专业人员的信任。

跨学科合作： 基于生物传感器的微流控平台的发展需要跨多个学科的合作，包括生物学、化学、工程学和医学。促进跨学科研究和加强学术界、工业界和医疗保健提供者之间的伙伴关系，将加速这些技术从实验室到临床实践的转化。由于对诊断传染病的巨大需求，开发的技术、设备和仪器将在临床细菌检测、细菌相关疾病诊断、传染病与细菌之间的关系调查以及细菌对疾病发生和发展的影响方面具有重要的应用。最重要的是，与基于生物传感器的微流控检测致病细菌相关的产品将逐渐占据体外诊断市场，并将在医院、社区卫生中心甚至家庭中具有重要的临床应用，因为它们易于操作、便携、价格低廉且测试成本低。

原英文标题：Biosensor-Based Microfluidic Platforms for Rapid Clinical Detection of Pathogenic Bacteria

原文链接DOI：10.1002/adfm.202411484