用于临床细菌及其耐药性检测的代谢触发等离子体纳米传感器

细菌抗生素耐药性（AMR）已成为全球公共卫生的重大威胁，2019年全球约有495万例死亡与细菌AMR有关，其中127万人直接死于耐药性感染。抗菌药物敏感性试验（AST）是指导抗生素合理使用的重要手段，但传统的AST方法耗时较长，通常需要16-24小时才能得出结果，这限制了临床快速选择合适抗生素的能力。因此，开发快速、简便的AST方法具有重要意义。

近年来，研究者们提出了多种新的AST策略，包括基因型和表型方法。基因型方法虽然灵敏且快速，但其应用受限于与表型抗性显著相关的基因数量有限，且需要昂贵的试剂和设备。表型方法则通过监测细菌在有无抗生素孵育后的表型特征变化来实现快速AST，其中基于金纳米颗粒（AuNP）的等离子体纳米传感器因其操作简便且无需复杂设备而备受关注。

近日，天津科技大学食品科学与工程学院刘亚青教授团队等在ACS Sensors期刊上发表了题为 ：Metabolism-Triggered Plasmonic Nanosensor for Bacterial Detection and Antimicrobial Susceptibility Testing of Clinical Isolates论文。

研究人员设计了一种简单高效的等离子体纳米传感器，由Cu²⁺和半胱氨酸修饰的金纳米粒子（AuNP，简称Au/Cys）组成。该传感器利用细菌对Cu²⁺的代谢活性进行细菌检测和AST。具体来说，当Cu²⁺存在时，它会诱导Au/Cys的聚集。然而，在细菌存在的情况下，Cu²⁺会被细菌代谢到不同程度，从而导致不同程度的聚集。此外，细菌的代谢活性可能受到其抗生素敏感性的影响，使我们能够通过Cu²⁺–Au/Cys平台在大约3小时内的直接颜色变化来区分敏感菌株和耐药菌株。这些颜色变化可以轻松通过肉眼观察或智能手机分析等测到。

图1.（A）基于Cu^{2 +}−Au/Cys平台的AST策略用于临床分离株的示意图和原理; Cu²⁺可以诱导Au/Cys聚集，而在细菌存在下，Cu²⁺被代谢，从而产生具有较少聚集的Au/Cys的红色溶液;（B）基于平台的AST结果（敏感或耐药）可以使用裸眼、A625/A520或智能手机获得。

图2.（A）用不同浓度的半胱氨酸修饰的Au/Cys对不同浓度的Cu²⁺的A625/A520读数。（B）在不同浓度的金黄色葡萄球菌存在下Cu^{2 +}-Au/Cys平台的吸收光谱和（C）根据A625/A520值的金黄色葡萄球菌检测的相应标准曲线。“x”线性方程中的对数形式代表细菌浓度。

使用四种临床分离株和六种抗生素验证了该平台。结果显示，该平台在24个AST结果中有23个与标准结果一致，显示出95.8%的临床敏感性和特异性。这表明该等离子体纳米传感器在各种环境下的抗生素敏感性即时检测方面具有巨大的潜力。

金黄色葡萄球菌实验：在 Con 组中，标准 A625/A520 值低于 1.27，表明正常代谢活性下 Au/Cys 聚集程度较低；而其他抗生素处理组的A625/A520 值显著升高，说明抗生素抑制了细菌代谢活性，导致 Cu²⁺代谢减少，Au/Cys 聚集增加。AMP 处理组的 A625/A520 值相对较高，可能是因为新鲜活化的细菌代谢活性和抗生素敏感性更强，使得 AMP 对其代谢活性抑制效果更明显。

MRSA 实验：CIP、TET 和 VAN 处理组的 A625/A520 值均大于 1.27，表明 MRSA 对这些抗生素敏感，代谢活性受抑制；而 AMP 处理组的 A625/A520 值较低，说明 MRSA 对 AMP 有抗性，代谢活性未受显著影响。

临床分离株实验：四种分离株对不同抗生素的敏感性测试结果与标准方法高度一致，24 个 AST 结果中有 23 个相符，临床敏感性和特异性达 95.8%。敏感抗生素导致标准化 A625/A520 读数高于截止值，溶液呈蓝色；耐药抗生素则使 A625/A520 读数较低，溶液呈紫色。

总结：这种传感器利用了等离子体纳米颗粒的光学特性变化与细菌代谢活性之间的关系，实现了对细菌的快速检测和抗生素敏感性测试，具有操作简便、灵敏度高和响应速度快等优点。

参考文献：

[1]. Zhang, J., et al., Metabolism-Triggered Plasmonic Nanosensor for Bacterial Detection and Antimicrobial Susceptibility Testing of Clinical Isolates. ACS sensors, 2024. 9(1): p. 379-387.