新型 MIR 成像技术：快速精准检测表皮葡萄球菌生物膜的新突破

在医疗和工业领域，微生物生物膜的存在一直是个严峻挑战。生物膜由微生物群落聚集而成，其结构坚固，不仅能保护细菌抵御外界威胁，还会对人体健康和工业生产造成诸多负面影响。其中，表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis，简称 SE）因具有极强的生物膜形成能力，成为引发植入物相关感染的主要病原菌之一，严重影响临床治疗效果。近日，一项发表于《Biofilm》期刊的研究带来了令人振奋的消息，一种新型中红外（MIR）成像技术问世，能够在数秒内实现对 SE 生物膜的精准检测，为相关领域带来了新的曙光。

在临床实践中，假体周围关节感染（PJIs）是关节置换手术常见且棘手的并发症，很大程度上与生物膜在植入物表面的形成有关。传统的生物膜检测方法存在诸多弊端，例如基于培养的方法耗时久，无法满足临床快速诊断的需求；一些间接检测技术又难以准确识别生物膜的物理存在及其结构成分。因此，开发快速、高效且精准的生物膜检测技术迫在眉睫。

科研人员研发的新型 MIR 扫描系统，结合先进数据分析工具与创新设计的快速 MIR 原型，能够针对生物膜的特定光谱区域进行快速检测。为了验证该技术的优势，研究团队进行了一系列实验，并与商用傅里叶变换红外（FTIR）扫描仪进行对比。

图 1：呈现 MIR 扫描仪模拟光学镜头结构，对比特定波数下测量与模拟光斑尺寸，展示其光学性能。

研究人员选用了临床相关的耐甲氧西林 SE 菌株 RP62A（SE+），以及非生物膜产生菌株 ATCC 12228（SE-）作为研究对象。在实验过程中，首先对细菌菌株的生长动力学和活力进行了详细研究，掌握其生长规律。接着，通过结晶紫（CV）染色法对生物膜的生成量进行量化分析，结果表明 SE + 形成生物膜的能力显著强于 SE - 和大肠杆菌，并且随着培养时间延长至 72 小时，生物膜的形成量大幅增加。

图 2：展示生物膜产生菌株 RP62A 和浮游菌株 ATCC 12228 的生长动力学及生长曲线差异。

在生物膜检测实验中，研究人员利用 FTIR 和 MIR 技术分别对样本进行扫描。FTIR 扫描需要对仪器进行预冷却，过程繁琐且耗时，每次扫描约需 7 小时 /cm² 。相比之下，新型 MIR 系统优势明显，其扫描速度极快，能在数秒内完成 1cm² 的扫描。通过对特定波数的选择和分析，研究人员发现 MIR 系统不仅检测速度快，灵敏度也比 FTIR 更高。借助 k-means 聚类分析，MIR 系统能够清晰区分生物膜产生菌株和非生物膜产生菌株，尤其是对生物膜中关键成分聚 - N - 乙酰氨基葡萄糖（PNAG）的检测更为精准。

图 3：以 FTIR 扫描数据可视化生物膜和浮游状态样本，展示二者化学组成区域差异。

图 4：对 FTIR 处理的生物膜和非生物膜样本进行 K-means 聚类分析，呈现聚类图像、散点图及数据分布。

从实验结果来看，MIR 系统在检测生物膜方面表现卓越。在对 SE + 和 SE - 样本的检测中，MIR 系统所呈现的数据与 FTIR 系统相似，但对比度更高，能够更清晰地显示生物膜和浮游菌株的化学特征差异。而且，通过优化空间光栅扫描方法，MIR 系统的分辨率得到显著提升，能够更好地分辨生物膜的微小结构，这对于准确判断生物膜的存在和特征至关重要。

图 5：显微镜下观察浮游和生物膜样本，展示二者在结构形态上的明显区别。

新型 MIR 成像技术为生物膜检测提供了一种快速、精准的新手段，在临床诊断领域具有巨大的应用潜力。它有望改变现有的生物膜检测模式，帮助医生在手术中快速判断是否存在生物膜感染，从而及时制定治疗方案，提高患者的治愈率。

参考文献：

van Marwick B, Sevastyanova T, Wühler F, et al. A Novel MIR Imaging Approach for Precise Detection of S. epidermidis Biofilms in Seconds[J]. Biofilm, 2025: 100270.