尿路感染（UTIs）是常见的复发性感染，可轻可重，甚至危及生命。在美国，其每年导致近1050万次门诊、300万次急诊和40万次住院，估计年成本约48亿美元。临床通常用抗生素治疗，但细菌对抗生素的敏感性各异，经验性用药易导致治疗无效，还会引发抗生素耐药性。2022年中国抗菌监测网数据显示，大肠杆菌对头孢他啶、头孢吡肟的耐药率均超20%。传统抗生素敏感性测试（AST）需分离培养细菌，耗时且昂贵。现有新型快速AST平台存在局限：部分仅测少数抗生素且成本高，部分依赖复杂仪器，多数需细菌定量，易致误差。鉴于上述背景，本研究旨在开发一种快速、精准、易用的表型AST方法。通过构建自校准化学发光传感器，利用致病菌的过氧化氢酶活性及对抗生素处理后对过氧化氢的响应，40分钟内直接从临床尿液样本中测定占尿路感染80%的大肠杆菌和肺炎克雷伯菌的抗生素敏感性，无需细菌定量。该方法的核心机制如图1所示：CuO纳米酶可催化过氧化氢产生羟基自由基，诱导发光的3-氨基邻苯二甲酸根阴离子生成，而致病菌（如大肠杆菌和肺炎克雷伯菌）表面的过氧化氢酶能分解过氧化氢，降低化学发光强度。当细菌暴露于抗生素时，敏感菌被破坏并释放过氧化氢酶，导致化学发光强度变化（ΔCL₁），结合无抗生素处理组的参考信号（ΔCL₀），通过自校准比值（ΔCL₁/ΔCL₀）可反映抗生素的杀菌能力，且不受细菌浓度影响。

为验证该方法的有效性，研究收集了大量临床尿液样本，涵盖46例大肠杆菌感染及25例肺炎克雷伯菌感染的病例。在大肠杆菌的测试中，针对头孢他啶和头孢吡肟这两种常用抗生素，其AST结果相对于标准AST结果分别展现出0.980和1.000的AUC值（图2）。在肺炎克雷伯菌的测试中，针对头孢他啶和头孢吡肟这两种常用抗生素，其AST结果相对于标准AST结果分别展现出0.956和1.0的AUC值（图3）。​

另外，研究展示了该传感器在指导抗生素处方方面的潜力。如图4所示，在案例a中，细菌对头孢他啶和头孢吡肟均敏感，鉴于头孢吡肟作为第四代广谱抗生素不适合作为一线用药，故优先选择头孢他啶；案例b中，细菌对头孢吡肟敏感但对头孢他啶耐药，此时推荐使用头孢吡肟进行治疗；案例c中，细菌对头孢他啶敏感而对头孢吡肟耐药，则选用头孢他啶更为合适；案例d中，细菌对头孢他啶和头孢吡肟均耐药，而哌拉西林-他唑巴坦对产超广谱β-内酰胺酶（ESBL）的革兰氏阴性菌有效，因此推荐使用该抗生素。这些案例的检测结果与临床AST数据一致，充分证实了该传感器在指导抗生素精准处方方面的可靠性，能有效提高治疗效率，减少抗生素滥用及耐药性的产生。

总的来说，本研究的自校准化学发光传感器所提供的快速、精准的抗生素敏感性检测结果，为临床医生精准处方抗生素提供了坚实依据。通过检测细菌的过氧化氢酶活性及对抗生素处理的响应，无需细菌定量即可在40分钟内直接针对临床尿液样本实现AST分析。不过，此方法存在一定的局限性。（1）当前仅针对大肠杆菌和肺炎克雷伯菌，未涵盖复杂UTIs的其他致病菌，对混合感染样本分析受限。（2）不能实现细菌种类的鉴定。（3）方法依赖细菌表达的过氧化氢酶，若细菌不表达该酶或抗生素为抑菌性（不破坏细菌），可能限制应用。

图1  基于过氧化氢酶的化学发光传感器的AST机制及工作流程

图2  46份大肠杆菌感染的临床尿路感染样本在暴露于（A-B）头孢他啶和（C-D）头孢吡肟30分钟后的药敏判定结果。

图3  25份肺炎克雷伯菌感染的临床尿路感染样本在暴露于（A-B）头孢他啶和（C-D）头孢吡肟30分钟后的药敏判定结果。

图4  基于AST结果的抗生素处方。获得四种类型的AST结果：a：对头孢他啶和头孢吡肟均敏感的细菌；b：对头孢他啶耐药但对头孢吡肟敏感的细菌；c：对头孢他啶敏感但对头孢吡肟耐药的细菌；d：对头孢他啶和头孢吡肟均耐药、对哌拉西林-他唑巴坦敏感的细菌。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acssensors.4c03503