生物发光技术：快速检测尿路感染与抗菌耐药性的便携新方法

原创

来源：邹晶晶

2025-08-08 08:50:38

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核心提示：近期，一项来自《Analytical Chemistry》的研究展示示了一项创新的基于生物发光的串联检测平台，该平台能够在约30分钟内同时快速、准确地检测尿路感染（UTI）和抗生素耐药性（AMR）。该平台通过便携式发光计设备，减少了诊断延迟，并支持临床决策和抗生素治疗优化。

尿路感染（UTI）是全球最常见的细菌感染之一，主要由细菌引起，偶尔由真菌引起，通常影响膀胱和尿道。常见症状包括排尿疼痛、尿频、尿液浑浊和盆腔不适。在严重情况下，病原体可能上行至肾脏，引发复杂感染。女性由于尿道较短且靠近肛门，更容易受到感染。误诊、延迟治疗或不当治疗可能导致肾盂肾炎、肾损伤或败血症等并发症。此外，抗菌药物耐药性（AMR）的增加使得UTI的管理更加复杂，导致发病率、住院率、医疗成本和死亡率上升。传统的UTI和AMR诊断方法（如尿液分析、培养和药敏测试）耗时较长（24-48小时），需要实验室基础设施和专业人员，这在资源有限的地区尤其不便，增加了治疗不足和耐药感染的风险。目前的快速诊断工具（如白细胞酯酶试纸条和亚硝酸盐测试）只能提示可能的UTI，但无法提供细菌负荷或AMR信息。新的诊断平台（如核酸扩增测试和质谱分析）虽然提高了检测速度和准确性，但仍然需要复杂的操作流程和至少24小时的周转时间。为了提高UTI诊断和治疗的效果，需要开发快速、灵敏且准确的检测方法，能够在同一平台上同时检测UTI和AMR；且理想的检测方法应具备高灵敏度，同时降低诊断时间和成本。基于此，本文提出了一种创新的基于生物发光的串联检测平台，集成了UTI和AMR的检测。其工作流程如下：UTI检测采用冻干的发光细菌Photobacterium leiognathi作为生物发光报告菌，向尿液样本中加入该菌后，若样本中存在尿路致病菌，致病菌会导致报告菌的发光强度降低，以此指示UTI阳性。对于UTI阳性样本，可进一步进行AMR检测，将样本与治疗UTI常用的抗生素共同孵育，若存在耐药菌，耐药菌会存活并产生ATP，通过萤火虫荧光素酶催化的ATP依赖型生物发光反应可检测到ATP的存在，发光强度增加则表明AMR阳性。病原感染的确定及AMR的检测都整合在同一平台，均基于生物发光原理，无需切换检测系统（图1）。

在UTI检测方面，针对大肠杆菌菌液浓度为20,000至1,000,000 CFU/mL时，该方法能够在5分钟内观察到发光信号的显著降低，与未添加致病菌的样本相比具有统计学差异，表明该方法具备良好的灵敏度。而且，通过连续两天的重复实验，相同条件下的检测结果趋势一致，证实了方法的稳定性和重复性。另外，此方法具有较强的抗干扰能力，对共生菌及尿液样本中的葡萄糖、尿素和pH变化等干扰物具有很强的抗干扰能力。在商用混合人尿样本中添加临床诊断阈值（100,000 CFU/mL）的大肠杆菌后，该方法能检测到发光信号的显著减弱（图2-3）。

在AMR检测方面，研究首先展示了方法测定人尿中不同耐药菌株（野生型、氨苄西林耐药型、氯霉素耐药型、多药耐药型大肠杆菌）对氨苄西林、氯霉素、环丙沙星、甲氧苄啶等抗生素的敏感性的准确性（图4）。在这里，敏感菌株因被抗生素杀灭，ATP减少导致发光减弱；耐药菌株存活并产生ATP，发光增强，可准确区分耐药性。此过程可以将抗生素与细菌孵育时间缩短至30分钟，且连续3天重复实验结果一致（图5）。进一步，作者引入8例临床样本（4个UTI阳性样本和4个健康对照样本）证实了方法的适用性。4个UTI阳性样本的细菌载量均> 100,000 CFU/mL，其AMR检测结果与金标准（TriCore实验室及培养法）完全匹配：4株均对氨苄西林耐药，3株对甲氧苄啶耐药，1株敏感（图6）。

总体而言，本研究的生物发光平台能够将UTI和AMR检测整合到一个快速、便捷的系统中，具有较短的诊断时间和较高的准确性，尤其适用于低资源环境。这一技术的出现有望改变尿路感染的诊断方式，促进精准的抗生素治疗，减少不必要的抗生素使用，并有助于应对日益严重的AMR问题。

图1 基于生物发光的UTI和AMR检测工作流程示意图。

图2 （A）使用UTI检测方法分析添加不同量大肠杆菌的人工尿样本的结果；（B）连续两天使用添加大肠杆菌的人工尿样本进行UTI检测的结果；（C）使用添加临床相关浓度大肠杆菌的人类尿液样本进行UTI检测的结果。

图3 UTI检测方法的稳定性评价。（A）测定未经净化处理的尿液（含正常共生菌群）、PBS缓冲液（对照）以及添加10,000 CFU/mL大肠杆菌的尿液样本的生物发光强度；（B）测定添加两种不同浓度乳酸杆菌的尿液样本与未添加乳酸杆菌的尿液样本的生物发光强度；（C）测定添加葡萄糖、尿素、调整 pH 值（6-8）及不同储存时间的尿液样本，与正常尿液样本（均孵育发光细菌）的生物发光强度。