抗菌药物敏感性测试（AST）是现代医学指导用药的基石，传统方法如微量肉汤稀释、E-test、自动化仪器等，广泛应用于临床。这些方法通过测定最小抑菌浓度（MIC），指导医生选择有效抗生素。然而，常规AST几乎全部在浮游状态细菌上进行，而忽视了另一个更具挑战性的现实：超过65% - 80%的临床感染源自“生物膜状态”的细菌。通常，细菌在生物膜中会形成一层保护性基质，代谢减慢，抗药性显著增强，MIC值常常比浮游态高10倍以上。在慢性伤口感染、肺部疾病、尿路导管相关感染、人工植入物感染等场景中，细菌几乎总以生物膜形态存在。因此，基于浮游态的MIC常常高估了抗生素的疗效，导致“实验室说有效，临床却无效”的现象频发。本文针对这一关键盲点，提出一种创新性的纸基“纸电子”AST系统。该系统利用导电高分子PEDOT:PSS对质子高度敏感的特性，实时监测细菌在抗生素暴露下的代谢活性变化，快速判断抗药性。其工作原理可以概述为：（1）纸质基底利用其高度多孔的结构和强毛细作用，为细菌提供类似自然环境的三维空间，促进生物膜快速形成。这种高细胞密度通过群体感应增强细菌间的通信，加速生物膜的形成。（2）晶体管的PEDOT:PSS通道对质子高度敏感。当细菌代谢活跃时，会产生大量质子，这些质子进入通道后中和正电荷（空穴），导致通道导电性下降，电流减小（去掺杂）。若抗生素有效，细菌代谢受抑制，质子生成减少，电流下降幅度变小；若细菌耐药，代谢不受影响，质子持续产生，电流显著降低（图1）。

该纸基系统的核心优势在于构建了贴合临床实际的生物膜模型与高灵敏检测的双重功能。其采用的纸质基底凭借多孔结构和强毛细作用，能模拟细菌自然生存的三维环境，促进生物膜快速形成——初始菌浓度为OD₆₀₀=1.0的铜绿假单胞菌仅需1小时即可形成含胞外聚合物（EPS）的高质量生物膜，且低浓度菌液（如OD₆₀₀=0.1）经延长培养（9小时）也能达到同等效果（图2）。这种生物膜培养与检测的集成设计，克服了传统模型耗时、操作复杂的缺陷。在检测性能上，系统通过PEDOT:PSS通道的电学响应实现精准量化。当细菌代谢产生质子时，会引发通道去掺杂，导致电导率降低；而有效抗生素抑制代谢后，质子生成减少，电流下降幅度显著减缓。实验验证显示，该平台对庆大霉素（GEN）、环丙沙星（CIP）、头孢噻肟（CEF）三种一线抗生素的MIC测定结果与临床规律一致，如环丙沙星对大肠杆菌的MIC为0.5 μg/mL，对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌则分别为0.5 μg/mL和1 μg/mL（图3）。为实现临床转化，系统集成了微型控制器与机器学习算法，通过LCD直接显示抗生素浓度相对于MIC的分类结果（低于、等于或高于MIC）。盲测实验中，对三种病原菌的每种抗生素重复测试25-100次，准确率均超85%，证实了其可靠性（图4）。此外，该平台采用蜡印、喷墨打印等简易工艺制作，成本低廉且可规模化生产，单个纸张可集成多个传感器实现多抗生素并行检测，无需大型仪器，特别适合资源有限的基层医疗或现场快速诊断场景。这种创新性设计填补了生物膜状态细菌药敏检测的技术空白，为解决“实验室有效而临床无效”的困境提供了切实可行的新方案。

总之，本文开发了一种基于纸基有机场效应晶体管的新型AST平台，专为生物膜形成细菌设计。其创新点在于利用纸质基底的多孔结构模拟自然环境，实现生物膜快速培养与代谢监测一体化；通过PEDOT:PSS通道对质子的敏感性，实时捕捉细菌代谢产生的质子引发的电学变化，量化抗生素效价；集成微控制器与机器学习算法后，可快速显示MIC分类结果，准确率超85%，且成本低、可规模化生产，适用于资源有限场景。然而，研究存在局限性：首先，仅使用纯细菌培养物进行测试，而未纳入直接的临床样本，后者通常含有混合微生物群落和宿主来源的因素，可能会影响结果。未来研究应包括临床样本，以验证其实用性。其次，开发的机器学习算法依赖于每种细菌种类和抗生素组合的预先训练数据，限制了其对未知或新出现病原体的即时应用，除非进行广泛的初步训练。此外，该平台的灵敏度主要基于代谢质子的产生；然而，在不同的生理条件下，其他离子（如钠或钾）也可能影响晶体管的响应。最后，该平台在多样化环境条件下的稳健性尚未得到广泛评估，需要进一步研究以确认其在不同临床环境和环境条件下的可靠性能。

图1  基于纸基有机晶体管进行AST的工作原理。（A）晶体管的基本结构；（B）晶体管在不同门极电压（Vg）下的工作机制：（i）Vg=0：正常导电状态；（ii）Vg>0：空穴减少，电导下降；(iii)Vg<0：空穴增多，电导上升。（C）晶体管电流受到质子（或阳离子）/电子渗透的影响而发生变化，展示其对离子和电子传输的高敏感性。（D）基于晶体管的AST检测流程：（i）将含有病原菌的样本引入传感器；（ii）细菌在通道上形成生物膜并进行代谢，释放出质子和电子；（iii）这些代谢产物调节晶体管的导电性；（iv）在抗生素作用下，导电性变化反映细菌是否受到抑制，实现实时药敏测试。

图2  铜绿假单胞菌在纸基晶体管通道内的生物膜形成可视化图像。细菌在纸基通道上成功形成了密集的三维生物膜结构，并随着培养时间的延长而变得更加厚重与致密。生物膜中的细菌被EPS包裹，体现出该纸基平台对模拟复杂生物膜微环境的优越能力。

图3  铜绿假单胞菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌三种病原菌生物膜对三种抗生素的敏感性分析。（A）AST实验装置示意图：在纸基晶体管通道中接种形成生物膜后，向系统中加入不同浓度的抗生素；通过测量负载电阻两端的电压变化，实时评估细菌代谢活性变化；电压下降代表细菌代谢产生的质子增多，晶体管电导下降。（B-D）抗生素（庆大霉素、环丙沙星和头孢噻肟）浓度升高时，纸基晶体管电流的百分比下降曲线（反映代谢活性）。

图4  基于纸的有机场效应晶体管及集成电路系统在AST中的应用。（A）纸基有机晶体管阵列的示意图：在一张纸上集成多个AST传感器，实现并行检测；提升测试效率，适用于高通量检测与多抗生素筛选。（B）AST系统在现场快速操作的应用示例：系统通过LCD实时显示检测结果；可判断抗生素浓度是低于、等于或高于目标病原体的MIC。（C）通过盲测验证系统准确性：对未知抗生素样本进行分类测试；使用内置的均方误差（MSE）算法，比较信号与训练数据，判断抗生素种类及其是否达到MIC；测试准确率均超过85%，说明系统鲁棒性强、分类效果优良。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.isci.2025.112312