圣安德魯斯大學的微流控聲學拉曼光譜研究項目可用于監測環境對結核病的影響。

用光和聲波來分析細菌

研究微生物及其變化的組成極具挑戰，通常需要重復的采樣技術，而這些技術本身會影響目標生物。

捕獲和檢查細菌但不改變它們將是更好的解決方案。據麥姆斯咨詢報道，由圣安德魯斯大學（University of St Andrews）領導的一個項目目前已經開發出這種技術，使用微流控平臺和波長調制拉曼光譜（wavelength modulated Raman spectroscopy, WMRS）來檢測結核菌模型。

結核病在全球部分地區構成了重大的公共衛生挑戰，越來越多的證據表明結核細胞中脂質體的存在會直接影響對抗生素治療的反應。含有脂質包裹體的細菌數量越多，對抗生素的耐藥性就越強。

圣安德魯斯大學研發的新平臺整合了光學拉曼光譜和對恥垢分枝桿菌（M. smegmatis bacteria，一種結核病的典型生物）的聲波捕獲，并評估其對抗生素治療的反應。現在可以將其應用于其他微生物的研究，以動態監視它們對不同條件和刺激的反應。研究結果被發表在《自然》（Nature）期刊的子刊《通訊生物學》（Communications Biology）上。

這項新技術的原理是利用聲波捕獲技術將活細菌懸浮并固定在一個小的微流控腔室內，然后應用波長調制拉曼光譜記錄細菌的拉曼信號，從而揭示細菌的分子組成。

聲波捕獲腔室的設計

圣安德魯斯大學光學操縱小組的Mingzhou Chen評論道，“這是首個利用激光和聲音來解決傳染病問題并借此展開的研究。我們希望研究人員能夠用這種創新的方法來研究活細菌和其他生物。”

測試新藥物

在試驗中，工作波長785納米的共聚焦拉曼系統被用于靶向聲波捕獲在該項目中定制的120微米微通道中的細菌。在樣品平面上施加100毫瓦的激光，以獲取足夠強的信號而不會干擾聲波捕獲。

在含有或不含有異煙肼（isoniazid，簡稱INH，一種通常用于治療結核病的抗生素）的情況下，研究人員監測了與特定脂質和蛋白質的存在相關的幾個不同的拉曼光譜峰。

該研究小組在其發表的論文中評價道，“該方法的一大關鍵優勢是通過聲懸浮將細菌樣品保持在遠離裝置表面的位置，可以顯著降低背景信號。這為細菌的實時檢測搭建了一個新的平臺，并允許研究營養素和抗生素動態變化的生化效應。”

恥垢分枝桿菌樣品的結果表明了這類微生物的拉曼光譜具有復雜特性，諸如細菌的聚集等因素也會對光譜信號產生影響。但是該項目能觀察到異煙肼影響下拉曼峰值的顯著變化模式，包括那些與脂質相關的變化。

該項目還需進一步的研究以充分了解聲波捕獲對菌群的影響，但是該團隊相信他們所創建的平臺在幫助理解細菌形為方面已經展現出巨大的潛力，可以作為確定治療結核病的最佳方法的途徑。

據項目研究人員報道，該平臺除了能夠監測對抗生素的反應，也能用于檢測對環境變化的影響，如pH值、溫度、氧氣濃度和營養缺乏。

圣安德魯斯大學醫學系的Stephen Gillespie總結道，“這款新工具將幫助我們理解為何結核病的治療需要花費這么長的時間，并且有望成為新藥測試的平臺。”