技術(shù)文獻(xiàn)
一種新的檢測方法可以在一分鐘內(nèi)識別細(xì)菌的存在，同時區(qū)分健康細(xì)菌和非活細(xì)菌，可以挽救許多生命和大量資金。華威大學(xué)的科學(xué)家報告了這項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)基于細(xì)菌中電信號響應(yīng)外部電刺激的變化。
細(xì)菌檢測對現(xiàn)代醫(yī)療實(shí)踐至關(guān)重要。細(xì)菌培養(yǎng)方法需要數(shù)天才能獲得結(jié)果。在敗血癥中，每小時治療延遲，死亡率上升8%。同樣，尿液試紙研究中錯過了高達(dá)30%的尿路感染，尤其是低水平感染。延遲診斷可使感染成為甚至危險，導(dǎo)致死亡或殘疾。延遲檢測商業(yè)標(biāo)本的細(xì)菌污染也會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)影響。
在這種背景下，細(xì)菌中的生物電信號可以產(chǎn)生非常有用的結(jié)果。目前的研究結(jié)合了生物學(xué)，數(shù)學(xué)建模和工程原理，以快速檢測活細(xì)菌，利用靜息膜電位(跨細(xì)胞膜的基線電壓)的變化。
能夠同時進(jìn)行單細(xì)胞顯微術(shù)和用外源電信號刺激的裝置揭示了對電刺激的超極化反應(yīng)。(A)涂有金 - 鈦電極的定制玻璃底盤。右側(cè)的縮放圖像顯示電極之間的間隙為50微米。將培養(yǎng)皿連接到繼電器電路以對細(xì)菌細(xì)胞施加電刺激(詳見SI附錄，圖S1-S3)。(B)在相位對比和ThT熒光圖像中可見50μm電極間隙內(nèi)的枯草芽孢桿菌細(xì)胞。(C)在電刺激之前，期間和之后的枯草芽孢桿菌的ThT熒光的薄膜條帶圖像。ThT熒光的增加表明對電刺激的超極化反應(yīng)。
主要作者James Stratford解釋說，“我們創(chuàng)建的系統(tǒng)可以產(chǎn)生類似于醫(yī)療和工業(yè)測試中使用的平板計(jì)數(shù)的結(jié)果，但速度提高了約20倍。這可以挽救許多人的生命，并通過檢測制造過程中的污染來使經(jīng)濟(jì)受益。“
動物的生物電，包括研究暴露于外部電場的細(xì)胞的電特性，一直是一個重要的研究領(lǐng)域。細(xì)菌生物電的研究相對較新，但我們現(xiàn)在知道增殖細(xì)菌需要穩(wěn)定的靜息膜電位，并且?guī)缀踔挥幸话氲哪芰縼砭S持它。靜息膜電位是細(xì)胞中電信號傳導(dǎo)的關(guān)鍵。
以前，時間推移顯微鏡和熒光團(tuán)介導(dǎo)的單細(xì)胞膜電位研究都已被用于檢測增殖能力。然而，膜電位的變化在許多情況下發(fā)生，導(dǎo)致非特異性結(jié)果，除非首行復(fù)雜和細(xì)致的校準(zhǔn)。目前的研究專門研究外部場誘導(dǎo)的膜電位變化是否依賴于細(xì)菌增殖潛力。雷丁大學(xué)的科學(xué)家Yoshikatsu Hayashi評論說：“利用神經(jīng)科學(xué)中廣泛使用的數(shù)學(xué)模型，我們揭示了可興奮細(xì)胞，神經(jīng)元和細(xì)菌細(xì)胞的共同機(jī)制，擴(kuò)展的神經(jīng)元模型可以解釋健康和不健康細(xì)菌細(xì)胞的兩種不同的電反應(yīng)。令人驚訝的是，代表膜上非平衡程度的單一參數(shù)足以解釋細(xì)胞的不同反應(yīng)。這是了解電信號起源的重要一步。
科學(xué)家們使用一種專門開發(fā)的裝置來觀察細(xì)胞增殖和膜電位，并對兩種細(xì)菌物種 -枯草芽孢桿菌(枯草芽孢桿菌)和大腸桿菌(大腸桿菌)的單細(xì)胞中的電刺激作出反應(yīng)。
增殖細(xì)菌(通過相差時延顯微鏡觀察)首先將熒光染料分子作為膜電壓指示劑。施加2.5秒的電脈沖。結(jié)果是強(qiáng)烈的熒光指示超極化(細(xì)胞內(nèi)部變得比外部更帶負(fù)電荷)。
這些細(xì)胞中的一些用400nm的紫外(UV)光照射，這是常見的細(xì)菌生長抑制劑，并且通過相差時延顯微鏡證實(shí)了生長抑制。存在于相同視野的不同區(qū)域中的正常細(xì)胞充當(dāng)對照。在相同的刺激下，被照射的細(xì)胞被去極化(內(nèi)部變得更加陽性)而其他被超極化。因此，這與健康的細(xì)菌區(qū)分開來。這種轉(zhuǎn)變被認(rèn)為是由于受損細(xì)胞中靜息膜電位的變化，并且通過當(dāng)前研究中使用的擴(kuò)展神經(jīng)元模型預(yù)測。
然后用萬古霉素處理這兩種細(xì)菌的混合培養(yǎng)物，萬古霉素是一種抑制枯草芽孢桿菌但不抑制大腸桿菌增殖的抗生素。隨后的刺激分別在枯草芽孢桿菌和大腸桿菌中產(chǎn)生去極化和超極化。在用乙醇或質(zhì)子載體處理后觀察到相同的結(jié)果，這也導(dǎo)致細(xì)胞損傷。因此，該方法可以與選擇性培養(yǎng)組合以檢測抗生素抗性。
研究人員已經(jīng)建立了自己的創(chuàng)業(yè)公司Cytecom，并期望商業(yè)設(shè)備很快就可以用于工業(yè)和臨床用途，快速檢測活細(xì)菌并尋找抗生素對細(xì)菌培養(yǎng)的影響。Cytecom獲得了Innovate UK的資助，該獎項(xiàng)旨在促進(jìn)創(chuàng)新。
研究作者M(jìn)unehiro Asally說：“這是一個激動細(xì)菌細(xì)胞生物電的激動人心的時刻。這項(xiàng)工作表明，細(xì)菌電可以導(dǎo)致社會重要的技術(shù)，同時獲得對我們對細(xì)胞的基本理解的基本見解。我們開發(fā)的工具可以通過允許以前無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)來提供更多機(jī)會。“
原創(chuàng)作者：上海遠(yuǎn)慕生物科技有限公司
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