【引言】

超靈敏檢測(cè)和病原體的快速鑒定對(duì)于通過用適當(dāng)?shù)目股刂委焷砀纳苹加屑?xì)菌感染的患者的存活率是至關(guān)重要的。目前細(xì)菌血液培養(yǎng)的臨床標(biāo)準(zhǔn)需要大量的血液樣本和繁瑣的培養(yǎng)和微生物表型鑒定，并且整個(gè)鑒定過程非常耗時(shí)（幾天甚至幾周）并且通常取決于操作者的專業(yè)知識(shí)。作為替代方案，一些基因型方法，例如實(shí)時(shí)聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）和熒光原位雜交（FISH）可以有效地將測(cè)定時(shí)間減少至血培養(yǎng)陽性后數(shù)小時(shí)（約6-10小時(shí)）。然而，有限的檢測(cè)靈敏度和特異性以及由大量周圍非目標(biāo)物種產(chǎn)生的高背景信號(hào)仍然阻礙它們的廣泛使用。然而，所有這些常規(guī)方法在一定程度上涉及復(fù)雜和費(fèi)力的樣品處理（例如細(xì)胞培養(yǎng)，細(xì)胞裂解，核酸提取和PCR擴(kuò)增），使得臨床樣品的高通量分析難以進(jìn)行。另外，多種細(xì)菌病原體可以共存，但通常在血液中以低水平存在（例如，<1-100CFU/mL）。因此，非常需要開發(fā)用于臨床診斷中病原菌的高通量鑒別的快速，多重和超靈敏方法。

基于液滴的微流體技術(shù)為單細(xì)胞水平的高靈敏度生物檢測(cè)和分析提供了一個(gè)很有前途的平臺(tái)，例如基因組分析，分泌表型篩選和多重染色質(zhì)相互作用分析。鑒于其能夠通過物理和化學(xué)隔離將少量細(xì)胞限制在離散液滴中，這種方法也適用于細(xì)菌檢測(cè)，可以直接從稀釋血液中快速檢測(cè)細(xì)菌，具有單細(xì)菌敏感性。然而，由于缺乏有效的信號(hào)放大，該方法不允許檢測(cè)病原體的低豐度生物標(biāo)記物。此外，對(duì)于多種病原體和易感性模式的同時(shí)鑒定和多重檢測(cè)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。雖然標(biāo)記具有不同熒光顏色的多個(gè)傳感器將允許同時(shí)多路檢測(cè)多種病原體，但是它們的多路復(fù)用能力通常受到可在有效范圍內(nèi)明確檢測(cè)到的有限數(shù)量的光譜顏色的限制。因此，開發(fā)用于基于液滴的病原體檢測(cè)的超多重策略是非常需要的。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，華東師范大學(xué)裴浩教授課題組提出了一種平臺(tái)技術(shù)，可用于超高通量細(xì)菌檢測(cè)的一步法，快速和超多重方法。SDwalkers允許將具有熒光強(qiáng)度和發(fā)射波長(zhǎng)的液滴編碼用于同時(shí)識(shí)別和多重檢測(cè)病原體的二維（2D）條形碼。該策略將極大地?cái)U(kuò)展基于液滴微流體的多路復(fù)用能力，用于細(xì)菌檢測(cè)并有益于其他生物測(cè)定應(yīng)用。此外，SDwalkers的酶驅(qū)動(dòng)級(jí)聯(lián)反應(yīng)提供了兼容的信號(hào)放大程序，大大提高了檢測(cè)活細(xì)菌的靈敏度，同時(shí)具有單細(xì)菌適用性，而不會(huì)犧牲多重信號(hào)放大的質(zhì)量。值得注意的是，作者成功地將這種SDwalker-Drop策略與商業(yè)流式細(xì)胞儀（FCM）整合用于臨床樣品分析，其結(jié)合了液滴微流體用于快速檢測(cè)的益處，用于超多重液滴編碼和超靈敏生物測(cè)定的SDwalkers以及用于多參數(shù)FCM的多參數(shù)FCM超高通量篩選。總而言之，SDwalker-Drop平臺(tái)為多重分子檢測(cè)提供了強(qiáng)大的工具，有利于臨床診斷，環(huán)境分析和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)。該成果以題為“Stochastic DNA Walker in Droplets for Super-Multiplex Bacteria Phenotype Detection”發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導(dǎo)讀】

Figure 1.用于超復(fù)合細(xì)菌表型的SDwalker-Drop平臺(tái)的示意圖

Figure 2.基于SDwalker的傳感器用于細(xì)菌檢測(cè)

（a）SDwalker傳感器的工作原理

（b）通過TIRF實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單個(gè)SDwalker傳感器

（c）SDwalker在不同濃度的MRSA存在下的熒光響應(yīng)

（d）SDwalker對(duì)不同細(xì)菌的熒光響應(yīng)

Figure 3.使用基于SDwalker-Drop的顏色或強(qiáng)度編碼條形碼對(duì)細(xì)菌進(jìn)行多重分析

（a）分別記錄在藍(lán)色，綠色和紅色通道中的顏色編碼條形碼的熒光光譜和圖像

（b）用于細(xì)菌的超多重分析的強(qiáng)度編碼條形碼的示意圖

（c）通過強(qiáng)度編碼條形碼可視化分析結(jié)果，以鑒定含有不同細(xì)菌類型的混合物

（d）樣品S1-S7的熒光強(qiáng)度

Figure 4. 使用基于SDwalker-Drop的顏色和強(qiáng)度編碼條形碼進(jìn)行實(shí)際樣品分析

（a）用于實(shí)際樣本分析的SDwalker-Drop方案

（b）六個(gè)實(shí)際樣品的熒光強(qiáng)度的散點(diǎn)圖

【小結(jié)】

在這個(gè)工作中，作者開發(fā)了一種基于SDwalker-Drops的超級(jí)多路復(fù)用編碼技術(shù)。這種用于細(xì)菌分析的方法具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（i）由于酶信號(hào)放大，酶驅(qū)動(dòng)的SDwalker能夠以高靈敏度進(jìn)行細(xì)菌檢測(cè)。（ii）這種與微流體技術(shù)集成的SDwalker實(shí)現(xiàn)了高度可編程和可視化的條形碼編碼方法。（iii）顏色和強(qiáng)度編碼條形碼是通過調(diào)整染料的顏色和調(diào)節(jié)響應(yīng)目標(biāo)的SDwalkers種類的數(shù)量來構(gòu)建的，這克服了傳統(tǒng)顏色編碼方法的光譜重疊，并用理論編碼實(shí)現(xiàn)細(xì)菌的超多重分析，細(xì)菌表型檢測(cè)和鑒定有20種不同的模式。此外，通過與商業(yè)FCM的整合，我們證明了這種方法的可行性，以及在實(shí)際樣品分析中的高特異性和識(shí)別準(zhǔn)確性。因此，設(shè)想該SDwalker-Drop在生物醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷中具有有希望的應(yīng)用。

Stochastic DNA Walker in Droplets for Super-Multiplex Bacteria Phenotype Detection

(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201906438)

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