用于快速抗生素敏感性测试的梯形微流体系统
快速识别抗生素耐药细菌的可能性可以通过促进药物的有针对性和及时给药，在解决全球抗生素危机方面发挥重要作用。目前，细菌感染诊断的过程需要长达三天的时间，这导致抗生素治疗效果较差。
在现在发表在《通信工程》上的一份新报告中，Ann V. Nguyen和纽约康奈尔大学的一个研究小组报告了一种具有梯形设计的微流体系统的开发，以产生抗生素的两倍连续稀释，适用于国家和国际测试标准。设计和应用过程使他们能够将抗生素敏感性的测试时间缩短到约4-5小时。研究结果与市售试剂盒一致，为抗生素药敏试验提供了适应性强且高效的诊断工具。
抗生素耐药性和抗生素敏感性测试
抗生素耐药性的影响是全球性的，并被认为与抗生素在人类和兽医学中的过度使用有关，并且与动物处理中的缺陷有关。研究人员指出，原因是由于抗生素处方过多，缺乏快速实验室检测和处方抗生素的流通，这些抗生素的效果微乎其微。开发和使用快速诊断检测的能力可以识别和表征耐药细菌，以对抗抗生素耐药性。诊断抗菌感染的现有工作流程通常需要长达 2-3 天，在此期间患者将接受隔离、敏感性和识别。
当该过程从样本收集开始时，生物化学家可以根据病原体的特征识别感染因子，该过程在临床微生物实验室中需要长达两天的时间。研究人员可以分离细菌进行抗生素敏感性测试，这需要另外16-20个小时，导致无法及时获取抗菌耐药性信息。
微流控平台与微流控梯状仪器的设计
因此，生物工程师开发了微流体平台，作为提高测试抗生素敏感性的灵敏度和速度的方法。在这项工作中，Nguyen和团队设计并开发了一种具有优化梯状网络的微流体系统，以两倍连续稀释的方式组合和分配培养基和抗生素。他们研究了进行抗生素测试的平台的性能，并开发了一种适应性强的诊断仪器。该装置包括一个用于抗生素敏感性测试的微流体平台，该平台将基于纳升微反应室的方法与梯状浓度梯度发生器相结合。
该组合为他们提供了标准且可调的抗生素浓度谱，以快速识别表型抗菌敏感性。研究人员通过结合与传统载玻片粘合的PDMS层来创建该平台，以使他们能够测试每个设备的一种抗生素/细菌组合。每个装置都用作生物反应器，在实验过程中用抗生素孵育细菌。
微流控仪器及其作用原理
该装置包含三个开口，包括一个药物入口，一个负入口和一个出口，以形成梯状结构。该团队将抗生素和培养基从相反的方向添加到装置中，以稀释抗生素，因为它从药物入口穿过系统，通过蛇形表面稀释溶液并以特定流速与细菌混合。为了确定特定的流速，生物工程师计算了所需的阻力，并使用计算流体动力学模拟来产生更大范围的稀释。然后，他们用预先存在的协议探索了微流体系统的作用原理。
该团队在设置中使用了阳离子调节的Mueller Hinton肉汤和PrestoBlue细胞代谢指示剂。然后，他们用注射器将细菌悬浮液装入设备中，然后是抗生素溶液以生成主通道网络。他们检查了梯形微流体系统的性能，以确定平台上抗菌物质的最小抑菌浓度，并检查了从动物模型获得的细菌分离物。该仪器提供了一个观察各种病原体的框架，包括大肠杆菌和假中间葡萄球菌。生物工程师总共在微流体细胞分选平台上测试了206个细菌样本。
展望：使用加标和临床样品进行抗生素敏感性测试
使用这些仪器，研究小组检查了绕过细菌分离步骤对尿液样本进行抗生素敏感性测试的可能性。他们通过培养出阳性的尿液样本来实现这一点，该样本存在单个未知细菌。研究小组在4-5小时内确定了伴随临床样品中最小抑菌浓度的能力。
通过这种方式，Ann V. Nguyen及其同事设计并优化了一种微流体系统，以执行表型抗生素敏感性测试，以从培养板或直接从尿液样本中分离细菌。该仪器保持梯形结构以产生两倍浓度梯度，该梯度遵循现有的标准化方法以及临床相关的抗生素和药物组合。该团队在仪器上进行了细菌加载，抗生素和油负载，并在研究中首次包含电路逻辑，以生成微流体浓度梯度。研究人员计划使用该方法促进快速抗生素敏感性测试，以改善患者的预后并在短时间内简化临床实验室工作流程。
该团队还设想将其他功能集成到梯形微流体仪器中，包括分子量数据集内的自动加载能力和样品处理，以提高准确性的实时图像分析。
