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    单细胞研究中心开发基于拉曼组的细菌耐药性快检技术

    发布时间:2016-10-31


       抗生素的滥用导致了耐药性的广泛传播。对抗耐药性不仅需要研发新型抗生素,还需要发展耐药性快检技术和监测体系,以提高现有抗生素使用的针对性和有效性,从而推迟与遏制耐药性的传播。因此,20160826日国家卫生计生委等14部门联合印发的《遏制细菌耐药国家行动计划(2016-2020)》明确提出要“加强抗菌药物应用和耐药控制体系建设”和“完善抗菌药物应用和细菌耐药监测体系”。

       自细菌发现至今,培养法仍是病原菌药敏试验的主流通用标准,但对于临床常见致病菌,培养法耗时长达24~48小时,难以揭示耐药机制,且对于难培养或生长缓慢的细菌无能为力。PCR和基因组测序技术可通过鉴定耐药基因来间接推测耐药的可能性,但它依赖于已知的耐药基因参照序列,故无法分析未知的耐药性,且通常无法定量检测,因此只能作为一种辅助手段。临床实践上为了指导“精准用药”,急需细菌耐药性及其耐药机制的直接、快速测量技术。临床需求与技术现状的矛盾如此紧迫和突出,以至于201698日美国NIH悬赏二千万美元,专门激励细菌耐药性快检技术的研发。

       针对这些瓶颈,中科院青岛能源所单细胞中心提出了基于“拉曼组”的耐药性快检技术,证明通过高通量单细胞拉曼成像,能够不经培养、快速、定性、定量地表征细菌的药物应激性并区分其应激机制。该工作于1019日在线发表于Scientific Reports

      首先,单细胞中心功能基因组团队徐健研究员及其博士生滕琳等提出了“拉曼组”的概念(图1)。“拉曼组”(Ramanome)是特定条件和时间点下,一个细菌细胞群体之单细胞拉曼光谱的集合。每个单细胞拉曼光谱由分别对应于一类化学键的上千个拉曼峰组成,反映的是特定细胞内化学物质的成分及含量的多维信息,而且其测量无需破坏细胞、不需要标记,通常仅需毫秒乃至数秒钟。因此,对于任一细菌群体,一个拉曼组相当于单细胞精度、可快速、低成本测定与监控的“代谢状态”或“代谢物组”,其变化可直接反映和表征其针对特定抗生素的敏感性和耐受性。而不同的抑菌机制会引起细胞内代谢物组的不同变化,因此拉曼组的变化还具有区分乃至识别各种药物应激机制的潜力。

       其次,研究人员以大肠杆菌为模式,通过单细胞拉曼光谱的高通量采集,结合多变量分析方法的创新,定量考察了抗生素、醇类、重金属等三类共六种不同类型化学药物在多个剂量、给药时间、细胞抗性条件下的拉曼组变化。研究发现,每一特定的药物及其剂量都对应着一种特定的拉曼组动态变化规律,而由31个特定拉曼峰组合而成的“耐药性拉曼识别码”(图1)可高度灵敏、可靠地识别细菌针对这些化学药品的应激反应,并区分与揭示细胞的耐药机制。此外,拉曼组还能准确测量给药过程中药敏性在细菌群体中的异质性变化,从而为研究细菌耐药性的起源和进化提供了有力工具。

       最后,研究人员还证明拉曼组能够快速区分抗性细菌与非抗性细菌,因此它在抑菌药物筛选或耐药细菌筛选这两方面均具备成为一种新式平台技术的潜力。

       拉曼组基于单细胞成像,不依赖于细菌的繁殖,因此通常能够在一个小时内完成细菌耐药性测量和机制区分,因此它在临床耐药性快检方面具有重要优势。通过系统构建各种主要病原菌和常用抗生素的拉曼组参照数据库,将能建立一个新型细菌耐药性表型组学技术平台,以服务耐药性快检,支撑临床精准用药。

      上述工作由单细胞中心徐健实验室和英国牛津大学黄巍等合作完成,获得了科技部、基金委等项目的前期支持。

    附录:

    Lin Teng, Xian Wang, Xiaojun Wang, Honglei Gou, Lihui Ren, Tingting Wang, Yun Wang, Yuetong Ji, Wei E. Huang, Jian Xu, Label-free, rapid and quantitative phenotyping of stress response in E. coli via ramanomeSci Rep, 2016. 6:34359. DOI:10.1038/srep34359.

      


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