導讀：中科院青島生物能源與過程研究所的論文引起了學界的關(guān)注。論文提出基于“拉曼組”的耐藥性快檢技術(shù)，證明通過高通量單細胞拉曼成像，能夠不依賴于培養(yǎng)、快速、定性、定量地表征細菌的藥物應激性并區(qū)分其應激機制。
耐藥性快檢，一直是擺在中外科學家面前的一道難題。10月19日《科學報告》上發(fā)表了一篇來自中科院青島生物能源與過程研究所的論文，引起了學界的關(guān)注。論文提出基于“拉曼組”的耐藥性快檢技術(shù)，證明通過高通量單細胞拉曼成像，能夠不依賴于培養(yǎng)、快速、定性、定量地表征細菌的藥物應激性并區(qū)分其應激機制。
中科院青島生物能源與過程研究所單細胞中心主任徐健研究員告訴《中國科學報》記者說：“我們團隊在研發(fā)微生物學新技術(shù)新裝備的過程中，敏銳捕捉到了耐藥性檢測技術(shù)開發(fā)的巨大潛力和機遇。”
耐藥性快檢難題
20世紀初，世界上三分之一人死于肺炎、結(jié)核、腸炎及腹瀉。相關(guān)文獻資料顯示，今天心臟病和癌癥成為人類的主要殺手，因肺炎和流感死亡的人數(shù)則不到4.5%。這是人類應用抗生素在公共衛(wèi)生領(lǐng)域取得的重要成果。
如今，人類卻又走到了事情的另一個，濫用抗生素導至耐藥菌的出現(xiàn)及廣泛傳播。對抗耐藥性不僅需要研發(fā)新型抗生素，還需要發(fā)展耐藥性快檢技術(shù)和監(jiān)測體系，以提高現(xiàn)有抗生素使用的針對性和有效性，從而推遲與遏制耐藥性的傳播。
因此，今年8月26日國家衛(wèi)生計生委等14部門聯(lián)合印發(fā)的《遏制細菌耐藥國家行動計劃(2016—2020)》明確提出：“加強抗菌藥物應用和耐藥控制體系建設”和“完善抗菌藥物應用和細菌耐藥監(jiān)測體系”。
據(jù)徐健介紹，自細菌發(fā)現(xiàn)至今，培養(yǎng)法仍是病原菌藥敏試驗的主流通用標準，但對于臨床常見致病菌，培養(yǎng)法耗時長達24-48小時(對于難培養(yǎng)或生長緩慢的細菌則無能為力)，同時無法揭示耐藥機制。
“PCR(聚酶鏈式反應)和基因組測序技術(shù)可通過鑒定耐藥基因來間接推測耐藥的可能性。”徐健進一步指出，“但該技術(shù)依賴于已知的耐藥基因參照序列，故無法分析未知的耐藥性，且通常無法定量檢測，因此一般情況下只能作為一種輔助手段。”
臨床實踐上為了指導“用藥”，急需細菌耐藥性及其耐藥機制的直接、快速測量技術(shù)。臨床需求與技術(shù)現(xiàn)狀的矛盾如此緊迫和突出，以至于2016年9月8日美國國立衛(wèi)生研究院懸賞兩千萬美元，專門激勵細菌耐藥性快檢技術(shù)的研發(fā)。
提出“拉曼組”概念
對這個領(lǐng)域的探索，中國科學家一直都在積極嘗試。從2012年起，徐健團隊就意識到耐藥性檢測技術(shù)開發(fā)的巨大潛力。利用單細胞中心近六年來開發(fā)的單細胞成像技術(shù)，徐健及其博士生滕琳提出了“拉曼組”的概念。
滕琳向記者解釋了什么是“拉曼組”：它是特定條件和時間點下，一個細菌細胞群體之單細胞拉曼光譜的集合。每個單細胞拉曼光譜由分別對應于一類化學鍵的上千個拉曼峰組成，反映的是特定細胞內(nèi)化學物質(zhì)的成分及含量的多維信息，而且其測量無需破壞細胞、不需要標記，通常僅需毫秒乃至數(shù)秒鐘。
因此，對于任一細菌群體，一個“拉曼組”相當于單細胞精度、可快速、低成本測定與監(jiān)控的“代謝狀態(tài)”或“代謝物組”，其變化可直接反映和表征其針對特定藥物或環(huán)境變化的敏感性和耐受性。而不同的抑菌機制會引起細胞內(nèi)代謝物組的不同變化，所以“拉曼組”的變化還具有區(qū)分乃至識別各種藥物應激機制的潛力。
隨后，來自中科院青島生物能源與過程研究所單細胞分析部、生物信息團隊、微生物組部等部門的10多人參與的攻關(guān)小組成立，目標直指“拉曼組突破微生物耐藥性快檢”。
萬事開頭難，在項目進展過程中，滕琳和她的隊友們遇到了不少困難，其中之一是“拉曼組”的數(shù)據(jù)分析。滕琳說：“該系列實驗對來自各種藥物種類、劑量、給藥時間的300多個細胞群體進行了單細胞拉曼成像，采集了超過6000個細胞的拉曼光譜，共包括近900萬個拉曼峰。”
重重壓力下，這個樂觀堅毅的女孩沒有低頭認輸。經(jīng)過四年多的努力，滕琳和攻關(guān)小組的其他隊員們發(fā)展了一系列數(shù)據(jù)分析和可視化的新方法，深入挖掘和驗證了“拉曼組”與微生物藥物應激反應之間的相互關(guān)聯(lián)，從而證明“拉曼組”能快速測量微生物耐藥性并分辨其藥物應激機制。
廣泛的應用前景
此外，“拉曼組”還能準確測量給藥過程中藥敏性在細菌群體中的異質(zhì)性變化，從而為研究細菌耐藥性的起源和進化提供了有力工具。科研人員證明了“拉曼組”能夠快速區(qū)分抗性細菌與非抗性細菌，因此它在抑菌藥物篩選或耐藥細菌篩選這兩方面均具備成為一種新式平臺技術(shù)的潛力。
徐健表示，作為一種新的“表型組”手段與組學大數(shù)據(jù)類型，“拉曼組”具有重要的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)意義上的轉(zhuǎn)錄組、蛋白組或代謝組不同，“拉曼組”在單個細胞精度對細胞群體或群落進行快速、低成本的代謝狀態(tài)成像與監(jiān)控，這對于生命體系異質(zhì)性機制研究具有重要意義，同時在藥物篩選、環(huán)境檢測、生物資源挖掘、生物過程控制等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應用前景。
在耐藥性檢測方面，“拉曼組”基于單細胞成像，不依賴于細菌的繁殖，通常能夠在一個小時內(nèi)完成細菌耐藥性測量和機制區(qū)分，因此它在臨床耐藥性快檢方面具有重要優(yōu)勢。
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