不管是被稱為歷史重大傳染疾病的鼠疫、肺結(jié)核、霍亂，還是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷钠つw疾病，都對公共衛(wèi)生和經(jīng)濟構(gòu)成挑戰(zhàn)。快速鑒別病原體和鑒定抗生素敏感性是應(yīng)對這一危機的2項關(guān)鍵任務(wù)。當下雖有各樣的監(jiān)測方法和系統(tǒng)，但是在效率、經(jīng)濟、操作上卻不能同時具備。
波士頓大學的程繼新教授與普渡大學的梅建國教授團隊合作報道了一種水溶性電制變色的聚（3,4-丙二氧基噻吩-alt-3,4-亞乙基二氧基噻吩）共聚物（PPE）作為新型代謝活性細菌傳感器，當與活菌混合后，可在30分鐘內(nèi)表現(xiàn)出明顯的比色和光譜變化，對革蘭氏陰性菌和陽性菌具有鑒別能力，區(qū)分耐藥菌和敏感菌，以及對不同抗生素的敏感性評價都有出色的效果；并且，用于生物應(yīng)用的聚合物電制變色的研究仍處于起步階段，該報道可謂是做出了巨大的進展。相關(guān)成果以“Polymer Electrochromism Driven by Metabolic Activity Facilitates Rapid and Facile Bacterial Detection and Susceptibility Evaluation”為題于2020年9月13日發(fā)表于《Advanced Functional Materials》雜志。
[目前病原菌鑒定和藥敏試驗技術(shù)的不足]
傳統(tǒng)技術(shù)費時費力，導致患者治療延誤，嚴重感染的風險高。雖然聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）和質(zhì)譜（MS）法可以實現(xiàn)特異性的分析，并將檢測時間縮短到幾個小時，但它們需要大量的數(shù)據(jù)庫，并且缺乏直接檢測活菌功能的能力；近年來，分子傳感器已被用于微生物傳感，許多微生物傳感器基于抗體抗原識別或其他特定的配體-受體相互作用，其使用僅限于某些特定的環(huán)境，不能用于未知病原體；此外，通過陽離子聚合物監(jiān)測熒光變化來鑒別細菌，但是無法區(qū)分活菌和死菌，并且一些物質(zhì)對細胞有很高的毒性；最近，通過點擊反應(yīng)感知細菌代謝已被證實，但是這種共價結(jié)合可能會擾亂細菌結(jié)構(gòu)和功能，以至于不能準確進行判斷。
[PPE/ox-PPE的電致變色性能]
電致變色通常被定義為電活性材料在化學或電化學摻雜過程中發(fā)生可逆的顏色變化，可以通過添加化學摻雜劑（還原劑/氧化劑）或施加適當?shù)碾妷簛韺崿F(xiàn)。PPE的顏色可以通過電化學反應(yīng)進行調(diào)節(jié)（圖1a）；如圖1b所示，在電化學氧化后，PPE膜從可見區(qū)域的藍色狀態(tài)轉(zhuǎn)換到近紅外區(qū)域的漂白狀態(tài)；并且該共聚物氧化電位很低，水溶液中的PPE可直接被環(huán)境氧化并大部分轉(zhuǎn)化為雙極性（圖1c），天然氧化的PPE（ox-PPE）在水溶液中具有高穩(wěn)定性，因此可避免使用任何有毒氧化劑以降低對哺乳動物細胞的細胞毒性。
圖1 PPE / ox-PPE的電致變色性能
[細菌驅(qū)動的電致變色機理研究]
為了弄清ox-PPE的變化是否由細菌的代謝活動介導，以葡萄糖為例，文章進行了葡萄糖依賴性和溫度依賴性的測量。圖2a顯示，ox-PPE的還原水平與葡萄糖濃度有很強的相關(guān)性，表明反應(yīng)是由葡萄糖依賴的代謝過程驅(qū)動的；此外，當代謝活性在低溫（4℃）下受到抑制時，ox-PPE的還原也隨之減少（圖2b）。因此，ox-PPE的減少是由代謝活性細菌介導，由此證明ox-PPE能夠區(qū)分活菌和死菌，并可用于檢測生長緩慢的細菌。通過后續(xù)研究，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)時間和反應(yīng)水平之間呈正相關(guān)（圖2c）；當添加無細胞上清液會激發(fā)ox-PPE的還原活性，如圖2d顯示，半胱氨酸和GSH誘導ox-PPE明顯還原，而其他還原分子與ox-PPE的相互作用較小，因此，ox-PPE的減少可能是由半胱氨酸和GSH等細胞外代謝控制。
圖2 ox-PPE對大腸桿菌的比色反應(yīng)
[聚合物PPE性能測試]
ox-PPE對細菌的比色反應(yīng)
研究人員將PPE與大腸桿菌共同培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)在短時間內(nèi)（30分鐘）發(fā)生了明顯的顯色變化（圖3a），并且具有時間依賴性和濃度依賴性（圖3c-f），表明ox-PPE可被用作微生物探針。
圖3 ox-PPE對大腸桿菌的比色反應(yīng)
革蘭氏陰性菌與陽性菌的檢測與鑒別
研究人員用3株革蘭氏陽性菌與5株革蘭氏陰性菌驗證還原反應(yīng)的普遍性，30分鐘后發(fā)現(xiàn)ox-PPE光譜發(fā)生變化，并且革蘭氏陰性菌與陽性菌在700~900nm窗口的光譜存在一定的差異；圖4b所示的PCA結(jié)果表明，ox-PPE可在30分鐘內(nèi)鑒別出革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌。
圖4 ox-PPE對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性菌株的區(qū)分
抗生素敏感性快速檢測
抗生素的攻擊會導致細菌轉(zhuǎn)錄譜發(fā)生迅速而巨大的變化，從而導致蛋白質(zhì)合成和代謝活性的下降。這種與即時細胞反應(yīng)相關(guān)的代謝休克可以用來探測細菌對抗生素的敏感性。研究人員對環(huán)丙沙星（CIP）、氧氟沙星（OFL）、多粘菌素B（PMB）、四環(huán)素（TET）、紅霉素（ERY）、苯唑西林（OXA）等不同抗生素的療效進行定量分析，發(fā)現(xiàn)ox-PPE可以快速、高通量地評估抗生素對不同抗生素的敏感性。
圖5?大腸桿菌對不同抗生素的抗藥性
[小結(jié)]
本文介紹了一種快速、簡便、高通量的水溶性電制變色ox-PPE，以用于細菌檢測、鑒別和敏感性檢測。使得細菌檢測、革蘭氏陰性菌和陽性菌的鑒別以及抗菌藥物敏感性試驗成為可能；同時，該成果也為用于生物應(yīng)用的聚合物電致變色研究邁出巨大一步、為傳染病的個性化診斷和處方提供了巨大的前景。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202005192
