中科院青岛能源所等联合开发抗菌药效评价新技术

近日，中国科学院青岛能源研究所单细胞中心与中山大学光华口腔医学院联合发布了一种基于重水标记单细胞拉曼成像的药物抗菌效果评价技术，该技术能够快速、准确地测量药物对单个细菌细胞内细胞代谢活性的抑制作用。在此基础上提出的“基于代谢活性的最低抑菌浓度-最低抑菌浓度指数”与临床常用的“最低抑菌浓度指数”相比，具有重要的特点和优势，有望成为指导临床准确用药的新标准之一。这项工作最近发表在《分析化学》上。

到目前为止，最低抑菌浓度(MIC)指标，即体外培养24小时后能抑制培养基中病原菌生长的最低药物浓度，已成为微生物药敏试验、抗菌疗效评价和临床抗菌方案制定的主流标准和主要依据之一。“然而，它的测量不仅费时费力，而且对难以在实验室培养或生长缓慢的细菌也无能为力。关键是MIC只能从抑制细胞数量扩张的角度反映和测量药物作用，而不能检测NGMA状态下的细菌，即在药物作用下不再增殖但仍具有代谢活性的活细胞。”中国科学院青岛能源研究所单细胞中心主任徐健告诉《中国科学》。

他进一步解释说，这种状态的细菌在临床实践中非常常见。如果在抗菌治疗过程中被网住，它们会延缓疾病的发展，导致反复感染，进而导致耐药菌甚至“超级细菌”的频繁出现。因此，根据MIC，抗菌治疗计划的制定可能“不够快、不够准确、不够狠”。

针对上述瓶颈问题，徐健领导研究人员开发了基于拉曼基团的细菌药物应激成像技术，有效克服了上述缺陷。他们的研究基于引起龋齿的变异链球菌和多种常见的临床抗菌药物。已证明单细胞拉曼成像能够准确测量细胞利用胞外重水分子的速率，而后者与细胞的代谢活性高度正相关。

单细胞拉曼成像结合重水标记可以从抑制微生物代谢活性的角度定量测量药物作用，使NGMA状态的细胞没有藏身之处，使抗菌治疗方案“足够准确”；对于绝大多数细菌、古细菌和真菌，该方法可以测量同一样品中不同细胞之间抗菌效果的差异程度，并评估细菌细胞群体或群落是否在药物的作用下被“消灭”，从而使得抗菌治疗计划“足够困难”。

该研究的第一作者、中山大学光华口腔医学院与单细胞中心联合培养的研究生陶一帆博士说，实验还证明，该方法能够在半小时内快速区分耐氟变异链球菌和氟敏感变异链球菌。这种高灵敏度对于评估抗菌效果是否“足够快”具有重要意义。

基于上述重水标记单细胞拉曼成像技术，研究人员提出了一种抗菌功效指数，称为“基于代谢活性的最小抑制浓度”(MIC-MA指数)，即所有细胞的代谢活性完成且所有细胞在药物作用8小时后被抑制的最小药物剂量。"最低抑菌浓度指数与特定细菌和特定抗菌药物的最低抑菌浓度指数存在显著差异."徐健说:“在本研究测试的三种抗菌药物的最低抑菌浓度下，尽管变异链球菌的细胞群不再生长和扩张，但大多数细胞仍保持一定的代谢活性。”

事实上，当氨苄青霉素剂量高达60倍最低抑菌浓度时，NGMA州仍有较高比例的变异链球菌细胞，这导致了“星星之火可以燎原”的细菌和抗生素压力消失后的反复感染。这进一步表明，在评价抗菌效果是否“快速、准确、恶意”方面，与临床常用的最低抑菌浓度相比，最低抑菌浓度具有重要的特点和优势。

徐健指出:“传统的最低抑菌浓度测试将被测微生物视为同质群体，忽略了对细胞间药物效应异质性的调查和评估。在单细胞水平检测药物敏感性和药效时，最小二乘法对研究药物耐药性的形成和微观进化机制具有重要意义

在单细胞中心的早期，拉曼基团已被证明能够快速区分细胞药物的应激机制。徐健希望拉曼组技术将成为指导“个体化”临床准确用药和快速耐药性检测的新方法和新标准之一，同时为新抗菌药物的筛选和研究提供一个全新的通用技术平台。